光纤通信实验指导书.docx

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光纤通信实验指导书

系统简介………………………………………………………...........2

实验部分

实验一数字信源及其光纤传输实验…………………………5

实验二HDB3编译码及其光纤传输实验…………………...11

实验三CMI编译码及其光纤传输实验……………………..20

实验四光发送模块实验……………………………………..28

实验五光接收模块实验……………………………………..35

实验六数字信号电—光、光—电转换传输实验……………39

1）方波信号和NRZ码传输；

2）CMI码传输；

3）HDB3码传输；

实验七波分复用（WDM）光纤通信系统实验……………43

EL-GT-IV光纤通信教学实验系统简介

光纤通信教学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装置，在这套系统上除了完成理论验证实验外，还可实现各种开发性实验，并可配合CPLD进行各模块的二次性开发。

此外本实验箱，可扩展实验模块，实现通信原理的实验。

一、结构简介

光纤通信教学实验系统结构框图如下:

主要由以下功能模块组成：

1.数字信号源单元:

此单元产生码速率为170.5K的单极性不归零码（NRZ），数字信号帧长为24位，其中包括两路数字信息，每路8位，另外8位中的7位为集中插入帧同步码。

通过拨码开关，可以很方便地改变要传送的码信息并由发光二极管显示出来。

2.AMI（HDB3）编译码单元:

此单元将数字信号源单元产生的NRZ码进行编码，通过专用芯片转换成HDB3码或AMI码通过切换开关切换，然后将编码后的信号又经过译码单元还原成NRZ码。

3.电话接口单元

此单元有两路独立的电话输入接口、输出接口，通过专用电话接口芯片实现语音的全双工通信。

自带馈电电源。

4.PCM&CMI编译码单元；

此单元采用CPLD来实现PCM&CMI编译码电路，可同时完成两路信号的编译码工作。

PCM模块可以实现传输两路语音信号，采用TP3057编译器。

5.可调信号源单元:

此单元包括两路频率800HZ—2KHZ可调的方波、正弦波、三角波。

6.串行RS232接口单元:

此单元配有RS232接口及信号端口TX和RX，可实现自发自收通信实验，两台计算机间的全双工光纤通信实验。

7.1310波长光发送单元:

PHLC-1310nmFP同轴激光二极管。

8.1550波长光发送单元:

PHLC-1310nmFP同轴激光二极管。

9.1310波长光接受单元:

10.1550波长光接受单元:

主要完成光电信号的转换，小信号的检测与信号的恢复放大等功能。

它主要有光检测模块、滤波放大模块组成。

光检测模块采用PHPC-IS01-PFC，是PHOTRON公司的高性能光检测器件，输出可从DC到1GHZ。

11.数字时分复用光纤传输实验

12.5B6B编译码实验单元

二、实验项目（如正文）

三、系统特点

模块化设计，灵活搭线，可实现多个实验，并可以自己灵活搭接组成其他实验。

实验箱上配有光纤跳线的接口模块，可自由加入光纤无源器件，使用多种仪表如误码分析仪等进行观测。

完全满足国家教学大纲的教学要求。

此外本实验箱，可扩展实验模块，实现通信原理和DSP的实验，光纤和通信合而为一，还可以让学生了解DSP的工作原理和经典电路。

本实验箱可谓一箱多用，精巧的结构，独特的创意，超高的性价比，让您再次领略达盛人追求完美与人性化的独特魅力。

四、配套仪器

必备仪器：

20M通用示波器或虚拟仪器

可选配仪器：

音频信号源，频率计，频谱分析仪，光功率计，稳定光源，光时域反射仪，误码测试仪，光纤熔接机，PCM终端测试仪

实验一数字信源及其光纤传输实验

一、实验目的

1、了解单极性码、双极性码、归零码、不归零码等基带信号波形特点。

2、掌握集中插入帧同步码时分复用信号的帧结构特点。

二、实验内容

用示波器观察单极性非归零码（NRZ）、位同步信号（BS）及帧同步信号（FS），了解它们的对应关系。

三、基本原理

本实验使用数字信源模块。

本模块是整个实验系统的发终端，其原理方框图如图1-1所示。

本单元产生NRZ信号，信号码速率约为170.5KB，帧结构如图1-2所示。

帧长为24位，其中首位无定义，第2位到第8位是帧同步码（7位巴克码1110010），另外16位为2路数据信号，每路8位。

此NRZ信号为集中插入帧同步码时分复用信号。

发光二极管亮状态表示1码，熄状态表示0码。

本模块有以下测试点及输入输出点：

CLK晶振信号测试点

BSOUT信源位同步信号输出点/测试点

FSOUT信源帧同步信号输出点/测试点

NRZ-OUTNRZ信号输出点/测试点

图1-3为数字信源模块的电原理图。

图1-1中各单元与图1-3中的元器件对应关系如下：

晶振CRY1：

晶体；U1：

反相器7404

分频器U3：

计数器74161；U4：

计数器74193；U9：

计数器40160

并行码产生器　　　K4、K2、K3：

8位手动开关，从左到右依次与帧同步码、数据1、数据2相对应；发光二极管左起分别与一帧中的24位代码相对应

八选一U4、U5、U8：

8位数据选择器LS151

三选一U7：

8位数据选择器LS151

倒相器U28：

非门74HC04

抽样　　U30：

D触发器74HC74

图1-1数字信源方框图

图1-2帧结构

下面对分频器，八选一及三选一等单元作进一步说明。

（1）分频器

74161进行13分频，输出信号频率为341kHz。

74161是一个4位二进制加计数器，预置在3状态。

74193完成÷2、÷4、÷8、÷16运算，输出BS、S1、S2、S3等4个信号。

BS为位同步信号，频率为170.5kHz。

S1、S2、S3为3个选通信号，频率分别为BS信号频率的1/2、1/4和1/8。

74193是一个4位二进制加/减计数器，当CPD=PL=1、MR=0时，可在Q0、Q1、Q2及Q3端分别输出上述4个信号。

40160是一个二一十进制加计数器，预置在7状态，完成÷3运算，在Q0和Q1端分别输出选通信号S4、S5，这两个信号的频率相等、等于S3信号频率的1/3。

分频器输出的S1、S2、S3、S4、S5等5个信号的波形如图1-4（a）和1-4（b）所示。

（2）八选一

采用8路数据选择器4512，它内含了8路传输数据开关、地址译码器和三态驱动器，其真值表如表1-1所示。

U24、U25和U27的地址信号输入端A、B、C并连在一起并分别接S1、S2、S3信号，它们的8个数据信号输入端x0~x7分别与K1、K2、K3输出的8个并行信号连接。

由表1-1可以分析出U24、U25、U27输出信号都是码速率为170.5KB、以8位为周期的串行信号。

图1-3数字信源电原理图

（3）三选一

三选一电路原理同八选一电路原理。

S4、S5信号分别输入到U8的地址端A和B，U24、U25、U27输出的3路串行信号分别输入到U8的数据端x3、x0、x1，U8的输出端即是一个码速率为170.5KB的2路时分复用信号，此信号为单极性不归零信号（NRZ）。

图1-4分频器输出信号波形

表1-14512真值表

INH

DIS

高阻

（4）倒相与抽样

图1-1中的NRZ信号的脉冲上升沿或下降沿比BS信号的下降沿稍有点滞后。

在实验二的数字调制单元中，有一个将绝对码变为相对码的电路，要求输入的绝对码信号的上升沿及下降沿与输入的位同步信号的上升沿对齐，而这两个信号由数字信源提供。

倒相与抽样电路就是为了满足这一要求而设计的，它们使NRZ-OUT及BS-OUT信号满足码变换电路的要求。

FS信号可用作示波器的外同步信号，以便观察2DPSK等信号。

FS信号、NRZ-OUT信号之间的相位关系如图1-5所示，图中NRZ-OUT的无定义位为0，帧同步码为1110010，数据1为11110000，数据2为00001111。

FS信号的低电平、高电平分别为4位和8位数字信号时间，其上升沿比NRZ-OUT码第一位起始时间超前一个码元。

图1-5FS、NRZ-OUT波形

四、实验步骤

1熟悉信源模块的工作原理。

用示波器观察数字信源模块上的各种信号波形。

2用FS作为示波器的外同步信号，进行下列观察：

（1）示波器的两个探头分别接NRZ-OUT和BS-OUT，对照发光二极管的发光状态，判断数字信源单元是否已正常工作（1码对应的发光管亮，0码对应的发光管熄）；

（2）用K1产生代码×1110010（×为任意代码，1110010为7位帧同步码），K2、K3产生任意信息代码，观察本实验给定的集中插入帧同步码时分复用信号帧结构，和NRZ码特点。

按照实验指导书要求，用K1产生代码11110010,K2产生代码00011100,K3产生代码01110000（其中K1的代码为帧同步码,K2和K3是产生的信息码,可以任意定义）.用示波器观察NRZ、FS、BS如下图:

检测点

波形

数字信号远源单元FS

数字信号远源单元NRZ

数字信号远源单元BS

注意:

该实验不用连接线,直接在实验箱上的数字信源单元各个观察点加示波器探头进行观测.

五、实验报告要求

根据实验观察和纪录回答：

1、不归零码和归零码的特点是什么？

2、根据电路原理图设计出一任意伪随机码（RZ）产生电路.

六、实验仪器

光纤通信有源实验箱，数字存储示波器

实验二HDB3编译码及其光纤传输实验

一、实验目的

1、掌握AMI、HDB3码的编码规则。

2、掌握从HDB3码中提取位同步信号的方法。

3、了解HDB3（AMI）编译码集成电路CD22103。

二、实验内容

1、用示波器观察传号交替反转码（AMI）、三阶高密度双极性码（HDB3）。

2、用示波器观察从HDB3码中和从AMI码中提取位同步信号的电路中有关波形。

3、用示波器观察HDB3、AMI译码输出波形。

三、基本原理

本实验用到的电路模块为HDB3编译码模块。

原理框图、电原理图分别如图2-1和图2-2所示。

本单元有以下测试点及输出点：

NRZ译码器输出信号

CODE–OUT编码器输出信号

CODE–IN译码器输入信号

图2-1HDB3编译码方框图

本模块上的开关K4用于选择码型，K4位于上端选择HDB3码的编译码，位于下端选择AMI码编译码。

HDB3码和AMI码的编码输出点都在CODE-OUT，译码输入点都在CODE-IN。

图2-1中各单元与图2-2各单元器件的对应关系如下：

HDB3编译码器U11：

HDB3编译码集成电路CD22103A

单/双极性变换器U12：

模拟开关4052

双/单极性变换器U15：

非门74HC04

相加器U16：

或门74LS32

带通U13、U14：

运放UA741

限幅放大器U17：

运放LM318

锁相环U18:

集成锁相环CD4046

图2-2HDB3编译码电路图

下面简单介绍AMI、HDB3码编码规律。

AMI码的编码规律是：

信息代码1变为带有符号的1码即+1或-1，1的符号交替反转；信息代码0的为0码。

AMI码对应的波形是占空比为0.5的双极性归零码，即脉冲宽度τ与码元宽度（码元周期、码元间隔）TS的关系是τ=0.5TS。

HDB3码的编码规律是：

4个连0信息码用取代节000V或B00V代替，当两个相邻V码中间有奇数个信息1码时取代节为000V，有偶数个信息1码（包括0个信息1码）时取代节为B00V，其它的信息0码仍为0码；信息码的1码变为带有符号的1码即+1或-1；HDB3码中1、B的符号符合交替反转原则，而V的符号破坏这种符号交替反转原则，但相邻V码的符号又是交替反转的；HDB3码是占空比为0.5的双极性归零码。

设信息码为00000110000100000，则NRZ码、AMI码，HDB3码如图2-3所示。

分析表明，AMI码及HDB3码的功率谱如图2-4所示，它不含有离散谱fS成份（fS=1/TS，等于位同步信号频率）。

在通信的终端需将它们译码为NRZ码才能送给数字终端机或数模转换电路。

在做译码时必须提供位同步信号。

工程上，一般将AMI或HDB3码数字信号进行整流处理，得到占空比为0.5的单极性归零码（RZ|τ=0.5TS）。

这种信号的功率谱也在图2-4中给出。

由于整流后的AMI、HDB3码中含有离散谱fS，故可用一个窄带滤波器得到频率为fS的正弦波，整形处理后即可得到位同步信号。

图2-3NRZ、AMI、HDB3关系图

图2-4AMI、HDB3、RZ|τ=0.5TS频谱

本单元用CD22103集成电路进行AMI或HDB3编译码。

当它的第3脚（HDB3/AMI）接+5V时为HDB3编译码器，接地时为AMI编译码器。

编码时，需输入NRZ码及位同步信号，它们来自数字信源单元，已在电路板上连好。

CD22103编码输出两路并行信号+H-OUT和-H-OUT，它们都是半占空比的正脉冲信号，分别与AMI或HDB3码的正极性信号及负极性信号相对应。

这两路信号经单/双极性变换后得到AMI码或HDB3。

双/单极性变换及相加器构成一个整流器。

整流后的（AMI）HDB3-D信号含有位同步信号频率离散谱。

由于位同步频率比较低，很难将有源带通滤波器的带宽做得很窄，它输出的信号BPF是一个幅度和周期都不恒定的正弦信号。

对此信号进行限幅放大处理后得到幅度恒定、周期变化的脉冲信号，但仍不能将此信号作为译码器的位同步信号，需作进一步处理。

当锁相环的自然谐振频率足够小时，对输入的电压信号可等效为窄带带通滤波器（关于锁相环的基本原理将在实验三中介绍）。

本单元中采用电荷泵锁相环构成一个Q值约为35的的窄带带通滤波器，它输出一个符合译码器要求的位同步信号BS-R。

译码时，需将AMI或HDB3码变换成两路单极性信号分别送到CD22103的第11、第13脚，此任务由双/单变换电路来完成。

当信息代码连0个数太多时，从AMI码中较难于提取稳定的位同步信号，而HDB3中连0个数最多为3，这对提取高质量的位同信号是有利的。

这也是HDB3码优于AMI码之处。

HDB3码及经过随机化处理的AMI码常被用在PCM一、二、三次群的接口设备中。

在实用的HDB3编译码电路中，发端的单/双极性变换器一般由变压器完成；收端的双/单极性变换电路一般由变压器、自动门限控制和整流电路完成，本实验目的是掌握HDB3编码规则，及位同步提取方法，故对极性变换电路作了简化处理，不一定符合实用要求。

CD22103的引脚及内部框图如图2-5所示，引脚功能如下：

图2-5CD22103的引脚及内部框图

（1）NRZ-IN编码器NRZ信号输入端；

（2）CTX编码时钟（位同步信号）输入端；

（3）HDB3/AMI　码型选择端：

接TTL高电平时，选择HDB3码；接

　TTL低电平时，选择AMI码；

（4）NRZ-OUTHDB3译码后信码输出端；

（5）CRX码时钟（位同步信号）输入端；

（6）RAIS告警指示信号（AIS）检测电路复位端，负脉冲有效；

（7）AISAIS信号输出端，有AIS信号为高电平，无ALS信号时为低电平；

（8）VSS接地端；

（9）ERR不符合HDB3/AMI编码规则的误码脉冲输出端；

（10）CKRHDB3码的汇总输出端；

（11）+HDB3-INHDB3译码器正码输入端；

（12）LTFHDB3译码内部环回控制端，接高电平时为环回，

接低电平时为正常；

（13）-HDB3-INHDB3译码器负码输入端；

（14）-HDB3-OUTHDB3编码器负码输出端；

（15）+HDB3-OUTHDB3编码器正码输出端；

（16）VDD接电源端（+5V）

CD22103主要由发送编码和接收译码两部分组成，工作速率为50Kb/s~10Mb/s。

两部分功能简述如下。

发送部分：

当HDB3/AMI端接高电平时，编码电路在编码时钟CTX下降沿的作用下，将NRZ码编成HDB3码（+HDB3-OUT、-HDB3-OUT两路输出）；接低电平时，编成AMI码。

编码输出比输入码延迟4个时钟周期。

接收部分：

（1）在译码时钟CRX的上升沿作用下，将HDB3码（或AMI码）译成NRZ码。

译码输出比输入码延迟4个时钟周期。

（2）HDB3码经逻辑组合后从CKR端输出，供时钟提取等外部电路使用；

（3）可在不断业务的情况下进行误码监测，检测出的误码脉冲从ERR端输出，其脉宽等于收时钟的一个周期，可用此进行误码计数。

（4）可检测出所接收的AIS码，检测周期由外部RAIS决定。

据CCITT规定，在RAIS信号的一个周期（500s）内，若接收信号中“0”码个数少于3，则AIS端输出高电平，使系统告警电路输出相应的告警信号，若接收信号中“0”码个数不少于3，AIS端输出低电平，表示接收信号正常。

四、实验步骤

1、用示波器观察HDB3编译单元的各种波形。

用信源模块的FS信号作为示波器的外同步信号。

（1）示波器的两个探头CH1和CH2分别接NRZ-OUT和CODE_OUT，将信源模块K1、K2、K3的每一位都置1，观察并记录全1码对应的AMI码和HDB3码；再将K1、K2、K3置为全0，观察全0码对应的AMI码和HDB3码。

观察AMI码时将开关K4置于AMI端，观察HDB3码时将K4置于HDB3端，观察时应注意编码输出（AMI）HDB3比输入NRZ-OUT延迟了4个码元。

对应全1码时的HDB3和AMI码

检测点

波形（对应全1码）

（AMI）HDB3编译码单元HDB3-OUT（K1拨到H端）

（AMI）HDB3编译码单元HDB3-OUT（K1拨到A端）

对应全0码时的HDB3码和AMI码

检测点

波形（对应全0码）

（AMI）HDB3编译码单元HDB3-OUT（K4拨到HDB3端）

（AMI）HDB3编译码单元HDB3-OUT（K4拨到AMI端）

（2）将K1、K2、K3置于011100100000110000100000态，观察并记录对应的AMI码和HDB3码。

检测点

波形（对应0111001000001100001000000111001000001100码）

数字信号源单元NRZ

（AMI）HDB3编译码单元HDB3-OUT（K4拨到HDB3端）

（AMI）HDB3编译码单元HDB3-OUT（K4拨到AMI端）

（3）将K1、K2、K3置于任意状态，K4置AMI或HDB3端，CH1接NRZ-OUT，CH2分别接CODE-OUT、和NRZ，观察信号波形。

观察时应注意：

NRZ信号（译码输出）迟后于NRZ-OUT信号（编码输入）约8个码元。

AMI、HDB3码是占空比等于0.5的双极性归零码，AMI-D、HDB3-D是占空比等于0.5的单极性归零码。

（4）终端数字显示

本单元的接法如下，NRZ-OUT接位同步模块的NRZ和帧同步模块的NRZ，数字终端模块的NRZ。

位同步模块的BS-OUT接帧同步的BS-IN，帧同步和FS-OUT和位同步的BS-OUT接数字终端的FS和BS。

连接好之后，接受到的NRZ显示应和信号源的显示一致，这更便于观察。

本实验中若24位信源代码中只有1个“1“码，则无法从AMI码中得到一个符合要求的位同步信号，因此不能完成正确的译码。

若24位信源代码全为“0”码，则更不可能从AMI信号（亦是全0信号）得到正确的位同步信号。

信源代码连0个数越多，越难于从AMI码中提取位同步信号（或者说要求带通滤波的Q值越高，因而越难于实现），译码输出NRZ越不稳定。

而HDB3码则不存在这种问题。

五、实验报告要求

1、与信源代码中的“1”码相对应的AMI码及HDB3码是否一定相同？

为什么？

2.设代码为全1，全0及011100100000110000100000，给出AMI及HDB3码的代码和波形。

3.总结从HDB3码中提取位同步信号的原理。

4.试根据占空比为0.5的单极性归零码的功率谱密度公式说明为什么信息代码中的连0码越长，越难于从AMI码中提取位同步信号，而HDB3码则不存在此问题。

5.根据公式

，

计算环路自然谐振频率ωn，阻尼系数ζ和等效噪声带宽BL。

式中IP=0.05A，Ko=8π×103rad/s.v。

再用Q=fo／BL计算锁相环等效带通滤波器的品质因数，式中fo=170.5KHZ。

六、实验仪器

光纤通信有源实验箱，数字存储示波器

实验三CMI编译码及其光纤传输实验

一、实验目的

1、了解CMI码的码型特点。

2、掌握CMI码的编码规则。

3、了解CMI码编码电路的工作原理。

4、了解CMI码译码电路的工作原理。

二、实验内容

用示波器观察CMI码与NRZ码的对应关系

三、基本原理

本实验使用的电路模块为CMI编译码电路，共有两个编码译码电路组成，可同时完成两路信号的编码译码工作。

该电路模块采用CPLD来实现的，其原理图如图CMI编码电路原理图3-3、3-4和CMI译码电路原理图3-5所示。

电路组成：

CMI码即为传号翻转码，NRZ的“1”交替地用CMI的“00”和“11”来表示，而“0”则固定用“01”来表示，因此把信号从1位（bit）变成了2位（bit），属于二电平的NRZ的1B2B码型，这种码的特点是有一定的纠错能力，并且易于实现，易于定时提取，因此在低速的系统中选为传输码型，图3-1为CMI码与NRZ码的对应关系。

在本实验系统中，CLK采用16.38MHz晶振二分频，这样CMI编码信号中对应NRZ的“0”电平，信号频率应该是8.19MHz左右，对应NRZ信号的“1”电平，信号频率应该是4.09MHz左右。

即一个NRZ高电平对应CMI编码信号是12对“1100”，一个NRZ低电平对应CMI编码信号是24对“10”。

图3-1CMI码与NRZ码的对应关系

（1）CMI编码电路

编码电路用来接收来自信号源的单极性非归零码（NRZ）码，并把这种码型变换为CMI码送至光发送单元，其框图如图3-2所示，电路原理图如图3-3所示。

图3-2CMI编码框图

图3-3CMI编码电路原理图一

图3-4CMI编码电路原理图二

图3-5CMI译码电路原理图

单极性码输入该模块后首先用CLK同步，例如输入若是传号

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