強(qiáng)電磁干擾下光纖網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)

摘 要： 在電磁干擾較強(qiáng)的環(huán)境下，光纖網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸可靠性降低，當(dāng)前傳輸系統(tǒng)忽略了強(qiáng)電磁干擾的影響，在此設(shè)計(jì)了一種強(qiáng)電磁干擾下光纖網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。在硬件板卡上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)硬件部分，主要包括光纖收發(fā)器、光纖通信時(shí)鐘、FC ENDEC控制器、濾波電路，通過(guò)系統(tǒng)軟件程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能，對(duì)來(lái)源于光纖網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和處理，保存得到的結(jié)果和原始數(shù)據(jù)。給出光纖網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸部分代碼。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不管是在傳輸數(shù)據(jù)量不同、傳輸距離相同還是在傳輸距離不同、傳輸數(shù)據(jù)量相同的情況下，所提系統(tǒng)均能保持很高的傳輸速率，而且誤比特率較低，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性。

關(guān)鍵詞： 強(qiáng)電磁干擾； 光纖網(wǎng)絡(luò)； 數(shù)據(jù)傳輸； 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN926?34； TP336 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）20?0053?04

Abstract： The current systems′ reliability of optical fiber network data transmission is low in the environment of strong electromagnetic interference， because the effect of strong electromagnetic interference is ignored. Therefore， a kind of optical fiber network data transmission system working in strong electromagnetic interference is designed. In this paper， the overall structure of the system is given. The hardware part was designed and realized on the hardware interface card. The hardware part is mainly composed of optical transceiver， optical fiber communication clock， FC ENDEC controller， filtering circuit. The data receiving， data preprocessing， data storage and other functions are realized by means of system software program. The data coming from optical fiber network is received and processed， and the received results and original data is restored. The data transmission code of the fiber network is given. The experimental results show that the system can keep its high transmission rate and low bit error rate in the situation that no matter the transmission distance is the same while the transmitted data size is different， or the transmission distance is different while the transmitted data size is same.

Keywords： strong electromagnetic interference； optical fiber network； data transmission； system design

0 引 言

近年來(lái)，隨著通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)據(jù)傳輸也越來(lái)越關(guān)鍵[1?2]。然而在條件較差的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，電磁干擾較強(qiáng)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)木群涂煽砍潭仁艿胶艽蟮挠绊慬3?4]。光纖網(wǎng)絡(luò)無(wú)電流通過(guò)，且?guī)捪鄬?duì)較寬，抗干擾性能強(qiáng)，強(qiáng)電磁干擾下也可保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅?。因此，光纖網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)其研究具有重要意義[5?6]。

目前，有關(guān)光纖網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)难芯坑泻芏啵墨I(xiàn)[7]介紹了光纖通信的理論基礎(chǔ)，在光纖通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和分布式數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出一種基于交換技術(shù)的光纖網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，系統(tǒng)選用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)、通信網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控管理中心構(gòu)成，分析了系統(tǒng)中光纖、光電轉(zhuǎn)化模塊和第三層交換機(jī)的硬件選型，但該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程復(fù)雜，不適用于實(shí)際應(yīng)用。文獻(xiàn)[8]介紹了FC?AE幀的基本原理和運(yùn)行過(guò)程，為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論支持，對(duì)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析，依據(jù) FPGA 開(kāi)發(fā)過(guò)程對(duì)各模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試和仿真，結(jié)果表明該系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸效率高，但準(zhǔn)確率較低，結(jié)果不可靠。文獻(xiàn)[9]提出一種基于LabVIEW的光纖網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，系統(tǒng)將分布式拉曼系統(tǒng)和光纖法珀（F?P）傳感系統(tǒng)作為實(shí)例進(jìn)行遠(yuǎn)程光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸。通過(guò)C/S 模式實(shí)現(xiàn)一對(duì)多網(wǎng)絡(luò)傳輸，將光纖網(wǎng)絡(luò)模塊MC509和服務(wù)器結(jié)合在一起，共同構(gòu)建TCP/IP 連接，通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信和數(shù)據(jù)傳輸，但系統(tǒng)的誤碼率較高，數(shù)據(jù)傳輸結(jié)果不佳。文獻(xiàn)[10]采用速率模擬的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)多種復(fù)用技術(shù)對(duì)各種信號(hào)進(jìn)行處理，復(fù)用至單根光纖上進(jìn)行傳輸，將QuartusⅡ 4.0作為編譯環(huán)境，用VHDL語(yǔ)言完成CMI和HDB3編譯碼，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，但該系統(tǒng)所需時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，浪費(fèi)資源較多。針對(duì)上述系統(tǒng)的弊端，設(shè)計(jì)了一種強(qiáng)電磁干擾下光纖網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，在硬件板卡上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)硬件部分，通過(guò)系統(tǒng)軟件程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能，給出光纖網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸部分代碼。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提系統(tǒng)具有很高的傳輸速率，而且誤比特率較低，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性。

1 強(qiáng)電磁干擾下光纖網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)改進(jìn)

設(shè)計(jì)

1.1 傳輸系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

因?yàn)楣饫w網(wǎng)絡(luò)相較于通信網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)傳輸方面具有高帶寬、獨(dú)享總線帶寬的優(yōu)勢(shì)，所以對(duì)光纖網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，為了避免強(qiáng)電磁干擾，引入過(guò)濾電路對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，所設(shè)計(jì)的強(qiáng)電磁干擾下光纖網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1可知，整個(gè)系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分構(gòu)成，其中系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，硬件是在一個(gè)硬件板卡上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的，也就是高速光纖網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)傳輸卡。該傳輸卡主要包括光纖收發(fā)器、光纖通信時(shí)鐘、FC ENDEC控制器、濾波電路。

1.2 信號(hào)光纖收發(fā)器的設(shè)計(jì)

光纖收發(fā)器是整個(gè)光纖網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和外部設(shè)備相連的物理接口。在光纖通信協(xié)議的基礎(chǔ)上，可提供達(dá)4.25 Gb/s的數(shù)據(jù)帶寬。在光纖網(wǎng)絡(luò)中，將由安捷倫公司提供的HFYR?14XX系列作為光纖收發(fā)器，其電路如圖2所示。

圖2中，通過(guò)電容C1和電容C2減少電源的紋波，利用NPN型開(kāi)關(guān)管2N3901使通信達(dá)到1 Mb/s的速率需求。若光纖中存在光則是顯性，若不存在光則是隱形，在TX發(fā)出的信號(hào)電平是“0”的情況下，三極管Q1停止運(yùn)行，發(fā)光二極管存在電流，光纖中存在光傳輸，這時(shí)接收三極管呈工作狀態(tài)，接收端獲取的信號(hào)電平是“0”。類(lèi)似的，在TX發(fā)出的信號(hào)電平為“1”的情況下，接收端得到的信號(hào)電平為“1”，從而實(shí)現(xiàn)光纖收發(fā)。

1.3 光纖通信時(shí)鐘的設(shè)計(jì)

光纖通信時(shí)鐘是高速光纖網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)傳輸卡一個(gè)不可缺少的關(guān)鍵部分，因?yàn)閿?shù)據(jù)的傳輸一定會(huì)伴隨著時(shí)鐘頻率。這里選擇ntegrated Circuit Systems 公司的數(shù)字頻率控制芯片ICS843001?21形成光纖網(wǎng)絡(luò)所需的時(shí)鐘。ICS843001內(nèi)部電路圖如圖3所示。

圖3中，芯片ICS843001的分頻倍頻由管腳M2，M0，N2，N0調(diào)控，通過(guò)FPGA可直接對(duì)上述管腳電平的高低進(jìn)行調(diào)控，以獲取所需的分頻倍頻系數(shù)，詳細(xì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：首先從計(jì)算機(jī)主板上直接取時(shí)鐘，其頻率是100 MHz，可直接傳輸至控制器，或利用時(shí)鐘頻率合成器形成250 MHz 的時(shí)鐘傳輸至控制器，再將25 MHz 高精度晶體看作是頻率合成器的基準(zhǔn)時(shí)鐘，利用頻率合成器得到光纖網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸所需的不同時(shí)鐘頻率。

1.4 FC ENDEC可編程控制器設(shè)計(jì)

FC ENDEC控制器是系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)光纖網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵的編解碼功能，采用QuickLogi公司提供的QL80FC光纖通道可編程邏輯芯片，其電路圖如4所示。

圖4中，時(shí)鐘信號(hào)將接收到的20位并行數(shù)據(jù)保存在輸入寄存器中，產(chǎn)生40位編碼字單元，再發(fā)送至解碼單元，經(jīng)解碼處理后獲取4個(gè)8位字節(jié)構(gòu)成的光纖通道字單元，上述32位字單元經(jīng)數(shù)據(jù)接口傳輸至用戶(hù)編程邏輯區(qū)。自行運(yùn)算接收幀的CRC值，同時(shí)依據(jù)ANSI光纖通道標(biāo)準(zhǔn)的CRC多項(xiàng)式對(duì)下一字單元進(jìn)行劃分。在用戶(hù)可編程邏輯區(qū)對(duì)時(shí)序進(jìn)行匹配，將接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)內(nèi)部接收實(shí)現(xiàn)最后的輸出功能。

1.5 引入濾波電路的系統(tǒng)設(shè)計(jì)改進(jìn)

在強(qiáng)電磁干擾下，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，需進(jìn)行濾波處理，因此，引入濾波電路對(duì)硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)。由于電磁干擾大部分為頻率較高的信號(hào)，所以濾波多為低通濾波。除此之外，電路中很多高次諧波是多余的，必須將其刪除，從而避免對(duì)其他電路產(chǎn)生影響。濾波電路如圖5所示。

因?yàn)楦咚俟饫w網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)傳輸卡中各器件的電源精度要求非常高，所以將5 V電源外接的100 μF或10 μF電容用于強(qiáng)電磁干擾下的電源濾波，使光纖網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸更加穩(wěn)定。其中電容值相對(duì)較大的電容主要負(fù)責(zé)濾除低頻干擾；電容值相對(duì)較小的無(wú)極性電容主要負(fù)責(zé)濾除高頻干擾。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)軟件程序流程圖

系統(tǒng)軟件程序主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。該程序一直對(duì)來(lái)源于光纖網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和處理，保存得到的結(jié)果和原始數(shù)據(jù)。軟件流程圖如圖6所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性，需要進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)分析。實(shí)驗(yàn)將嵌入式系統(tǒng)作為對(duì)比進(jìn)行分析，光纖網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)連接圖如圖7所示。

本文主要針對(duì)下述兩種情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證本文系統(tǒng)的有效性。

3.1 傳輸數(shù)據(jù)量不同，傳輸距離相同

本文將傳輸速率作為指標(biāo)，衡量系統(tǒng)的有效性。本文系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)在上述情況下的傳輸速率比較結(jié)果如表1所示。

分析表1可以看出，在傳輸距離相同的情況下，隨著傳輸數(shù)據(jù)量的逐漸增加，本文系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的傳輸速率均在一定程度上有所下降，但本文系統(tǒng)的衰減速度較嵌入式系統(tǒng)明顯減緩，傳輸速率更加穩(wěn)定。

3.2 傳輸距離不同，數(shù)據(jù)量相同

在該情況下，傳輸速率會(huì)因傳輸距離的不同而有所差異，實(shí)驗(yàn)針對(duì)數(shù)據(jù)量為200 MB而傳輸距離逐漸增加的情況對(duì)兩種系統(tǒng)的傳輸速率進(jìn)行比較，得到的結(jié)果如表2所示。

分析表2可以看出，在傳輸數(shù)據(jù)量不變的情況下，隨著傳輸距離的逐漸增加，采用本文系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的傳輸速率均逐漸減少，但本文系統(tǒng)的傳輸速率一直高于嵌入式系統(tǒng)，驗(yàn)證了本文系統(tǒng)的有效性。

光纖網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的可靠性可用誤比特率進(jìn)行衡量，也就是傳輸過(guò)程中錯(cuò)誤判決的概率，本文系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的誤比特率比較結(jié)果如圖8所示。

分析圖8可以看出，與嵌入式系統(tǒng)相比，采用本文系統(tǒng)對(duì)光纖網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸?shù)恼`比特率明顯降低，這是因?yàn)楸疚南到y(tǒng)采用濾波電路將強(qiáng)電磁干擾濾除，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種強(qiáng)電磁干擾下光纖網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。在硬件板卡上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)硬件部分，主要包括光纖收發(fā)器、光纖通信時(shí)鐘、FC ENDEC控制器、濾波電路，通過(guò)系統(tǒng)軟件程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能，對(duì)來(lái)源于光纖網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和處理，保存得到的結(jié)果和原始數(shù)據(jù)。給出光纖網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸部分代碼。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不管是在傳輸數(shù)據(jù)量不同、傳輸距離相同還是在傳輸距離不同、傳輸數(shù)據(jù)量相同的情況下，所提系統(tǒng)均能保持很高的傳輸速率，而且誤比特率較低，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性。

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