高速数据光纤通信论文

摘要：5G试点工作进展顺利，预计2020年正式商用，峰值速率将达到每秒10Gb，针对5G新技术，数据传输技术已成为制约系统方案实现的关键因素，提出的高速数据传输技术，采用高性能FPGA、高位宽、高采样率的AD和DA，进行相关接口优化，验证了5Gbps光纤数据传输，为后续5G通信提供很好的参考测试、验证。今天小编为大家精心挑选了关于《高速数据光纤通信论文(精选3篇)》相关资料，欢迎阅读！

高速数据光纤通信论文 篇1：

光纤通信网络在高速数据采集系统中的应用

摘 要：随着科技水平的进步，特别是信息化技术的发展，网络通信技术得到了长足的发展。光纤通信技术是信息化技术中重要的一种，也是本世纪最为重要的战略性产业。光纤通信，就是指以光纤为传输介质，以光波为载波，将光信息传输至相应数据处理端。通过将多路采集的方式与光纤通信网路相结合，高速数据采集系统的数据采集能力会取得大幅度的提高，本文主要针对光纤通信网络，对其在高速数据采集系统系统中的应用进行了分析和探讨。

关键词：光纤通信网络；高速数据采集系统；采集方式

现代科学技术的迅猛发展带来了各种材料技术快速地更新换代，第一代光纤产品之后，第二、三、四、五代光纤产品也相继问世。实验证明，光波复用能够有效提高数据采集及其传输的速率，并且，当将光波进行放大的时候能够有效增长传输距离。在实际的测量工作中，只有在被测信号的范围一致时，并且保证检测设备能和高速数据采集的要求相符合，此时才能够进行数据的采集，采集时，通常需要设备能够多路采集和多路传输，并且所有采集部分彼此独立，互不影响。

一、光纤通信网络简介

在高速数据采集系统中，光纤通信网络与高速数据采集模块共同完成高速数据的采集与传输工作，数据采集模块用来采集高速数据，光纤通信网络则主要负责将所采集的数据信息及时的传输到上位机中。采样多路通信信号时，所采用的采集模块都有8组通道，并且所有的通道都能够进行32位数据的模数转换以及采集，并且速度很快。当进行高速数据的采集和传输时，一般数据总量大，所以传输时需要有较大的总线传输容量，除此之外，还应该保证外界的噪音不会对该采集传输系统造成影响。在高速数据采集系统中，通过对光纤通信网络的应用，不仅可满足高速数据采集时高宽带的需求，而且能够将其与光纤信号不会被外界噪声干扰的特点想结合，最终顺利完成对数据的采集和传输。

在高速数据采集系统中应用光纤通信具有很大的优势。首先，光波传输时，其信道容量很大，频率较高；再者，因为光纤不会受到电磁波等外界条件的干扰，所以其具有良好的保密性；此外，信号在光纤中进行传输时不易衰减，所以在进行中继距离较长的信息传输时，利用光纤当作媒介是一个很好的选择；光纤材料的来源丰富且价格低廉，光纤的使用能够节省很多的有色金属，而且相对于其他材料，光纤的重量轻、直径小，具有很好的可塑性。现代通信网络在随着科技的发展与社会的进步正在不断的建设、扩张和提速，随着这些建設工作的进行，对光纤材料的需求也在不断增长。

二、光纤通信网络在高速数据采集系统中的应用

1、高速采集模块

高速数据采集系统的运行原理为：利用传感器，先将模拟信号中携带的物理信息电压量化，然后再进行模数转换，用数字电压量代替传感器得到的模拟电压量，之后对进行数据的采集、存储、传输和处理工作，该系统由复杂可编程逻辑器件（CPLD）和AVR单片机共同作用完成数据采集，并且将所采集到的模拟信号进行模数转换之后，在FIFO（先进先出的存贮缓冲区）中缓存结果，之后再在Flash陈列中进行转存。整个系统的工作中，FIFO不止对数据进行了缓存，而且还使得数模转换器对相关数据进行转换时的匹配问题得以解决。

2、控制程序设计

在高速数据采集系统中，选用了两条通道编程实现了采集功能。当控制信号属于低电平时，则开始进行数据采集，通过8路数据通道采集到的数据，之后进行存储，EOC电平逐渐降低。在数据的采集过程中，所有的通道采取的工作原理都是一样的，并且所采集到的数据都会被存入到存储区。在此基础上，将相关程序注入到CPLD器件中，对电路进行系统性调试，同时对8通道的数据进行转换及控制。利用电光调制将数字信号转换成光信号，在光纤通信网络中实施加载，之后将所采集到中的数据通过光纤通信网络传输到高速数据主控制系统中。

3、外接存储器设计

通过光的形式将光纤通信网络与模块进行对接之后，光纤通信网路的数据处理能力比现场可编程门阵列（FPGA）要高，为了对信号能够实现准确、实时的传输，在系统设计时，存储体的外接设置是非常必要的。如今在市场上，有很多种类的多累存储器，主要包括DDRSDRAM，SDRAM，VCM，DRDRAM等几大类，其中DDRSDRAM拥有双倍的速率结构，在所有的时钟周期内，都会进行数据的读写操作，这使得其对高速数据的进行读取的能力大大增加，除此之外，在进行数据的读写操作时，DDRSDRAM对时钟的判断必须特别精准，这是由于控制命令和数据以及地址所被寄存的时钟跳沿是不同的。

4、系统测试

该系统是基于光纤通信网络的高速数据采集系统，当对该系统进行性能测试时，要对已知信号进行采集和存储，之后将已知信号进行对比，然后完成测试。系统接收光信号之后，应该实施光电减速与转换处理，对数据及始终的接受由系统中的FPGA来完成，完成相应处理之后，将数据转入外部存储器中缓存起来。当外部数据存储器存满之后，可以暂停数据的采集，之后按照一定的顺序，对外部数据存储器中的数据进行重新的读取操作，然后将其在计算机系统中送入千兆以太网接口实施统计，之后进行对比分析。则根据实验结果能够得到数据帧同步码，在这些同步码后有若干个0，并且所有的净荷均为常数。而且，根据本次实验结果可以发现，虽然存在着少量的误码现象，但是发送特定数据和接受到的数据基本上是相同的，所以在试验时，为了保证系统的高效性，应该对其误码率进行测试。

结束语：

本文所设计的系统是一种基于光纤通信网络的高速数据采集系统，在此系统中，通过多路通道对数据进行采集，并且将其与光纤通信网络相结合，利用光纤通信的特点，大大提高该系统的数据采集能力。与此同时，对高速路通道在试验中对数据的采集结果进行了分析，根据结果显示，该高速数据采集系统不仅可以有效完成多通道高速数据的采集工作，而且通过光纤通信网络，还可以将采集到的数据传输到系统上位机，参与上位机对系统的采集与传输。

参考文献

[1] 江楠，周鹏. 光纤通信网络在高速数据采集系统中的应用[J]. 电子科技，2015（02）.

[2] 郑达. 关于光纤通信网络的高速数据采集系统运用研究[J]. 电子制作，2014（08）.

[3] 陈阳. 基于DSP的数据采集系统设计[D].武汉理工大学，2006（05）.

[4] 张伯超. 基于光纤通信网络高速数据采集系统的设计[J]. 科技创新导报，2013（04）.

作者：梁爽

高速数据光纤通信论文 篇2：

5G通信信号处理系统的设计与实现

摘要：5G试点工作进展顺利，预计2020年正式商用，峰值速率将达到每秒10 Gb，针对5G新技术，数据传输技术已成为制约系统方案实现的关键因素，提出的高速数据传输技术，采用高性能FPGA、高位宽、高采样率的AD和DA，进行相关接口优化，验证了5Gbps光纤数据传输，为后续5G通信提供很好的参考测试、验证。

关键词：5G；高速数据传输；光纤传输

0 引言

移动通信网络技术经过多年爆发式增长，经历了2G、3G和4G，每一代都有一个十年的发展周期[1]。工信部表示2017年5G技术研发进入第二阶段，目前已经在3.4-3.6 GHz频段开展5G系统技术研发试验。相关的5G通信测试仪器仪表必须拥有很高的传输能力和计算能力来处理数据传输。

与传统移动通信技术不同的是，5G的天线增强、波束成型和3D-MIMO等技术带来更大的困难是设备体积越来越小、集成度越来越高。仪器仪表产业链如何加大技术创新应对这些新的挑战，是5G商用进展的关键。测试仪器仪表硬件性能指标，成为制约其信息处理能力的关键因素，随着元器件性能的不断提升，对于仪器仪表也带来了质的飞跃，所以性能指标的高低决定了仪器仪表的核心处理能力[2-5]，本文采用高性能FPGA、高采样率的AD和DA，进行了相关接口优化，验证了5 Gbps光纤数据传输。

1 5G通信高速数据传输系统

1.1 高速数据传输系统硬件构成

数据传输系统受制于其硬件处理能力[6-9]，5G通信高速数据传输系统硬件平台主要由独立本振模块、高性能AD/DA模塊、高性能FPGA+DSP+CPU模块等组成。图1为5G通信高速数据传输系统系统框图，设计采用模块化设计方法，在统一硬件与软件平台上实现和满足不同的测试，单机能支持目前5G通信测试，也可以向下兼容多种通信制式测试，研究具有稳定性高、一致性好、可扩展性强等特点的高速数据传输系统。

该系统的难点在于：

1）在大带宽情况下如何保证信号的频率响应、群时延特性和带外抑制设计指标；

2）将中频信号无差别的解调为IQ数据流精确的设计实现；

3） 5G通信的带宽要求更高的中频以及采样速率，如何保证在高速采样下的指标和可靠性将是设计的又一挑战。

FPGA外围电路接口如图2所示，加载模块、DDR、电源、时钟模块、光纤模块等，时钟模块由AD9516提供，为了保持信号时钟与本地时钟一致。FPGA用的是Xilinx公司的XC7VX690T，该芯片GTH最高支持13.1 Gb/s，满足GPRI接口中的9.830 G、6.144G、3.072 G等速率要求。

1.2 独立本振设计

本振设计最主要、最困难的是宽带高性能第一本振设计，整机的相噪指标主要取决于第一本振。一般认为，只要在变频时不恶化接收到的通信信号矢量解调指标，就能满足测试需求，通常只需要第一本振的相噪优于-90 dBc/Hz@10 kHz，而对于本系统，因为需要分析多通道信号赋形增益和天线矢量图，所以对相位和时延有严格要求，同时，5G通信有新标准、新技术方案，对射频通路的信号质量也提出了高相噪要求，所以用于变频的第一本振信号的相噪就需要很高的相噪指标，才能不带来额外的测试误差和不确定性，所以本系统要求-133 dBc/Hz@10 kHz的超高相噪指标。

本模块设计主要难点是高指标的射频模块设计和微波滤波器设计，射频模块的频率范围在400 MHz～6GHz内变化，兼容目前5G测试频段，本设计兼容其他通信制式，为了不影响OFDMA/SC-FDMA信号的质量及IEEE 802.11 a/b/g/n/ac测试的要求，射频信号带宽将大于160 MHz，带内平坦度小0.5 dB。高速传输系统收发处理模块如图3所示。

2 高速数据传输的实现

2.1 高速数据接收通道没计

高速数据接收通道的主要功能是将频率范围在400MHz～6 GHz的射频信号下变频到适合的固定中频频率上，以供宽带中频处理模块和信号分析模块处理。其具体方案如图4所示。射频信号输入首先前置低噪声放大器，提升小信号接收灵敏度，然后经过一个程控步进衰减器，该衰减器主要功能是可根据信号电平调节衰减量，确保满足后端电路处理要求。其后，信号经过一个低通滤波器，滤除测量频率范围以外的干扰信号，以免引起假响应。滤波后的信号进入第一混频器，这里采用了高中频的上变频方案，可有效解决镜像、泄漏等问题，混频后产生第一中频。相应的第一本振需要提供宽带高本振信号，该本振信号经过锁相环与10 MHz频率参考鉴相完成锁定。混频后的信号经过一个带通滤波器，滤除混频器产生的其他杂散信号，同时考虑到需要处理的带宽大于160 MHz，其1 dB带宽设定为320MHz。经过带通滤波器后的信号进入第二混频器，与固定本振频率信号混频，将第一中频信号下变频到第二中频低中频频率上，经过相关的滤波处理后，再经过一系列杂散抑制、幅度补偿和湍口匹配后，输送给信号分析模块。

射频信号输入首先前置低噪声放大器，提升小信号接收灵敏度，然后经过一个程控步进衰减器，该衰减器主要功能是可根据信号电平调节衰减量，确保满足后端电路处理要求。其后，信号经过一个低通滤波器，滤除测量频率范围以外的干扰信号，以免引起假响应。滤波后的信号进入第一混频器，这里采用了高中频的上变频方案，可有效解决镜像、泄漏等问题，混频后产生第一中频。相应的第一本振需要提供宽带高本振信号，该本振信号经过锁相环与10 MHz频率参考鉴相完成锁定。混频后的信号经过一个带通滤波器，滤除混频器产生的其他杂散信号，同时考虑到需要处理的带宽大于160 MHz，其1dB带宽设定为320 MHz，经过带通滤波器后的信号进入第二混频器，与固定本振频率信号混频，将第一中频信号下变频到第二中频低中频频率上，经过相关的滤波处理后，再经过一系列杂散抑制、幅度补偿和端口匹配后，输送给信号分析模块。

2.2 高速数据发射通道设计

高速数据发射通道的主要功能是由基带发生器模块为当前要实现的调制类型提供相应格式的基带信号，然后送给RF源的调制电路，产生载波400 MHz-6 GHz的OFDMA数字调制信号。

LTE-Advanced下行链路采用OFDM多址方式实现。OFDM技术以子载波为单位进行频率资源的分配，R12版本中载波聚合技术，可以通过聚合多个20 MHz的单元载波实现高达100 MHz的系统带宽。

本文通过MAC汇聚来实现最多载波数目的聚合功能，具体实现方式是在高速FPGA处理单元中采用优化的DDC/DUC算法，将各载波的频谱搬移到合适的位置，然后再进行后续的处理，如图5所示。

射频合成器模块产生400 MHz～6 GHz的载波信号，然后同相功分成多路，保证MIM0 8×4信号同相处理，后送给lQ调制器的LO端口。同时中频基带模块的输出信号送给调制器的基带信号输入端口；调制器输出RF端口为400 MHz～6 GHz的下行调制信号，该信号再通过多波段射频滤波器组和数字稳幅电路，最终传送至天线。因此，宽带IQ调制器实现400 MHz～6 GHz信号调制，功率范围-140～15 dBm的射频调制信号输出。

3 DDR3接口优化

大容量的DDR3对于高速数据处理来说，必不可少，为了更好的便于FPGA与DDR3之间数据传输，对于它们之间的接口进行了相关优化，其接口示意图如图6所示。

4 相关实验结果

5G通信高速数据传输测试模块基带收发1 x协议模式与4x协议模式接口时序图如图7、图8所示。

5 结论

本文实现了5G通信高速数据传输，通过SRlOlx和SR104x接口时序数据结果，得知，采用高性能FPGA、高位宽、高采样率的AD和DA，实现高速数据传输是可行的，特别对于目前5G通信，为后续5G通信提供很好的参考测试、验证。

参考文献：

[1]余莉，张治中，程方，等第五代移动通信网络体系架构及其关键技术[J]重庆邮电大学学报（自然科学版）.2004.04：427-433

[2]唐礼红.5 Gbps高速串行接口电路的研究与设计[D]国防科学技术大学，2009

[3]陈陪陪.高速PLL的研究与设计[D]电子科技大学，2016

[4]姜漫10Gpbs/40Gpbs光纤通信技术研究与系统实现[D]中国科学院大学，2012

[5]任柯.高速光纤数据传输线关键技术研究[D]电子科技大学，2012

[6]史霏霏.应用于光纤通信的高速接口的建模与研究[D]电子科技大学，2014

[7]莫建强.高速数字电路中的信号完整性分析[J]电子测试，2011，09：（09）5-9

[8]王巍.基于FPGA的高速串行數据传输的设计与实现[D]天津工业大学，2016

[9]李正军，周志权，赵占锋基于FPGA的高速数据传输系统设计与实现[J]计算机测量与控制2016.26（9）：188-194

作者：田元锁 张黎明

高速数据光纤通信论文 篇3：

中压宽带载波技术在用电信息采集系统中的应用

（1.国网鄂州供电公司客户服务中心 436000 2.北京中宸泓昌科技有限公司 100000）

摘 要：当前电力集抄系统中，低压集中器与抄控中心主站进行通信主要通过GPRS或光纤进行通信，由于这些通信方案需要大量的资金和设备投入，且在一些城区地下室及边远山区GPRS通信质量较差或未架设光纤，抄表系统不能进行覆盖，主站端将无法抄读回数据，严重影响采集成功率指标。针对以上弊端，结合中压配电网的特点，本文提出一种以配电网自身作为高速数据传输介质的宽带载波通信技术。该技术将利用中压配电网进行配电网数据传输，利用该技术无需对通信线路进行投资或对电网进行改造，只要在中压电网的节点处安装中压宽带通信设备，即可低成本地实现低压侧集中器与主站的安全、可靠的通信。

关键词：中压电网、GPRS/光纤通信、宽带载波技术

1 引言

目前全面建设以中、高压电网为用电信息采集系统传输骨架、各级电网协调发展为基础、的坚强智能电网，以全面提高电网的资源优化配置能力和电力系统的运行效率，保障电力通信的安全、优质、可靠。其中电力抄表系统是智能电网的一个重要组成部分。智能配电网将具有更高的供电可靠性，更高的电网运行效率和资产利用效率，支持分布式電源接入和电动汽车等新的用电方式，实现与用户互动并实现更高的能源使用效率。

电力抄表系统作为智能电网的一个重要组成部分，它是一种集微电子技术、电力载波通讯技术和计算机网络管理技术于一体的低压用电管理自动化系统。电力抄表系统主要包括上层的抄控中心、中间层的数据集中器和下层的用户电表采集终端。上层主要分布在整个配电网的中压和高压配电网区域，且集中器与上层抄控中心的通信方案主要采用GPRS、光纤等。采用GPRS通信方案需要向通信商缴纳租金，长期使用成本较高，且在信道繁忙或通信质量不好的情况下，通信可靠性和实时性将不能得到保证。采用光纤通信方案，光纤铺设和后期运营维护需要大量的人力和资金的投入。因此，急需设计一种低成本、安装方便且安全、可靠的采集通信方案。中压载波通信利用10KV中压配电线作为传输信道的一种通信方式，可实现低压侧集中器与抄控中心的安全、可靠的通信，无需线路投资，同时设备简单施工简便且易于维护。考虑中压配电网的特点，本文提出一种以配电网自身为高速数据传输介质的中压宽带载波通信技术，该技术无需对通信线路进行投资或对电网进行改造，只要在中压电网的节点处安装中压宽带通信设备，即可低成本地实现低压侧集中器与抄控中心的安全、可靠的通信。

2 用电信息采集系统

如图1所示，用电信息采集系统主要由上层抄表管理单元（由抄表管理软件和抄表管理计算机组成）、中间层数据采集器和下层用户终端构成（用户电表和电表采集终端组成）。

系统以集中器为中心，上行通过公用电话网、无线GSM/GPRS或光纤等通道与抄表管理单元通讯，下行通过电力载波、微功率无线或者RS485总线等通信方式与载波电表或电表载波采集终端通讯。

上层抄表管理单元位于用户指定的收费中心内，由抄表管理计算机和系统软件部分组成，是抄表管理人员与本系统直接交流的部分。負责将数据集中器传输上来的用户电量信息汇总、整理后加以处理，提供给收费系统、用电管理系统使用，能自动计算电费，生成报表等。

集中器位于380V配电变压器附近，是整个系统的中间层。向上通过公用电话线、GSM/GPRS、光纤、红外手持抄表器（PDA）等通信手段与抄表管理单元通讯，将从载波电表采集得来的电量数据按照约定的规则传输到抄表管理单元，同时接收抄表管理单元的指令，自动完成抄录电表数据和控制用户供电分合的工作；向下通过电力线载波、微功率无线、RS485总线等通信手段与载波电表通讯，完成定时抄录采集终端/载波电表采集到的用户电量数据，并根据设置，自动将某一时刻的数据另外保存，作为向用户收费的依据；用户终端位于系统的底层，由用户电表或电表采集终端构成，直接采集用户电量数据，并传输给数据集中器。

目前这种用电信息采集系统，中间层与上层的通信方式主要采用电话线、GSM/GPRS、光纤等，采用有线的通信方式虽然能够保证通信的可靠性和实时性，但是需要铺设线缆，需要大量的人力和资金的投入以及后续的维护。采用无线的通信方式虽然实施方便，但是在一些城区地配电室及边远山区无信号覆盖或通信质量较差的区域或时间段，通信的可靠性和实时性将不能得到保证，严重影响采集成功率指标及抄表费控。

图2为配电站至用户的整个配电网的结构示意图。配电站通过10Kv的中压配电网络将电能输送至各台区变压器，各台区变压器然后通过380v/220v的低压配电网络接入至各用户。有图可知台区变压器与配电中心通过10kv的配电网连接，因此，如果能将10kv的配电网作为通信媒介，实现台区变压器端的数据集中器与配电中心的上层抄表管理系统通信，将能提供一种低成本、高可靠的通信手段，替代目前电力抄表系统的上层与中间层所采用的通信方案。从而，使电力抄表系统由控制中心至用户的通信链路更加顺畅、稳健和可靠。

3 中压宽带载波通信技术方案

中压电力线宽带载波通信利用10 kV配电网作为信号的传输载体，将BPLC的宽带信号耦合在中压电力线上传输，从而将中压配电网转换为一个高带宽的通信网络。由于该技术在物理层是利用电力线作为传输介质，而在MAC层和网络层都遵循标准的以太网协议，因此可以与光纤、无线等宽带以太网无缝连接。相对于宽带通信技术和其他通信技术，宽带载波通信是最适合在中压配电网络中使用的通信方式。

目前国内中低压宽带载波的应用主要在10 kV电力线作为配电网自动化的数据传输通道和在380/220 V用户电网作为集中远方自动抄表系统的传输通道，还有正在开发并取得阶段性成果的电力线上网高速Modem等。国外中压配电线载波技术始于20世纪80年代，10多年来发展迅速，在日本和美国主要用于负荷控制、用户集中抄表、无功补偿控制，故障指示远传和配电网中开闭器控制等。美国ABB公司生产的EMETCON负荷管理及配电自动化系统，在美国使用较为广泛，主要用于负荷控制。

中压电力线宽带载波通信技术则是利用了覆盖范围广泛的中压配电网作为高速数据传输介质，将中压电网转变为一个高性能的数据传输网络。该技术无需对通信线路进行投资或对电网进行改造，只要在中压电网的节点处（一般在开闭所、环网柜、配电室等处）安装载波通信设备，即可低成本地实现配变用电需求侧各类信息与控制系统的远程通信。

中压电力线宽带载波通信技术的成功实施可改变10 kV变电站以下数据通信的现状，建立起从供电公司局端直达低压用户端的端到端的完善的远程宽带通信网络，一举解决供电部门与远程带宽传送瓶颈问题，为现在和未来的各种电网管理新应用提供统一的通信平台。

4 结论

基于中压配电网的宽带电力载波通信应用于用电信息采集系统，可解决在远程电力抄表系统中供电站与用户端稳定、高效、快速的数据传输。能够简单、迅速、有效解决偏远山区GPRS无信号、信号不稳定，台区附近强电磁干扰，省际交汇界面GPRS信号串扰等10kV配电变压器台区通信问题。

作者简介：

夏红攀（19801002）男，汉，湖北鄂州，本科，高级工程师，研究方向：用电信息采集。

作者：夏红攀 韩娜 张鹏