简单的计算机光纤通信系统的实现
简单的计算机光纤通信系统的实现[20191215144743]
摘 要
光纤通信技术和计算机技术的发展十分迅速，光纤通信以其快捷、容量大、衰减小等优点在现代通信中应用越来越广泛，社会对计算机连成网络实现资源共享的需求也在日益增长，将光纤通信和计算机技术相结合可以实现快速、稳定、高效的通信。现代社会中，计算机光纤通信技术越发广泛的应用到社区办公局域网中。
本次设计实现计算机与光纤通信平台互联，借助光纤通信设备实现数据传输。在实验设计中，选定串口为通信口，将计算机数据通过光纤通信实验平台进行传输，设计部分重要电路模块，对串口程序进行编写，最终实现计算机光纤通信系统，并在实际电路中得到验证。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:光纤通信；RS-232-C；光调制；光解调；串口调试
目 录
摘要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
1.1 设计目的和意义 1
1.2 光纤通信介绍 1
1.2.1 光纤通信的的概念 1
1.2.2 数字光纤通信的介绍 2
1.2.3 利用光通信的历史 2
1.3 光纤通信的优点 4
1.4 光纤通信的发展意义和方向 5
1.5 本文研究内容 6
第2章 串口通讯介绍和RS-232-C 7
2.1 串口通讯 7
2.1.1 串口通讯的概念 7
2.1.2 串口通信的重要参数 8
2.1.3 串口通讯协议 9
2.1.4 串行通讯接口功能 9
2.2 通讯协议 10
2.2.1 OSI/RM协议 10
2.2.2 TCP/IP协议 10
2.3 通信控制规程 11
2.4 RS-232-C介绍 11
第3章 系统原理 16
3.1 整体设计 16
3.2 光发射机 17
3.2.1 光源 17
3.2.2 光调制驱动电路 17
3.2.3线路编码 18
3.3 光接收机 19
3.3.1 光检测器 20
3.3.2 放大器 20
3.3.3均衡和再生 20
3.4 数字接收机定时提取和判决再生原理 21
3.4.1 定时提取 21
3.4.2 判决再生 21
第4章 系统实现 23
4.1 接口转换电路 23
4.2 光调制驱动电路 23
4.2.1 led的驱动ttl电路 23
4.2.2 ld激光二极管驱动电路 25
4.3 前置放大电路 28
4.4 C#平台简介 30
4.5 串口调试助手的设计 30
4.6 程序流程图 32
4.6.1 发送程序流程图 32
4.6.2 接受程序流程图 34
4.7 部分程序的实例 35
4.7.1 自动发送程序 35
4.7.2 手动发送程序 35
4.7.3 接受程序 36
4.7.4 关于显示发送方式的类 37
第5章 总结 38
参考文献 39
致谢 40
附录1 英文文献 41
附录2 中文翻译 54
第1章 绪论
1.1 设计目的和意义
光纤通信在现代信息科学技术中地位举足轻重，它具有庞大的传输容量、非常小的传输损耗、抗电磁干扰能力强大、轻便的光缆等优秀特性。随着光纤技术的不停发展，信息技术的面貌发生了天翻地覆的变化。现如今，世界上各个角落都有光纤的广泛应用，无论陆地还是海底，光缆已经包揽了整个地球。光纤通信技术正引领通信技术走向多元化高速化的发展道路，电信网光纤化已经是趋势。
现代社会中，信息处理依赖两种物质手段：（1）计算机构成的信息处理系统；（2）高速可靠的通信系统。两种手段相结合极大推动了信息社会的发展。光纤通信和计算机技术相结合形成“数据通信----计算机通信----光纤网络”的体系已经越来越多的出现在我们生活中，比如局域网办公、社区网络等等，大到建设高速信息公路，小到互联传递数据。
串行接口方式通信在计算机通信中应用中比较常见，特点是简单易行，存在速度慢，传输距离有限的问题，对于研究光纤通信系统来说，利用串口将计算机和实验平台相连接，具有一定意义。本次毕业设计通过设计串口通信软件，利用计算机和光纤传输电路构成简单的计算机光纤通信系统，从而实现数据传输交互功能。
本次光纤通信系统的毕业设计，将光纤通信缩小到小点，由点及面，借助小型系统的设计，目的是对光纤通信能有一个深刻的认识，包括数据的转换，调制解调过程，了解其中牵涉的原理和过程；对串口编程，可以加深对串口通讯的理解，加深对协议的重要性的认识，锻炼编程能力。
1.2 光纤通信介绍.
1.2.1 光纤通信的概念
光纤通信，又称光导纤维，原理是将信号加载在光波上，借助光导纤维这种介质，传递和交互信息。
对于信号的传输来说，一定要经过一系列的变化，调制解调的过程必不可少，首先要将电信息转化成光，这些可以在光的相位和频率等方向着手改变，这样可以承载信息；光通过密不透风的光纤，在全反射作用下，高速低损耗地传输；接受时，依靠解调电路对其相位频率分析转换，把它变成原来的电信号，这样就完成了信息的传递。
受现在很多方面技术水平的限制，光波的频率相位调制解调技术还在不断探究中，在满足适应光源器件与光接受器件的线性要求，很多情况下我们采用强度调制和直接检波，尤其在对线性度要求不高的数字光纤通信系统中。
1.2.2 数字光纤通信的介绍
数字光纤通信系统大体组成：光发送机、光纤与光接收机。发送端将信号转换为数字信号，数字信号驱动led发光电路，输出带有信息的光波。数字“1”则驱动led电路发光，视为传输带有信号“1”的脉冲，如果数字零，驱动电路不发光，视为发送“0”信号，通过光纤将信号传送到接收端，接收端高度不失真的还原成数字信号，再被电端机变成模拟信号，这样信息就被还原了，实现了信息的交互。
1.2.3 利用光通信的历史
光通信很早在人类的历史上出现，例如烽火台。后来的手旗、交通灯等都可以归类为光通信，但是其传递距离有限，功能小，没有能够更好地发展。
1880年，Bell利用阳光做电源、硒晶体的一些特性制作了光检测器件，依旧靠大气传输，实验成功，但是距离有200米。之后几十年中，人们对此产生极大兴趣，并不断探索，可是缺乏合适光源，大气衰减严重，大气通信方式的光电话发展滞止不前。
光通信真正的发展是近40年来的市，激光器和光纤的诞生起主导作用。1960年，激光器发明，激光器产生的强相干光提供可靠光源，其具有普通无线电波一样特性，可以调制携带信息。那时还是依赖大气传输，但是由于大气干扰因素和衰减很严重，实际上传输距离很有限，寻找一种像微波通信的电缆传输十分必要。
1965年，出现报导有关金属空心管内一系列透镜构成的光波导，有效避免大气传输缺点，这种方案最终没有能够实际应用，因为它的结构过于复杂，需要极高精度。与此同时光导纤维正在研究中。1951年，医疗玻璃纤维问世，但是损耗达到1000dB/km，不能进行光通信传输。
1966年，英籍华裔博士高锟在PIEE 杂志上发表了对光通信发展具有里程碑性质意义的论文---《用于光频的光纤表面波导》，该论文从理论上分析证明了光纤通信的可实现性，对光纤在传输过程里损耗的原由进行深层次的探索，提出了除去玻璃种杂质的新思路，并且设计了阶跃光纤（波导节），通过他提出的思路，可以将光纤衰减系数降到20dB/km以内。
这远远低于医疗玻璃纤维的损耗。之后的发展证实了高锟文章的指导意义，这篇论文在对光通信发展中具有历史里程碑意义，高锟本人也誉为“光纤通信之父”
在这种预想的鼓舞之下，美国的Corning玻璃公司在1970年用MCVD（化学相沉积法）制造出了新光纤，这根光纤成为世界上第一根具有超低耗特性的光纤，这种光纤长度仅仅几米，但损耗达到20dB/km，遗憾的是几个小时就损坏了，但是它的发明为光纤通信的发展铺平了道路，它证明了超低耗光纤在但是的技术水平下是可以实现的，极大增强了人们的信心，光纤通信开始爆发性竞相发展，找到了理想传输媒体，是光通信研究的实质性重大突破。
1970年以来，世界发达国家对光纤通信十分重视，对其投入大量的物力和人力，也正因如此，光纤通信技术迎来了高速发展的春天，其发展的进度远远超过人们的预期，光纤通信技术逐渐走入世界各个角落。
之后，新技术的不断被应用，工艺水平也在不断被发展，光纤损耗顺势不断降低，1979年单模光纤损耗已经可以降减至0.2dB/km（1550nm波长），而石英光纤极限是0.1dB/km。至此之后，光纤通信得到飞速发展，揭开了通信容量以惊人速度增长的序幕。
人们在对光纤损耗问题上的探索成果显著，对光源问题的探究脚步也未曾停滞。上世纪60年代初，激光二极管LD（GaAs）问世，它的特点在于体积很小、同时还具有非常快的速度，在加入铝以后波长可以从870nm减小到850nm，而且可以满足在常温下工作的要求。考虑到价格的昂贵，LED随后出现，虽然速率没有LD高，但是具有一定性价比。科学家们对光源的研发对光通信的发展起到了至关重要的作用，如今光源的高速稳定离不开他们所做的贡献。
随后，有关光接收的设计也在不断出现，APD和PIN的问世，实现高效率高速率的光电转换。1973年，S.D.Personnick提出PCM数字光接收机的想法，解决了光接收机的设计问题，数字接收机能达到极高的灵敏度，如接受2.5GB/s信号可以达到-30dBm，这样从损耗角度上考虑，传输距离可以达到100公里以上。
随着光纤制造技术和各种元器件的发明，还有集成电路微处理机技术的跟进，光纤通信从实验室开始走向生活。1974年左右，不同国家都在进行光纤通信传输实验；1976年，各种光纤通信系统问世，其实用性也越来越强；在1980年，美国亚特兰大出现了45Mb/s的FT3实现商用，中继长达10km，这个系统真正地第一次把光纤带进人们的生活中。随后，光纤通信高速发展。历经短短几十年，光纤从低水平，低速度，短距离的通信方式渐渐发展成高速稳定可靠的通信选择，至今为止，我们已经可以享受高达40Gb/s的高速率通信的服务，光纤通信极大地改善丰富了我们的信息时代的生活。
1.3 光纤通信优点
光纤通信在现代通讯领域中的扛鼎地位早已经有口皆碑，相比其他的通信方式，在很多方面具有无比的优势。
1.具有极大的通信容量。
传统的明线、微波、同轴电缆的容量比较低，光纤可以比他们高出千百倍，同时传输千亿个话路，理论上看，只需要一根头发丝一样粗细的光纤就可以实现。实际中一根光纤同时传输24万个话路已经有成功的试验。而每根光缆可以包含多大数百根光纤，这样通信量已经十分惊人了，再运用波分复用技术，通信量就更大了。
摘 要
光纤通信技术和计算机技术的发展十分迅速，光纤通信以其快捷、容量大、衰减小等优点在现代通信中应用越来越广泛，社会对计算机连成网络实现资源共享的需求也在日益增长，将光纤通信和计算机技术相结合可以实现快速、稳定、高效的通信。现代社会中，计算机光纤通信技术越发广泛的应用到社区办公局域网中。
本次设计实现计算机与光纤通信平台互联，借助光纤通信设备实现数据传输。在实验设计中，选定串口为通信口，将计算机数据通过光纤通信实验平台进行传输，设计部分重要电路模块，对串口程序进行编写，最终实现计算机光纤通信系统，并在实际电路中得到验证。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:光纤通信；RS-232-C；光调制；光解调；串口调试
目 录
摘要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
1.1 设计目的和意义 1
1.2 光纤通信介绍 1
1.2.1 光纤通信的的概念 1
1.2.2 数字光纤通信的介绍 2
1.2.3 利用光通信的历史 2
1.3 光纤通信的优点 4
1.4 光纤通信的发展意义和方向 5
1.5 本文研究内容 6
第2章 串口通讯介绍和RS-232-C 7
2.1 串口通讯 7
2.1.1 串口通讯的概念 7
2.1.2 串口通信的重要参数 8
2.1.3 串口通讯协议 9
2.1.4 串行通讯接口功能 9
2.2 通讯协议 10
2.2.1 OSI/RM协议 10
2.2.2 TCP/IP协议 10
2.3 通信控制规程 11
2.4 RS-232-C介绍 11
第3章 系统原理 16
3.1 整体设计 16
3.2 光发射机 17
3.2.1 光源 17
3.2.2 光调制驱动电路 17
3.2.3线路编码 18
3.3 光接收机 19
3.3.1 光检测器 20
3.3.2 放大器 20
3.3.3均衡和再生 20
3.4 数字接收机定时提取和判决再生原理 21
3.4.1 定时提取 21
3.4.2 判决再生 21
第4章 系统实现 23
4.1 接口转换电路 23
4.2 光调制驱动电路 23
4.2.1 led的驱动ttl电路 23
4.2.2 ld激光二极管驱动电路 25
4.3 前置放大电路 28
4.4 C#平台简介 30
4.5 串口调试助手的设计 30
4.6 程序流程图 32
4.6.1 发送程序流程图 32
4.6.2 接受程序流程图 34
4.7 部分程序的实例 35
4.7.1 自动发送程序 35
4.7.2 手动发送程序 35
4.7.3 接受程序 36
4.7.4 关于显示发送方式的类 37
第5章 总结 38
参考文献 39
致谢 40
附录1 英文文献 41
附录2 中文翻译 54
第1章 绪论
1.1 设计目的和意义
光纤通信在现代信息科学技术中地位举足轻重，它具有庞大的传输容量、非常小的传输损耗、抗电磁干扰能力强大、轻便的光缆等优秀特性。随着光纤技术的不停发展，信息技术的面貌发生了天翻地覆的变化。现如今，世界上各个角落都有光纤的广泛应用，无论陆地还是海底，光缆已经包揽了整个地球。光纤通信技术正引领通信技术走向多元化高速化的发展道路，电信网光纤化已经是趋势。
现代社会中，信息处理依赖两种物质手段：（1）计算机构成的信息处理系统；（2）高速可靠的通信系统。两种手段相结合极大推动了信息社会的发展。光纤通信和计算机技术相结合形成“数据通信----计算机通信----光纤网络”的体系已经越来越多的出现在我们生活中，比如局域网办公、社区网络等等，大到建设高速信息公路，小到互联传递数据。
串行接口方式通信在计算机通信中应用中比较常见，特点是简单易行，存在速度慢，传输距离有限的问题，对于研究光纤通信系统来说，利用串口将计算机和实验平台相连接，具有一定意义。本次毕业设计通过设计串口通信软件，利用计算机和光纤传输电路构成简单的计算机光纤通信系统，从而实现数据传输交互功能。
本次光纤通信系统的毕业设计，将光纤通信缩小到小点，由点及面，借助小型系统的设计，目的是对光纤通信能有一个深刻的认识，包括数据的转换，调制解调过程，了解其中牵涉的原理和过程；对串口编程，可以加深对串口通讯的理解，加深对协议的重要性的认识，锻炼编程能力。
1.2 光纤通信介绍.
1.2.1 光纤通信的概念
光纤通信，又称光导纤维，原理是将信号加载在光波上，借助光导纤维这种介质，传递和交互信息。
对于信号的传输来说，一定要经过一系列的变化，调制解调的过程必不可少，首先要将电信息转化成光，这些可以在光的相位和频率等方向着手改变，这样可以承载信息；光通过密不透风的光纤，在全反射作用下，高速低损耗地传输；接受时，依靠解调电路对其相位频率分析转换，把它变成原来的电信号，这样就完成了信息的传递。
受现在很多方面技术水平的限制，光波的频率相位调制解调技术还在不断探究中，在满足适应光源器件与光接受器件的线性要求，很多情况下我们采用强度调制和直接检波，尤其在对线性度要求不高的数字光纤通信系统中。
1.2.2 数字光纤通信的介绍
数字光纤通信系统大体组成：光发送机、光纤与光接收机。发送端将信号转换为数字信号，数字信号驱动led发光电路，输出带有信息的光波。数字“1”则驱动led电路发光，视为传输带有信号“1”的脉冲，如果数字零，驱动电路不发光，视为发送“0”信号，通过光纤将信号传送到接收端，接收端高度不失真的还原成数字信号，再被电端机变成模拟信号，这样信息就被还原了，实现了信息的交互。
1.2.3 利用光通信的历史
光通信很早在人类的历史上出现，例如烽火台。后来的手旗、交通灯等都可以归类为光通信，但是其传递距离有限，功能小，没有能够更好地发展。
1880年，Bell利用阳光做电源、硒晶体的一些特性制作了光检测器件，依旧靠大气传输，实验成功，但是距离有200米。之后几十年中，人们对此产生极大兴趣，并不断探索，可是缺乏合适光源，大气衰减严重，大气通信方式的光电话发展滞止不前。
光通信真正的发展是近40年来的市，激光器和光纤的诞生起主导作用。1960年，激光器发明，激光器产生的强相干光提供可靠光源，其具有普通无线电波一样特性，可以调制携带信息。那时还是依赖大气传输，但是由于大气干扰因素和衰减很严重，实际上传输距离很有限，寻找一种像微波通信的电缆传输十分必要。
1965年，出现报导有关金属空心管内一系列透镜构成的光波导，有效避免大气传输缺点，这种方案最终没有能够实际应用，因为它的结构过于复杂，需要极高精度。与此同时光导纤维正在研究中。1951年，医疗玻璃纤维问世，但是损耗达到1000dB/km，不能进行光通信传输。
1966年，英籍华裔博士高锟在PIEE 杂志上发表了对光通信发展具有里程碑性质意义的论文---《用于光频的光纤表面波导》，该论文从理论上分析证明了光纤通信的可实现性，对光纤在传输过程里损耗的原由进行深层次的探索，提出了除去玻璃种杂质的新思路，并且设计了阶跃光纤（波导节），通过他提出的思路，可以将光纤衰减系数降到20dB/km以内。
这远远低于医疗玻璃纤维的损耗。之后的发展证实了高锟文章的指导意义，这篇论文在对光通信发展中具有历史里程碑意义，高锟本人也誉为“光纤通信之父”
在这种预想的鼓舞之下，美国的Corning玻璃公司在1970年用MCVD（化学相沉积法）制造出了新光纤，这根光纤成为世界上第一根具有超低耗特性的光纤，这种光纤长度仅仅几米，但损耗达到20dB/km，遗憾的是几个小时就损坏了，但是它的发明为光纤通信的发展铺平了道路，它证明了超低耗光纤在但是的技术水平下是可以实现的，极大增强了人们的信心，光纤通信开始爆发性竞相发展，找到了理想传输媒体，是光通信研究的实质性重大突破。
1970年以来，世界发达国家对光纤通信十分重视，对其投入大量的物力和人力，也正因如此，光纤通信技术迎来了高速发展的春天，其发展的进度远远超过人们的预期，光纤通信技术逐渐走入世界各个角落。
之后，新技术的不断被应用，工艺水平也在不断被发展，光纤损耗顺势不断降低，1979年单模光纤损耗已经可以降减至0.2dB/km（1550nm波长），而石英光纤极限是0.1dB/km。至此之后，光纤通信得到飞速发展，揭开了通信容量以惊人速度增长的序幕。
人们在对光纤损耗问题上的探索成果显著，对光源问题的探究脚步也未曾停滞。上世纪60年代初，激光二极管LD（GaAs）问世，它的特点在于体积很小、同时还具有非常快的速度，在加入铝以后波长可以从870nm减小到850nm，而且可以满足在常温下工作的要求。考虑到价格的昂贵，LED随后出现，虽然速率没有LD高，但是具有一定性价比。科学家们对光源的研发对光通信的发展起到了至关重要的作用，如今光源的高速稳定离不开他们所做的贡献。
随后，有关光接收的设计也在不断出现，APD和PIN的问世，实现高效率高速率的光电转换。1973年，S.D.Personnick提出PCM数字光接收机的想法，解决了光接收机的设计问题，数字接收机能达到极高的灵敏度，如接受2.5GB/s信号可以达到-30dBm，这样从损耗角度上考虑，传输距离可以达到100公里以上。
随着光纤制造技术和各种元器件的发明，还有集成电路微处理机技术的跟进，光纤通信从实验室开始走向生活。1974年左右，不同国家都在进行光纤通信传输实验；1976年，各种光纤通信系统问世，其实用性也越来越强；在1980年，美国亚特兰大出现了45Mb/s的FT3实现商用，中继长达10km，这个系统真正地第一次把光纤带进人们的生活中。随后，光纤通信高速发展。历经短短几十年，光纤从低水平，低速度，短距离的通信方式渐渐发展成高速稳定可靠的通信选择，至今为止，我们已经可以享受高达40Gb/s的高速率通信的服务，光纤通信极大地改善丰富了我们的信息时代的生活。
1.3 光纤通信优点
光纤通信在现代通讯领域中的扛鼎地位早已经有口皆碑，相比其他的通信方式，在很多方面具有无比的优势。
1.具有极大的通信容量。
传统的明线、微波、同轴电缆的容量比较低，光纤可以比他们高出千百倍，同时传输千亿个话路，理论上看，只需要一根头发丝一样粗细的光纤就可以实现。实际中一根光纤同时传输24万个话路已经有成功的试验。而每根光缆可以包含多大数百根光纤，这样通信量已经十分惊人了，再运用波分复用技术，通信量就更大了。
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