多进多出光纤切换系统设计开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1论文选题的目的及意义

随着全球向信息化的工作方式和生活方式的转变，社会对信息需求产生爆炸性增长。由于电的交换瓶颈，科学家提出以光为载体的信号传输方式-光交换。光纤通信由于其容量大、损耗低、抗电磁干扰，保密性好等特点，并且随着光纤放大器（edfa）技术的出现和成熟，波分复用（wdm）技术逐渐从实验室走向商用化，光纤通信已经成为现代通信网络的基础平台。

目前，互联网和多媒体应用正在越来越多地依赖光纤通信网络，网络的业务量正在以指数级的速度迅速膨胀。光纤网络中的信息交换变得越来越频繁，为了克服光纤网络中无法实现光纤自动全交换的瓶颈，方便各光纤之间建立新的光交换链路或者改变已有光交换链路，设计一无阻塞多进多出光纤切换系统，实现多输入多输出光纤链路的智能化交换显得十分必要。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本目标与内容

（1）查阅关于光纤切换系统和光开关的文献资料，了解光纤矩阵切换的核心技术与关键部分，了解光开关的多种实现方式和优缺点。

（2）设计多选一光纤交换单元，并利用该单元并行实现多输入对多输出。

（3）设计光路切换机构，查阅光路耦合相关资料，选择合适的光学器件方便光路耦合，减少光信号传播损耗。

（4）设计步进电机控制电路实现光路精确切换。

（5）支持不少于8路输入光纤，8路输出光纤。

（6）缩减切换时间，切换时间不大于1秒。

2.2 拟采用的技术方案及措施

本次设计采用多播光开关模式，利用M个1×N光分路器对输入光进行分路，再利用N个M×1光开关进行光路切换实现多路输入光纤对接多路输出光纤。

（1）多选一光纤交换单元采用微机械电子方式。设计原理类似于吕耀安的方法，旋转选择器为步进电机，利用电机带动微镜旋转来实现对不同方向光信号的选择与切换。微镜选择为斜面反射三棱镜，多跟输入光纤（水平面）呈环绕式分布在电机周围，三棱镜置于电机带动的旋转平台上，电机在接收到指定切换指令后带动三棱镜转到指定光纤位置实现光信号切换至输出光纤。此示意图中输出光纤在竖直面，也可在上方再固定一个棱镜再次反射将输出光纤位置调整至与输入平面平行的上平面。

（a） （b）

图2.1 光纤环绕分布示意: （a）光路切换示意图; （b）输入光纤分布图.

（2）电机旋转模块上拟采用步进电机驱动。能够实现定位的有舵机、步进电机、伺服电机等。舵机操控方便但是定位精度不够，目前机器人上常用的MG995等舵机还是存在3°左右的偏差，在光路切换时存在较大的轴向便宜，轴向倾角等，误差会比较大。伺服电机由于存在内部编码器，旋转精度很高，但我们要求切换单元尽量做小，伺服电机体积较大，不适合。步进电机可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位。同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。针对设计中切换时间小于1S要求，可以在保证步进电机运动平稳的前提下，减小脉冲间隔时间以降低切换时间。因此，驱动原件选用步进电机更加适合。考虑到尺寸，目前可选择的有8mm,15mm步进电机。由于微型电机步距角一般为18°，此角度较大，拟引入步进电机驱动器对步距角进行细分控制。目前搜索了几款步进驱动，如下表所示

表2.1 几款步进驱动IC对比

综合考虑，此次设计拟采用A4988作为步进电机驱动模块，通过单片机控制脉冲数及方向。A4988淘宝价目前看到最低有2.18元。A4988有4、8、16细分模式，拟采用16细分模式，将微型电机步距角降至1.125°。

（3）为了减少光路传输损耗，应尽量减小光束的散布和光纤的机械不对准，可以利用光纤准直器先对输入光纤内的光纤进行准直汇聚，使其平行射出至三棱镜反射。考虑到成品准直器的成本较高，拟采用球透镜、G-lens、G-lens等自聚焦透镜作为准直器进行光束汇聚。示意图如下所示：

图2.2 G-lens透镜光束汇聚

（4）多选多实现方式为将多选一模块并联，为多播光交换模式。多选多模块在此基础上可任意扩展，如果将多选一模块做的足够精细，体积足够小，整个交换系统可扩展的十分庞大。多进多出光纤切换系统整体分选模式如下图所示：

图2.3 M×N光切换系统

整个系统由M个分路器和N个M选一模块组成，无阻塞且扩展性较强。

（5）控制部分采用51单片机进行对电机的控制，步进电机通过驱动芯片连接到单片机上。由上位机发送指令信号，此处拟采用串口方式，单片机接收后分解指令信号分配到每个步进电机从而控制某个步进电机的运动。控制网络如下图所示：

图2.4 控制网络

3. 研究计划与安排

第1-4周：查阅相关文献资料，明确研究内容。对系统要求进行分析，确定方案，完成开题报告和外文文献翻译。

第5-6周：深入了解光纤矩阵切换系统的基本原理。设计多选一模块。

第7-8周：学习使用基本工具（编程语言、开发环境、相关库等）完成多进多出光纤切换系统原理设计。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]茅昕. 用低串扰光交换矩阵实现自动光链路交换[d]. 华中科技大学,2006.

[2]张泰. 多播光交换网络核心节点结构研究[d]. 电子科技大学,2008.

[3]刘兰. 试论光通信网络中的光开关技术[j].中国新通信,2017,19(08):21.