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光通信实验指导书
目录
第一章实验系统概述2
1.1概述2
1.2电路组成概述5
第二章数字传输系统实验8
实验一信号复接(E1传输系统)实验8
实验二信号解复接(E1的同步与解复接)实验14
实验三码流加扰解扰实验18
实验四PCM编译码与双音多频检测实验53
第一章实验系统概述
1.1概述
ZS-9005光纤通信实验系统是为《光纤通信系统》课程的实验教学而设计。
实验内容涵盖光纤通信的主要知识点,可进行光器件性能测试、光收发端机的性能测试,数字、模拟系统实验;配合ZS-9006光纤无源器件实验系统可进行光路设计和测试。
图1.1和图1.2分别为ZS-9005光纤通信实验系统和ZS-9006光纤无源器件实验系统实物照片。
图1.1ZS-9005光纤通信实验系统
图1.2ZS-9006光纤无源器件实验系统
ZS-9005光纤通信实验系统具有如下特色:
1、国内首家将SOPC技术用于实验系统的设计,保证了系统的先进性,提高了系统的稳定性,大大增强了系统的可扩展性。
系统性价比极高。
2、实验项目多,涉及到光纤通信的方方面面。
系统集成了1310/1550波长和850波长的光收发模块,包括单模和多模的光纤传输,可进行数字语音传输、计算机数据传输及模拟话音、模拟图像的传输实验。
3、系统完整性:
实验箱有较强的系统性,各实验模块除可单独开设实验进行测量外,同时每个实验模块都可以串入系统中进行测试,让学生了解该模块在系统中的发挥的作用、所处的地位,以及性能变化对系统性能带来的影响。
提高学生动手能力和综合知识运用的能力。
4、先进性:
近十几年来通信技术发生了巨大变化,特别是波分复用技术的发展。
系统很好地将近年来技术的发展容纳到实验中来。
5、完整的E1传输系统:
在实验系统中实现了标准的一次群传输功能;
6、每台系统都配有下载线,可进行在线二次开发(国内独有);系统用芯片容量极大,片上资源丰富,除可满足课程设计和毕业设计的二次开发要求,还能满足科研开发的要求。
7、配有扩展模块接口,根据教学需要,教师可自行设计电路,连接到系统;同时,厂家也可根据学校的教学要求,定制功能模块,使系统做到无限可扩展。
1.2电路组成概述
ZS-9005光纤通信实验系统的功能模块及其布局如图1.3所示。
ZS-9005光纤通信实验系统包括两个独立的数字光纤通信系统,分别由一块Cyclone
二代Sopc芯片(EP2C5Q208)实现系统控制和信号处理,系统间由单模光纤采用波分复用技术实现数字语音双工通信。
每个数字传输系统包括的功能模块和实现的通信功能为:
1、用户电话接口模块
2、双音多频(DTMF)检测模块
3、PCM语音编译码器模块
4、帧传输复接模块(E1成形模块)
5、帧传输解复接模块(E1解复接模块)
6、CMI编码模块
7、CMI译码模块
8、5B6B编码模块
9、5B6B译码模块
10、加扰码模块
11、解扰码模块
12、光纤收发模块(单模)
ZS-9005光纤通信实验系统还包括一个模拟图像/语音的传输系统,采用直接调制技术实现视频图像的传输,由模拟光纤发送模块和模拟光纤接收模块组成。
ZS-9005光纤通信实验系统包括两个扩展模块,通过标准接口与主芯片连接,用户可根据自身的教学需求定制实验系统,该扩展模块的标准配置为两个RS422接口,用于光系统误码特性的测试。
图1.3ZS-9005光纤通信实验系统的功能模块及其布局
ZS-9005光纤通信实验系统电源插座与电源开关在机箱的后面,电源模块在该实验平台电路板的下面,它主要完成交流220V到+5V、+12V、-12V、-48V的直流变换,给整个硬件平台供电。
ZS-9005光纤通信实验系统通过下面几个端口与外部通信终端或测量设备进行连接:
1.两个电话接口连接自动电话机,实现数字语音双工通信。
2.同步数据接口(在实验箱上端的扩展模块内):
同步数据接口方式。
该接口电平特性为RS422,通过该端口接收外部来的发送数据,并送入光终端机中;同时将光终端机接收的数据通过该端口送往外部设备。
3.两个尾纤FC连接端口UK02/ULK02:
用单模光纤通过该端口实现两个光纤模块单纤双向光纤通信;或为光无源器件实验提供测量光源。
4.两个尾纤ST连接端口U303/U401:
用多模光纤实现模拟图像的传输。
5.视频图像(语音)接口:
J001为视频图像(语音)输入接口、J002为视频图像(语音)输出接口。
6.面板上的测试钩为接地点,用于示波器接地。
ZS-9005光纤通信实验系统各项实验内容是以模块进行划分,每个测试模块可以单独开设实验。
各模块之间的系统连接见图1.4所示。
数字传输系统一到二的信号流程为:
用户电话接口一→话音编码→E1复接→数据扰码→线路编码(5B6B编码)→电光转换→波分复用→光纤→波分复用→光电转换→线路译码(5B6B译码)→数据解扰→E1解复接→PCM译码→用户电话接口二。
数字传输系统二到一的信号流程为:
用户电话接口二→话音编码→E1复接→数据扰码→线路编码(CMI编码)→电光转换→波分复用→光纤→波分复用→光电转换→线路译码(CMI译码)→数据解扰→E1解复接→PCM译码→用户电话接口一。
为便于学习和实验,请掌握和理解各标记的含义:
定义各跳线开关,跳线器插入为“1”,未插入跳线器为“0”;Dt/m为各模块发送数据选择,选择跳线如插入Dt端,发送数据来自前面的系统模块,选择跳线如插入m端,发送数据为本模块的测试序列,并通过m_Sel0/m_Sel1的不同组合选择4种m序列;E_sel0/E_sel1为误码选择标记,通过跳线E_sel0/E_sel1的不同组合给本模块数据加不同的误码,以测试在不同的误码情况下,模块的性能,其中E_sel0/E_sel1=“00”,误码为0;Mode0/Mode1为5B6B编译码模块的模式选择开关,Mode0/Mode1的不同组合可选者4种编码模式。
时隙1/时隙2/时隙3/时隙4为电话时隙选择开关,4个开关的不同组合可将数字电话信号插入到一次群(E1)信号的16个时隙中去。
准备工作。
在做实验前,特别是数字传输系统实验时,请做以下准备工作:
(1)接通电源,给系统加点,绿色指示灯DC01和DC02亮,表示系统芯片UC01和UC03工作正常。
(2)用单模光纤连接收发一体模块中的激光收发模块UK02和ULK02,并将跳线KK02和KL02插入“系统入”,将跳线KK01和KL01插入“系统出”。
(3)将各功能模块中的数据选择开关插入Dt,并将5B6B编码模块中Mode0/Mode1与5B6B译码模块中Mode0/Mode1相对应,这时数字传输系统一中复接模块的开关数据选择开关K302与数字传输系统二中解复接模块的指示灯DG01~DG08应有对应关系,改变K302的跳线插入状态,即改变开关数据,指示灯DG01~DG08应作对应的变化;同样数字传输系统二中复接模块的开关数据选择开关KD02与数字传输系统一中解复接模块的指示灯D601~D608应有对应关系。
(4)将电话机插入电话插座,分别摘机,如号码显示数码管最左边显示号码“2”表示系统摘挂机正常;拨号码“811”,数码管有拨号显示,同时对方话机振铃,摘机通话,表示数字传输系统正常工作。
图1.4ZS-9005光纤通信实验系统各模块之间的系统连接
第二章数字传输系统实验
实验一信号复接(E1传输系统)实验
一、实验仪器
1、ZS-9005光纤通信实验系统一台
2、20MHz双踪示波器一台
二、实验目的
1、了解帧的概念和基本特性
2、了解帧的结构、帧组成过程
3、熟悉帧信号的观测方法
三、实验原理和电路说明
TDM制的数字通信系统,在国际上已逐步建立起标准并广泛使用。
TDM的主要特点是在同一个信道上利用不同的时隙来传递各路(语音、数据或图象)不同信号。
各路信号之间的传输是相互独立的,互不干扰。
32路TDM(一次群)系统帧组成结构示意见图2.1.1。
在一个帧中共划分为32段时隙(T0~T31),其中30个时隙用于30路话音业务。
T0为帧定位时隙(亦称报头),用于接收设备做帧同步用。
在帧信号码流中除有帧定位信号外,随机变化的数字码流中也将会以一定概率出现与帧定位码型一致的假定位信号,它将影响接收端帧定位的捕捉过程。
在搜索帧定位码时是连续的对接收码流搜索,因此帧定位码要具有良好的自相关特性。
时隙T1~T15用于话音业务,分别对应第1路到第15路话音PCM码字。
时隙T16用于信令信号传输,完成信令的接续。
时隙T17~T31用于话音业务,分别对应第16路到第30路话音PCM码字。
在“ZS-9005光纤通信实验系统”中,E1复接信号传输上采用了标准的TDM传输格式。
一帧共有32个时间间隔,按8个bit一组分成了一个一个的固定时隙,各时隙分别记为T0、T1……和T31。
T0时隙为帧定位码,帧定位的码型和码长选择直接影响接收端帧定位搜索和漏同步性能,Barker码具有良好的自相关特性。
本同步系统中帧定位码选用7位Barker码(1110010),使接收端具有良好的相位分辨能力;T1时隙为开关信号,8位跳线开关数据全可变,便于学生对信号传输的观测;T17时隙为特殊码序列,共4种码型可选;“ZS-9005型光纤通信实验系统”硬件平台仅提供一套电话接口和PCM编译码器模块,通过K301上的跳线开关时隙1/时隙2/时隙3/时隙4的不同组合,可将话音业务PCM编码数据信号的时隙位置随意控制插入在T2、T3、……T9或T18、T19、……T26任一位置。
T0~T31复合成一个2.048Mbps的标准数据流在同一信道上传输。
TDM传输功能由E1复接模块工作原理框图见图2.1.2。
该电路模块的工作过程描述如下:
通过跳线开关K301上的m_Sel0/m_Sel1可以选择4种m序列码型,当m_Sel0/m_Sel1=“00”和“10”,m序列码型为全“0”码;当m_Sel0/m_Sel1=“01”发“01”码;当m_Sel0/m_Sel1=“11”时,发152-1位长的m序列。
为让学生了解帧传输解复接器在误码环境下接收端帧同步的过程和抗误码性能,系统可加误码。
错码产生器可以通过跳线开关K301上的E_Sel0/E_Sel1设置4种不同信道误码率,E_Sel0/E_Sel1=“00”,无误码;E_Sel0/E_Sel1=“10”,误码率为10-3;E_Sel0/E_Sel1=“01”,误码率为10-2;E_Sel0/E_Sel1=“11”,误码率为10-1。
通过测量可知道:
在小误码时能锁定;误码加大,无法同步时,可看到帧同步电路在扫描。
Vcc
失步指示
帧传输E1解复接模块(亦称分接器)是由同步、定时、分接和恢复单元组成.其工作帧传输E1解复接模块(亦称分接器)是由同步、定时、分接和恢复单元组成.其工作原理框图见图2.1.3。
分接器的定时来自接收定时模块从接收信号中恢复的同步时钟,在同步单元的控制下,使分接器的基准时间与复接器的基准时间信号保持正确的相位关系,即保持同步。
当未同步时,将给出失步告警指示(红灯亮)。
分接单元的作用是把合路的数字信号实施分离形成同步的支路数字信号,然后再经过恢复单元恢复出原来支路的数字信号。
四、实验内容
准备工作:
首先按本实验指导书的1.2节的要求,将数字传输系统一和数字传输系统二连成互通状态;将数字传输系统一复接模块内K301中的m序列选择跳线开关m_Sel0、m_Sel1拔下,使m序列发生器产生全0码,将加错码选择跳线开关E_Sel0、E_Sel1拔下,不在传输帧中插入误码。
1、发送传输帧结构观察
用示波器同时观测帧复接模块帧同步指示测试点TP303与复接数据TP301的波形,观测时用TP303同步。
掌握帧结构的观测方法,注意分析E1帧结构的时序关系,画下E1复接帧信号的一个周期基本格式,并标注出帧同步码、开关状态、PCM编码、M序列、信令指示等信号所在E1复接帧中的位置。
2、帧内话音数据观察
仔细调整示波器同步,找出帧内话音数据。
调整话音发送时隙选择开关的设置,观察话音数据所在时隙位置是否调整,重新寻找调整后的话音PCM编码数据所在时隙位置。
3、帧内开关信号观测
仔细调整示波器同步,找到并读出帧内开关信号码格式。
调整跳线开关K302上短路器,改变开关信号格式,观测帧内开关信号码格式是否随之完全一致变化,记录测试结果。
4、帧内m序列数据观测
仔细调整示波器同步,调整复接模块内的m序列选择跳线开关m_SEL0、m_SEL1状态,产生4种不同序列输出,观测帧内m序列数据是否随之变化,记录测试结果。
五、实验报告
1、分析帧的组成过程。
2、根据测试结果,画出帧结构波形。
实验二信号解复接(E1的同步与解复接)实验
一、实验仪器
1、ZS-9005型光纤通信实验系统一台
2、20MHz双踪示波器一台
二、实验目的
1、了解帧同步的机理
2、熟悉帧同步的性能
3、熟悉帧失步对数据业务的影响
三、实验原理和电路说明
在TDM复接系统中,要保证接收端分路系统和发送端一致,必须要有一个同步系统,以实现发送端和接收端同步。
帧定位同步系统是复接/解复接设备中最重要的部分。
在帧定位系统中要解决的设计问题有:
1)同步搜索方法;2)帧定位码型设计;3)帧长度的确定;4)帧定位码的码长选择;5)帧定位保护方法;6)帧定位保护参数的选择;等等。
这些设计完成后就确定了复接系统的下列技术性能:
1)平均同步搜捕时间;2)平均发现帧时间;3)平均确认同步时间;4)平均发生失帧的时间间隔;5)平均同步持续时间;6)失帧引入的平均误码率,等等。
通常帧定位同步方法有两种:
逐码移位同步搜索法和置位同步搜索法。
“ZS-9005型光纤通信实验系统”中的解复接同步搜索方法采用逐码移位同步法。
逐码移位同步搜索法的基本工作原理是调整收端本地帧定位码的相位,使之与收到的总码流中的帧定位码对准。
同步后用收端各分路定时脉冲就可以对接收到的码流进行正确的分路。
如果本地帧同步码的相位没有对准码流接收信号码流的帧定位码位,则检测电路将输出一个一定宽度的扣脉冲,将接收时钟扣除一个,这等效将数据码流前移一位码元时间,使帧定位检测电路检测下一位信码。
如果下一位检测结果仍不一致,则再扣除一位时钟,这过程称“同步搜索”。
搜索直至检测到帧定位码为止。
因接收码流除有帧定位码型外,随机的数字码流也可能存在与帧定位码完全相同的码型。
因此,只有在同一位置,多次连续出现帧定位码型,方可算达到并进入同步。
这一部分功能由帧定位检测电路内的校核电路完成。
无论多么可靠的同步电路,由于各种因素(例如强干扰、短促线路故障等),总会破坏同步工作状态,使帧失步。
从帧失步到重新获得同步的这段时间(亦称同步时间)将使通信中断。
误码也将会造成帧失步。
因此,从同步到下一次失步的时间因尽量长一些,否则将不断的中断通信。
这一时间的长短表示TDM同步系统的抗干扰能力。
抗误码造成的帧失步主要由帧定位检测电路内的保护记数电路完成,只有当在一定的时间内在帧定位码位置多次检测不到帧定位码,才可判定为帧失步,需重新进入同步搜索状态。
逐码移位同步搜索法系统组成框图见图2.2.1所示。
语音信号的中断时间短于100ms,将不易被人耳分辨出来。
但对某些数据终端传输却是不允许的。
为能让学生能深入了解在有误码的环境下帧失步、同步和抗误码性能,在复接模块内专门设计了一个错码产生器(3种类型误码),通过设置工作状态选择跳线开关K301中的错码选择开关(E_Sel0,E_Sel1),可以在E1帧传输信道中插入不同数量级分布的错码(信道误码率分别约为2×10—3、1.6×10—2和1.3×10—1)。
使学生非常方便地观测到E1复接/解复接抗误码性能:
在误码率较低时,接收端帧同步电路能正常锁定同步;逐步增加插入错码数量,使传输信道误码率增大,接收端帧同步电路将失步(帧失步),进入帧同步搜索(扫描)状态;另可测试不同误码和帧失步对话音业务的影响和观测对数据业务的影响。
四、实验内容
准备工作:
首先按本实验指导书的1.2节的要求,将数字传输系统一和数字传输系统二连成互通状态;将数字传输系统一复接模块内K301中的m序列选择跳线开关m_Sel0、m_Sel1拔下,使m序列发生器产生全0码,将加错码选择跳线开关E_Sel0、E_Sel1拔下,不在传输帧中插入误码。
1、帧同步过程观察
(1)用示波器同时观测数字传输系统一的复接模块帧同步指示测试点TP303与数字传输系统二解复接模块帧同步指示测试点TPG03波形。
观测时用TP303同步,调整示波器使观测信号同步。
(2)切断系统通路,即将收发一体模块中KL01和KL02的跳线拔掉,使传输信道中断,观测解复接模块帧同步失步情况。
反复插入KL01和KL02的跳线,观测同步和失步状态,记录测试结果。
2、误码环境下的帧同步性能测试
(1)将复接模块内的选择跳线开关K301中的错码选择开关E_Sel0、E_Sel1插入,使传输信道中加入错码,此时信道误码率Pe≈10—1。
观测接收帧同步信号是否与发端同步,记录测试结果。
(2)将复接模块内的选择跳线开关K301中的错码选择开关E_Sel0拔除、E_Sel1插入,减小传输信道中误码率(Pe≈10—2)。
观测接收帧同步信号是否与发端同步,记录测试结果。
(3)将复接模块内的选择跳线开关K301中的错码选择开关E_Sel0插入、E_Sel1拔除,进一步减小传输信道中误码率(Pe≈10—3)。
观测接收帧同步信号是否与发端同步,记录测试结果。
3、帧失步下对接收帧内数据信号传输的定性观测
(1)将复接模块内的选择跳线开关K301中的错码选择开关E_Sel0、E_Sel1拔下(传输信道误码率Pe为零),此时E1复接/解复接系统处于正常通信状态,解复接模块内的开关信号指示发光二极管指示灯(DG01~DG08)与发端复接模块内跳线开关K302的状态位置一致。
随意改变K302的状态位置,收端发光二极管指示灯(DG01~DG08)将随之变化。
(2)设置复接模块内的选择跳线开关K301中的错码选择开关(E_Sel0,E_Sel1),在E1帧传输信道中插入不同数量级分布的错码(信道误码率分别约为10—3、10—2和10—1),改变传输信道误码率,定性观测解复接模块内的开关信号指示发光二极管指示灯(DG01~DG08)的变化态,记录测试结果。
注意观测失步指示灯DG09的亮度的变化。
五、实验报告
1、分析总结实验测试结果;
2、分析:
将复接模块内开关信号跳线开关K302中状态位置设置为11100100码型,使其与帧定位信号一致,对解复接模块可能会造成什么影响?
实验三码流加扰解扰实验
一、实验仪器
1、ZS-9005光纤通信实验系统一台
2、20MHz双踪示波器一台
二、实验目的
1、扰码的基本原理;
2、扰码0状态的消除;
三、实验原理和电路说明
在数字通信中,如果数据信息连“0”码或连“1”码过长将会影响接收端位定时恢复质量,造成抽样判决时刻发生变化,对系统误码率的产生影响,因此常使用扰码器将数据源变换成近似于白噪声的数据序列(增加定时的同步信息),消除信息模式对系统误码的影响。
常用扰码器的实现可采用m序列进行。
扰码器是在发端使用移位寄存器产生m序列,然后将信息序列与m序列作模二加,其输出即为加扰的随机序列。
一般扰码器的结构图2.3.1所示:
解扰器(也称去扰器)是在接收机端使用相同的扰码序列与收到的被扰信息模二加,将原信息得到恢。
其结构如图2.3.2所示:
ZS-9005光纤通信实验系统的m序列本征多项式G(x)=x7+x4+1。
在实际光纤通信设备中,为避免m序列发生器处于“闭锁”状态,即当输入序列为全“0”码时,移位寄存器各级的起始状态也恰好是“0”,使输出序列也变成全“0”,或当输入序列为全“1”码时,移位寄存器各级的起始状态也恰好是“1”,使输出序列也变成全“1”。
因此,在扰码器中加入有各级移位寄存器状态监视电路。
当发生特殊状态时,能自动补入一个“1”或一个“0”码,改变这种状态。
当然,在解扰码器电路中也应通过电路扣除这个补入码。
扰码技术会带来误码扩散。
即在信道传输中出现一个误码时,在还原后的序列中会出现多个误码,使信道误码率增加。
在误码率不高时,误码扩散数近似扰码器所对应的模二加算式的项数。
因此,为减少误码扩散,应尽量减少m序列产生器的反馈抽头数。
在数字传输系统一的“加扰模块”中,输入数据选择跳线开关K401用于选择需扰码的输入信号:
当K401设置在Dt位置时,输入信号来自复接模块的输出数据(2.048Mbps);当K401设置在m位置时,输入信号来自本地的特殊测试码序列。
该测试码序列用于对加扰器的性能测量,其测试码序列格式受m序列选择跳线开关m_Sel0、m_Sel1控制,当m_Sel0/m_Sel1=“00”时,发全“1”码;当m_Sel0/m_Sel1=“10”时,发全“0/1”码;当m_Sel0/m_Sel1=“01”时,发全“00/11”码;当m_Sel0/m_Sel1=“11”时,发全“1110010”码;
在数字传输系统二的“解扰模块”中,输入信号来自“5B6B译码模块”输出的发送数据(2.048Mbps);解扰时钟为恢复出的时钟信号。
四、实验内容
准备工作:
首先按本实验指导书的1.2节的要求,将数字传输系统一和数字传输系统二连成互通状态;
1、扰码序列测试
1)首先将数字传输系统一“加扰模块”中输入数据选择跳线开关K401设置在m位置,使输入信号来自本地的特殊测试码序列;将m序列选择跳线开关K401的m_Sel0、m_Sel1拔掉,产生全“1”码数据输出
2)用示波器同时测量输入数据和加扰数据测试点TP401、TP403的波形,测量时TP403点信号做示波器同步触发信号。
调整合适的示波器时基(10μS/DIV)和触发电平,使在示波器上观测到稳定的周期波形。
用时基乘10倍(或乘5)扩展挡展开波形,读取并画下测量波形。
3)将m_Sel0、m_Sel1设置在不同状态,观测并分析测试结果是否满足扰码关系。
2、0状态现象观测
1)输入数据选择跳线开关K401的m_Sel0、m_Sel1拔掉,使输入数据为“1”。
关机后再开机,观测TP403点信号的变化。
2)自行设计一个消除“0”状态的电路。
3.解扰数据测试
1)数字传输系统一发送的数据应在数字传输系统二恢复;用示波器同时测量数字传输系统二“加扰模块”输入数据和“解扰模块”解扰输出数据测试点TPH01、TPH03的波形,测量时TPH01点信号做示波器同步触发信号。
2)将数字传输系统一加扰模块的m_Sel0、m_Sel1设置在不同状态,观测加扰和解扰电路是否正常工作。
五、实验报告
1、根据实验结果,画出主要测量点波形;
2、根据测量结果分析扰码器在全“1”码输入时的均衡特性(平衡性)和游程特性;
3、设计一个消除“0”状态的电路;
4、分析、总结扰码器的作用及特性。
实验四PCM编译码与双音多频检测实验
一、实验仪器
1、ZS-9005光纤通信实验系统一台
2、20MHz双踪示波器一台
3、数字存贮示波器一台
4、电话机二部
二、实验目的
1、熟悉单片PCM编译码集成电路TP3067的使用方法
2、掌握双音多
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