光通信实验讲义.docx
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光通信实验讲义
光纤实验系统组成介绍
RZ8644型光纤实验系统是为了配合《光纤通信系统》的理论教学而设计的实验系统。
它一方面结合了当今光纤通信原理课程的教学与改革,另一方面结合了当今光纤通信发展方向和工程实际应用状况。
这套系统采用功能模块化设计,各模块对外开放。
除了配合完成理论教学外,还可以训练增强学生的实际应用能力,完成模块的二次性开发。
一、结构简介
本实验系统可分为电端机模块、光通信模块、管理控制模块、电源供给模块等四大功能模块,每个功能模块又是由许多子模块组成:
(一)电端机模块
1.电话用户接口模块
此模块为电话输入、输出接口,由电话专用接口芯片PBL38710实现。
它包含向用户话机恒流馈电、向被叫用户话机馈送铃流、用户摘机后自行截除铃流,摘挂机的检测及音频或脉冲信号的识别,用户线是否有话机的识别,语音信号的2/4线混合转换,外接振铃继电器驱动输出等功能。
其各项性能指标符合邮电部制定的有关标准。
本模块分为用户A,B两个模块,默认号码为48、49。
。
2.PCM编译码模块
此模块采用专用芯片TP3057来实现PCM编译码功能,可完成用户A、B两路话音信号的编译码功能。
3.DTMF双音多频检测模块
此模块由专用芯片MT8870来完成DTMF分组滤波和DTMF译码功能,输出相应16种DTMF频率组合的4位并行二进制码。
实际应用中,一片MT8870可以最多接入检测16路用户电路的DTMF信号。
4.记发器模块
此模块主要完成局内、局间电话用户拨叫号码的识别、交换控制功能。
5.计算机通信接口模块
此模块由USB和RS232串口两通信接口组成,完成计算机与本实验系统的数据交换传输功能。
也为学生开发上层通信软件提供了良好的硬件平台。
6.数据发送单元模块
此模块主要完成各种测试信号产生、各种线路编码、数据复接及一些辅助性功能。
产生的数字信号有:
各种频率的时钟、方波、M序列、矩形窄脉冲等、
线路编码功能有:
AMI码、HDB3码、CMI码、5B6B码、5B1P码、扰码等。
数据的复接:
多种类型数据进行时分复接输出。
7.数据接收单元模块
此模块主要完成接收数据的时钟提取再生、各种线路编码的译码、复用数据的分解及一些辅助性功能。
8.眼图观测模块
此模块主要完成调节接收电路均衡特性、接收数字序列的眼图观测等功能。
9.误码测试仪模块
此功能由多个模块组成,完成通信线路的误码测试功能,各测试参数可设。
10.模拟信号源模块
此模块产生输出频率、幅度可调的正弦波、三角波、方波信号。
(二)光通信模块
1.光信道一
一体化数字光端机,包括光发射端机和光接收端机。
半导体激光二极管LD、工作波长1550nm,频带为DC到5MHZ,方便配套低端测量仪器使用。
光端机的光输入、输出接口都由单模尾纤引出至固定于底板的法兰,方便连接其它光器件。
一般情况下,一体化数字光端机的输入电平调节电位器,都右旋到底。
2.光信道二及LD性能测试模块
由激光管、光探测器及外围电路构成的光发射端机和光接收端机,关键电气参数都可调节。
可传输模拟和数字信号,测试LD的P-I曲线,具有无光告警、自动功率控制APC等功能。
激光管工作波长为1310nm,频带为DC到3MHz。
激光管的输出和光探测器的输入连接至固定于底板上的法兰,方便连接其它光器件。
3.LED+多模光纤传输扩展模块
由发光二极管、光检测器及外围电路构成的光发射端机和光接收端机,关键电气参数都可调节。
可传输模拟和数字信号,测试LED的P-I曲线,具有视频图像传输等功能。
发光二极管发光波长为850nm,频带为DC到1GHZ。
本模块为选配。
(三)管理控制模块
1.中央处理器模块
此模块主要由单片机89C51/52编程实现。
完成整个实验系统的控制协调功能,如测量信号的输入、输出控制、功能选择、工作状态检测等。
2.液晶显示模块
此模块主要完成工作状态的显示,误码测试数据的显示等功能,属字符型液晶。
3.键盘模块
此模块主要配合液晶显示模块工作,通过上、下、确认等键选择相应的实验参数。
(四)电源供给模块
提供+12V、+5V、+3.3V、-5V、-12V、-24V-48V等直流电源。
二、配套仪器
最低配置仪器:
20M通用双踪示波器或虚拟仪器,单模尾纤
建议配置器件:
计算机;光功率计、多种接口标准的光跳线(法兰)、波分复用/解复用器一对、光可调衰减器、光固定衰减器、光分路器、光隔离器等,根据学校情况选配(会影响一些光器件的测试实验);
可选配仪器:
①外置误码测试仪
②光缆施工工具箱、光纤熔接机、稳定光源、光时域反射仪等。
三、系统结构框图
请见图1
电源
模块
图1系统结构示意图
四、系统特点
1.采用模块化设计信号接口开放。
各模块功能既可单独做实验又可组合完成系统实验。
2.自带数字信号源、模拟信号源,可外加信号,配有计算机串口、USB接口。
适应各种实验需求。
3.采用液晶键盘显示管理实验参数,取代原有的接插件,实验方便直观。
4.电端机部分功能强大,电话交换系统,多种线路编码,完善的数字时分复接系统,功能可定制升级。
5.电信号、光信号均由实验者连接。
光输入、输出接口设计朝外,方便连接其它光器件。
6.整板采用有机玻璃覆盖保护,便于实验室管理。
五、液晶显示菜单
本实验系统中,实验数据设置的菜单显示如下。
按“”、“”键即可选择不同的菜单;按“确认”键,即进入箭头指向的下一级菜单;按“返回”键,即返回上一级菜单,如此类推。
详细菜单显示如下:
“复位”键:
欢迎使用
光纤通信系统平台
解放军理工大学
南京润众科技公司
“开始”键:
1:
码型变换实验
2:
光纤传输实验
3:
光纤测量实验
4:
光纤系统实验
子菜单:
1:
码型变换实验
01CMI码PN(固定码型、速率的m序列,下同)
02CMI码设置(由SW101拨码器设置的8比特数据,下同)
035B1P码设置
045B6B码设置
05扰码PN
06扰码设置
07HDB3码PN
08HDB3码设置
09AMI码PN
0AAMI码设置
2:
光纤传输实验
01窄脉冲(频率256K,脉宽:
15ns)
02USB数据
03串口数据
04PCM数据(A/D转换)
05E1数据传输(标准的2.048MHZ数据)
3:
光纤测量实验
01平均发光功率
02接收灵敏度
正常/误码
03误码0/10000(误码测试)
收数据:
误码数:
04误码1/10000(误码测试)
收数据:
误码数:
4:
光纤系统实验(数字复接系统)
时隙1
时隙2
时隙3
时隙4
时隙5
时隙6
时隙7
时隙8
帧头
PCM1
PCM2
空
空
设置
信令
数据
六、使用注意点
1.进行铆孔连接时,务必注意铆孔标注的箭头方向:
指向铆孔,说明此铆孔为信号输入孔;背离铆孔,说明此铆孔为信号输出孔。
请勿将两输出铆孔短接。
2.进行铆孔连接时,连接线接头插入铆孔后,轻轻旋转一个小角度,接头将和铆孔锁死;拔出时,回转一个小角度即可轻松拔出,切勿使用莽力,以免插头针断在铆孔中。
使用方法可参考光盘中的影象片段。
3.光器件连接:
在摘掉光接口保护套前,请确保实验台板面清洁,注意收集好接口保护套;光接头连接时,请预先了解接头的结构,手持接头金属部分,按接口的轴线方向轻插轻拔,防止损坏纤芯;
4.使用光纤时,注意不要过度弯曲(直径不得小于4cm)、扭曲、挤压或拉扯光纤。
因为纤芯玻璃细纤维,非常的脆弱,使用时请务必注意。
纤芯断开或出现伤痕,光信号的功率将严重衰耗,出现断路或增加误码等情况。
5.数据发送单元的SW101红色拨码器,有8位独立的开关组合。
若不作特殊说明,白色开关往上,对应的输出序列为1;白色开关往下,对应的输出序列为0。
设置时需轻轻拨动。
6.若不作特殊说明,本实验平台输出的串行数字序列,低位在前,高位在后。
在示波器上观测到的波形即低位在窗口的左端,高位在窗口的右端。
实验1电光、光电转换传输实验
一、实验目的
1.了解本实验系统的基本组成结构;
2.初步了解完整光通信的基本组成结构;
3.掌握光通信的通信原理。
二、实验仪器
1.光纤通信实验箱
2.20M双踪示波器
3.FC-FC单模尾纤1根
4.信号连接线2根
三、基本原理
本实验系统主要由两大部分组成:
电端机部分、光信道部分。
电端机又分为电信号发射和电信号接收两子部分,光信道又可分为光发射端机、光纤、光接收端机三个子部分。
实验系统基本组成结构(光通信)如下图所示:
光纤
1550nmLD+单模
图1.1实验系统基本组成结构
在本实验系统中,电发射部分可以是M序列,可以是各种线路编码(CMI、5B6B、5B1P等),也可以是语音编码信号或者视频信号等,光信道可以是1550nmLD+单模光纤组成,可以是1310nm激光/探测器组成,也可以是850nmLED+多模光纤(选配)组成。
本实验系统中提供的1550nmLD光端机是一体化结构,光端机包括光发射端机TX(集成了调制电路、自动功率控制电路、激光管、自动温度控制等),光接收端机RX(集成了光检测器、放大器、均衡和再生电路)。
其数字电信号的输入输出口,都由铜铆孔开放出来,可自行连接。
一体化数字光端机的结构示意图如下:
光纤
图1.2一体化数字光端机结构示意图
四、实验步骤
1.关闭系统电源,将光跳线分别连接TX1550、RX1550两法兰接口(选择工作波长为1550nm的光信道),注意收集好器件的防尘帽。
2.打开系统电源,液晶菜单选择“码型变换实验—CMI码PN”。
确认,即在P101铆孔输出32KHZ的15位m序列。
3.示波器测试P101铆孔波形,确认有相应的波形输出。
4.用信号连接线连接P101、P203两铆孔,示波器A通道测试TX1550测试点,确认有相应的波形输出,调节W205即改变送入光发端机信号(TX1550)幅度,最大不超过5V。
即将m序列电信号送入1550nm光发端机,并转换成光信号从TX1550法兰接口输出。
5.示波器B通道测试光收端机输出电信号的P204试点,看是否有与TX1550测试点一样或类似的信号波形。
6.按“返回”键,选择“码型变换实验—CMI码设置”并确认。
改变SW101拨码器设置(往上为1,往下为0),以同样的方法测试,验证P204和TX1550测试点波形是否跟着变化。
7.轻轻拧下TX1550或RX1550法兰接口的光跳线,观测P204测试点的示波器B通道是否还有信号波形?
重新接好,此时是否出现信号波形。
8.以上实验都是在同一台实验箱上自环测试,如果要求两实验箱间进行双工通信,如何设计连接关系,设计出实验方案,并进行实验。
9.关闭系统电源,拆除各光器件并套好防尘帽。
注:
本实验也可选择工作波长为1310nm和扩展模块的光信道。
五、实验结果
1.画出实验过程中测试波形,标上必要的实验说明。
2.结合实验步骤,叙述光通信的信号变换、传输过程。
3.画出两实验箱间进行双工通信的连接示意图,标上必要的实验说明。
实验2CMI编译码原理及光传输实验
一、实验目的
1.掌握CMI编译码规则。
2.了解CMI编译码的性能。
3.了解光纤通信中CMI的选码原则。
二、实验仪器
1.光纤通信实验箱
2.20M双踪示波器
3.FC-FC单模光跳线
4.信号连接线2根
三、基本原理
本实验系统主要由两大部分组成:
电端机部分、光信道部分。
电端机又分为电信号发射和电信号接收两子部分,光信道又可分为光发射端机、光纤、光接收端机三个子部分。
在本实验中,涉及的电发射部分有两个功能模块:
8位的自编数据功能和CMI线路编码功能。
涉及的电接收部分就是时钟提取和再生功能、相应的CMI线路译码功能。
CMI码光纤通信基本组成结构如下图所示:
CMI
线路译码
判决
再生
图2.1CMI码光纤通信基本组成结构
下面对数字信号CMI码编码译码进行分析和讨论:
数字光纤通信传输信道中,对于低速率系统采用CMI(CodedMarkInversion)码,传号翻转码,即“1”码交替地用“00”和“11”表示,而“0”码则固定用“01”表示,因此在1个时钟周期内,CMI编码器输入1bit的时间内输出变为2bit。
CMI码属于二电平的不归零(NRZ)的1B2B码型,图6.1.2为CMI码变换规则示例,这种码的特点是:
(1)不出现连续4个以上的“0”码或“1”,易于定时提取。
(2)电路简单,易于实现。
(3)有一定的纠错能力。
当编码规则被破坏后,即意味着误码产生,便于中继监测。
(4)有恒定的直流分量,且低频分量小,频带较宽。
(5)传输速率为编码前的2倍,适用于低速率的光纤传输系统。
CMI译码的设计思路:
是采用串并变换电路把串行码变成并行码,即把CMI码的每一组00、11、或01码中的奇数码与偶数码分离开来,变成奇偶分列的、时序一致的码序列,再用判决电路逐一加以比较,判决输出传号还是空号,从而解出单极性信码。
0010111010
图2.2CMI码变换规则示例
CMI的连“0”连“1”为3,故这种线路码含有丰富的定时信息,便于定时提取。
这种码都容许进行不中断业务的误码检测。
CMI码在ITU-TG.703建议中被规定为139.264Mbit/s和155.520Mbit/s的物理/电气接口的码型。
因此有不少139.264Mbit/s和155.520Mbit/s数字光纤传输系统就用CMI作为光线路码型。
除了上述优点外,直接将四次群复用设备送来的CMI码直接调制到光器件上,接收端把还原的CMI码直接送给四次群解复用设备,这样做无需电接口和线路码型的变换/反变换,具有设备简单的优点。
四、实验步骤
1.关闭系统电源,按照图2.1将1550nm光发射端机的TX1550法兰接口、FC-FC单模尾纤、1550nm光接收端机的RX1550法兰接口连接好。
注意收集好器件的防尘帽。
2.打开系统电源,液晶菜单选择“码型变换实验--CMI码设置”确认,即在P101铆孔输出32KHZ的SW101拨码器设置的8比特周期性序列,如10001000。
P103为对应的CMI编码输出。
3.示波器测试P101、P103铆孔波形,确认有相应的波形输出。
4.用信号连接线连接P103、P203两铆孔,示波器A通道测试TX1550测试点,确认有相应的波形输出,调节W205使送入光发端机信号(TX1550)幅度最大,记录信号电平值。
连接P204、P111两铆孔,即将光电转换信号送入数据接收单元。
信号转换过程如图2.1。
5.注意观测P204测试点对接收的的数据是否与发端的TX1550测试点波形一样。
6.注意观测P115测试点为CMI译码输出波形是否与发端的P101波形一样。
7.SW101拨码器设置其它数字序列组合,对比P103编码输出波形,分析熟悉CMI编码规则。
8.按返回键,液晶菜单选择“码型变换实验—CMI码PN”确认,即在P101铆孔输出32KHZ的15位m序列。
9.对应P102码元同步时钟读出码序列,根据CMI编码规则,写出对应的编码序列。
10.观察P103输出编码波形,验证你的序列。
11.关闭系统电源,拆除各光器件并套好防尘帽。
注:
本实验也可选择工作波长为1310nm的LD光发射端机,也可选择扩展模块。
五、测量点说明
P101:
菜单设置的数字序列输出序列波形测试点。
P102:
P101对应的码元时钟测试点。
P103:
对应的CMI编码信号。
P111:
数据接收单元的电信号接收铆孔。
P115:
CMI译码输出。
P203:
光发射端机的外部电信号输入铆孔。
TX1550:
输入1550nm光发射端机的电信号。
P204:
1550nm光接收端机输出的电信号。
六、实验结果
1.记录实验中得到的数据和波形,标上必要的实验说明。
2.长连“0”、长连“1”的数字信号不利于接收端的位同步提取,CMI编码是怎样解决这个问题。
实验3模拟/数字电话光纤传输系统实验
一、实验目的
1.了解电话接口电路组成;
2.了解电话呼叫接续过程;
3.掌握电话呼叫时的各种可闻信号音的特征;
4.了解记发器的工作过程;
5.掌握PCM编译码原理;
6.了解双光纤全双工通信的组成结构。
二、实验仪器
1.光纤通信实验箱
2.20M双踪示波器
3.FC-FC单模光跳线2根
4.小型电话单机2部
5.铆孔连接线若干
三、基本原理
本实验系统主要由两大部分组成:
电端机部分、光信道部分。
电端机由电话用户接口电路A、PCM编译码A、记发器电路、PCM编译码B、电话用户接口电路B等组成,光信道为双光纤通信结构。
电话语音信号的光纤传输,可以有多种方式,一种是原始语音信号,经过光纤直接进行传输;另一种方式是先把话音信号数字化,然后再经过光纤传输,目前使用最多的是PCM编译码方式。
下面先介绍本实验平台上两路电话电路接口示意图。
用户A:
48
P803
图3.1电话用户A、B结构示意图
P205
图3.2电话用户A、B模拟光传输结构示意图(A到B单工)
电话
用户
接口B
图3.3数字电话光纤通信基本组成结构示意图
(一)电话接口电路原理介绍
用户电路也可称为用户线接口电路(SubscriberLineInterfaceCircuit—SLIC)。
任何交换机都具有用户线接口电路。
根据用户电话机的不同类型,用户线接口电路(SLIC)分为模拟用户接口电路和数字用户接口电路两种。
模拟用户线接口电路在实现上的最大压力是应能承受馈电、铃流和外界干扰等高压大电流的冲击,过去都是采用晶体管、变压器(或混合线圈)、继电器等分立元件构成。
在实际中,基于实现和应用上的考虑,通常将BORSHCT功能中过压保护由外接元器件完成,编解码器部分另单成一体,集成为编解码器(CODEC),其余功能由集成模拟SLIC完成。
在布控交换机中,向用户馈电,向用户振铃等功能都是在绳路中实现的,馈电电压一般是-60V,用户的馈电电流一般是20mA~30mA,铃流是25Hz,90V左右,而在程控交换机中,由于交换网络处理的是数字信息,无法向用户馈电、振铃等,所以向用户馈电、振铃等任务就由用户线接口电路来承担完成,再加上其它一些要求,程控交换机中的用户线接口电路一般要具有B(馈电),R(振铃)、S(监视)、C(编译码)、H(混合)、T(测试)、O(过压保护)七项功能。
图3.4为模拟用户线接口功能框图。
模拟用户线接口电路的功能可以归纳为BORSCHT七种功能,具体含义是:
(1)馈电(B-Batteryfeeling)向用户话机送直流电流。
通常要求馈电电压为—48伏或—24伏,环路电流不小于18mA.
(2)过压保护(O—Overvoltageprotection)防止过压过流冲击和损坏电路、设备。
(3)振铃控制(R—RingingControl)向用户话机馈送铃流,通常为25Hz/90Vrms正弦波。
(4)监视(S-Supervision)监视用户线的状态,检测话机摘机、挂机与拨号脉冲等信号以送往控制网络和交换网络。
(5)编解码与滤波(C-CODEC/Filter)在数字交换中,它完成模拟话音与数字码间的转换。
通常采用PCM编码器(Coder)与解码器(Decoder)来完成,,统称为CODEC。
相应的防混叠与平滑低通滤波器占有话路(300Hz-3400Hz)带宽,编码速率为64kb/s。
(6)混合(H—Hyhird)完成二线与四线的转换功能,即实现模拟二线双向信号与PCM发送,接收数字四线单向信号之间的连接。
过去这种功能由混合线圈实现,现在改为集成电路,因此称为“混合电路”。
(7)测试(T—Test)对用户电路进行测试。
振铃控制信号
测试总线
用户线
状态信号
模拟
用户线
馈电电源
铃流发生器
b
a
(编码信号)
发送码流
接收码流
混合电路
低通
平衡网络
低通
编码器解码器
测试开关
馈电电路
振铃继电器
过压保护电路
PBL38710TP3067
图3.4模拟用户线接口功能框图
用户线接口电路:
在本实验系统中,用户线接口电路选用的是PBL38710。
PBL38710是2/4线厚膜混合用户线接口电路。
它包含向用户话机恒流馈电、向被叫用户话机馈送铃流、用户摘机后自行截除铃流,摘挂机的检测及音频或脉冲信号的识别,用户线是否有话机的识别,语音信号的2/4线混合转换,外接振铃继电器驱动输出。
PBL38710用户电路的双向传输衰耗均为﹣1dB,供电电源为+5V和﹣5V,PBL38710还将输入的铃流信号放大以达到电话振铃工作的要求,即达到+75V的有效值。
其各项性能指标符合邮电部制定的有关标准。
(1)该电路的基本特性
1.向用户馈送铃流
2.向用户恒流馈电
3.过压过流保护
4.被叫用户摘机自截铃
5.摘挂机检测和LED显示
6.音频或脉冲拨号检测
7.振铃继电器驱动输出
8.语音信号的2/4线转换
9.能识别是否有话机
10.无需耦合变压器
(2)用户线接口电路主要功能
电话接口
控制信号1
控制信号2
状态指示
摘机检测
//
图3.5PBL38710内部电路方框图
1.向用户话机供电,PBL38710可对用户话机提供恒流馈电,馈电电流由VBAT以及VDD供给。
当环路电阻为2KΩ时,馈电电流为18mA。
具体如下:
A.供电电源VBAT采用-48V;
B.在静态情况下(不振铃、不呼叫),-48V电源通过继电器静合接点至话机;
C.在振铃时,-48V电源通过振铃支路经继电器动合接点至话机;
D.用户挂机时,话机叉簧下压,馈电回路断开,回路无电流流过;
E.用户摘机后,话机叉簧上升,接通馈电回路(在振铃时接通振铃支路)回路。
2.PBL38710内部具有过压保护的功能,可以抵抗保护TIPRING端口间的瞬时高压,如结合外部的热敏与压敏电阻保护电路,则可抵抗保护250V左右高压。
3.振铃电路可由外部的振铃继电器和用户电路内部的继电器驱动电路以及铃流电源向用户馈送铃流:
当继电器控制端(RC端)输入高电平,继电器驱动输出端(RD端)输出高电平,继电器接通,此时铃流源通过与振铃继电器连接的15端(RV端)经TIPRING端口向被叫用户馈送铃流。
当控制端(RC端)输入低电平或被叫用户摘机都可截除铃流。
用户电路内部提供一振铃继电器感应电压抑制箝位二极管。
4.监视用户线的状态变化即检测摘挂机信号,具体如下:
A.用户挂机时,用户状态检测输出端输出低电平,以向CPU中央集中控制系统表示用户“闲”;
B.用户摘机时,用户状态检测输出端输出高电平,以向CPU中央集中控制系统表示用户“忙”;
C.用户若拨电话号码为脉冲拨号方式时,该用户状态输出端应能送出拨号数字脉冲。
回路断开时,送出低电平,回路接通时送出高电平(注:
本实验系统不选用脉冲拨号方式,只采用DTMF双音多频拨号方式);
5.在TIPRING端口间传输的语音信号为对地平衡的双向语音信号,在四线VR端与VX端传输的信号为收发分开的不平衡语音信号。
PBL38710可以进行TIPRING端口与四线VR
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