光纤通信课程设计皮锋.docx

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光纤通信课程设计皮锋

课程设计报告

课程名称通信系统综合实验

课题名称多路数据+多计算机+

单路图像/语音全双工光纤传输系统

专业通信工程

班级通信工程1101

学号201103020127

姓名皮锋

指导教师廖智李杰君

2014年11月26日

湖南工程学院

课程设计任务书

课程名称通信系统综合实验

课题多路数据+多计算机+

单路图像/语音全双工

光纤传输系统

专业班级通信工程1101

学生姓名皮锋

学号201103020127

指导老师廖智李杰君

审批

任务书下达日期2014年11月26日

任务完成日期2014年12月4日

目录

一、设计内容与设计要求1

1、实验目的1

2、实验内容1

3、实验仪器与设备1

4、实验原理1

5．设计要求5

二、进度安排5

三、课程设计主文档6

1.课程设计题目6

2.课程设计目的6

3.课程设计主要任务6

4.实验设备6

5.总体设计方案的选定7

5.1总体设计方案框图7

5.2各模块设计方法8

6.设计结果及其分析15

6.1整体实物连线图15

6.2两路语音信号的波形15

6.3四路数字信号源波形图16

6.4视频输出图像18

6.5两台计算机之间的RS232通信19

7.收获及体会20

四、评分表21

一、设计内容与设计要求

1、实验目的

掌握变速率时分复用的原理、实现方法。

学习并掌握计算机RS232通信技术。

掌握时分复用技术和波分复用技术的灵活搭配使用。

实现数字和语音同时通信

2、实验内容

多路数据＋多路电话光纤综合传输系统的实现

多路数据＋多计算机＋单路图像/语音全双工光纤综合传输系统的实验

*多路计算机＋双路图像/语音全双工光纤综合传输系统的实现

3、实验仪器与设备

1.光纤通信实验系统2台。

2.示波器1台。

3.波分复用器2个。

4.电话2部。

5.示波器2台。

6.计算机若干台串口通信电缆若干根。

7.1310nm/1550nm波长波分复用器2个。

8.FC/FC光纤跳线2根。

9.摄像头1个。

10.监视器1个（或用电话代替）。

4、实验原理

《多路数据＋多路电话光纤综合传输系统》综合了固定速率时分复用、解固定速率时分复用、PCM编译码、波分复用等几个子系统，具体的实验原理可以参看《光纤通信原理教学系统实验指导书》中的实验二十一、实验二十四、实验二十五、实验二十的方法；

《多路数据＋多计算机＋单路图像图像/语音全双工光纤综合传输系统》拟实现模拟图像、数据在同一光纤中传输。

即在光纤中同时传输数字数据和模拟信号。

一种解决方案综合了《光纤通信原理教学系统实验指导书》中的实验二十六、实验二十七、实验十六的知识；

《多路计算机＋双路图像/语音全双工光纤综合传输系统》综合了固定速率时分复用、解固定速率时分复用、变速率时分复用、解变速率时分复用、位时钟提取（数字锁相环DPLL）原理及实现五个实验，具体的实验原理可以参看《光纤通信原理教学系统实验指导书》中的实验二十一、实验二十三、实验二十四、实验二十五、实验二十六、实验二十七。

图1、《多路数据＋多路电话光纤综合传输系统》框图

图2、《多路数据＋多计算机＋单路图像图像/语音全双工光纤综合传输系统》框图

图3、《多路计算机＋双路图像/语音全双工光纤综合传输系统》框图

5．设计要求

掌握结构化系统设计的主体思想，以自下而上逐步完善的方法实现指定的通信系统功能，并按要求测试相关参数、波形等实验数据，以积累一些典型的通信子系统的功能、性能、参数等知识以及系统集成的知识。

（1）在规定的时间内以小组为单位完成相关的系统功能实现、数据测试和记录并进行适当的分析。

（2）按本任务书的要求，编写《课程设计报告》（Word文档格式）。

并用A4的复印纸打印并装订；

课程设计报告内容要求如下：

1）封面

2）课程设计任务书

3）课程设计主文档

内容如下：

1、课程设计题目

2、课程设计目的

3、课程设计主要任务

4、实验设备

5、总体设计方案的选定

（主控模块和各子模块的设计方法及框图）

6、所实现的系统功能描述、相关数据测试结果等实验报表以及实验数据分析；

7、收获及体会

参考资料

（3）在规定的时间内，请各班学习委员收齐课程设计报告交实验室陈多老师。

四、报告内容要求用宋体五号字，主标题用黑三号、一级标题用黑四号字，二级标题用宋体小四号字加粗，要求用A4纸张打印出来。

课程设计说明书装订顺序：

封面、任务书、正文、附件（A4大小的图纸及程序清单）。

二、进度安排

第14，15周，见具体安排：

湖南工程学院计算机与通信学院

2014年11月26日

3、课程设计主文档

1.课程设计题目

多路数据+多计算机+单路图像/语音全双工光纤传输系统

2.课程设计目的

1.掌握变速率时分复用的原理、实现方法。

2.学习并掌握计算机RS232通信技术。

3.掌握时分复用技术和波分复用技术的灵活搭配使用。

4..实现数字和语音同时通信。

3.课程设计主要任务

4路数据＋3台计算机＋1路图像图像/语音全双工光纤综合传输系统实验。

视频图像采集的方法较多，基本可分为2大类：

数字信号采集和模拟信号采集。

前者采用图像采集芯片组完成图像的采集、帧存储器地址生成以及图像数据的刷新；除了要对采集模式进行设定外，主处理器不参与采集过程，我们只要在相应的帧存储器地址取出采集到的视频数据即可得到相应的视频数据，这种方法，无论在功能、性能、可靠性、速度等各方面都得到了显著的提高，但成本高。

后者采用通用视频A/D转换器实现图像的采集，其特点是数据采集占用CPU的时间，对处理器的速度要求高，成本低、易于实现，能够满足某些图像采集系统的需要。

拟实现模拟图像、数据在同一光纤中传输。

即在光纤中同时传输数字数据和模拟信号。

4.实验设备

1.光纤通信实验系统2台。

2.示波器1台。

3.波分复用器2个。

4.电话2部。

5.示波器2台。

6.计算机若干台串口通信电缆若干根。

7.1310nm/1550nm波长波分复用器2个。

8.FC/FC光纤跳线2根。

9.摄像头1个。

10.监视器1个（或用电话代替）。

5.总体设计方案的选定

5.1总体设计方案框图

多路数据＋多计算机＋单路图像图像/语音全双工光纤综合传输系统框图：

图1、《多路数据＋多计算机＋单路图像图像/语音全双工光纤综合传输系统》框图

5.2各模块设计方法

5.2.1变速率时分复用原理及实现

逐比特复接也叫逐位复接。

逐位复接的示意图如下图所示。

（a）、（b）、（c）、（d）是4个被复接支路的信号（基群数字信号），（e）是复接后的数字信号。

复接过程是这样的：

首先取第一基群的第一位码，接着取第二基群的第一位码，再取第三基群的第一位码，再取第四基群的第一位码，轮流将4个支路的第一位码取值一次后再进行第二位码取值，方法仍然是：

首先取第一基群的第二位码，接着取第二基群的第二位码，再取第三基群的第二位码，轮流将4个支路的第二位码取值一次后再进行第三位码取值，依此类推，一直循环下去。

这样得到的图中（e）序列就是复接后的二次群序列。

可以看出，复接后每位码的宽度只是原来支路每位码宽度的1／4，换言之，容量增加了4倍。

复接时，缓冲存储器是不可少的，其原因可由图4-1看出：

当复接器在复接第二、第三和第四基群的第一位码时，第一基群的第二位码，第三位码……不断送来，而这些码位要等第四基群的第一位码复接完了才能复接它们。

因此，每个基群都需要存储器先把它们存储起来。

由于是按位复接，循环周期不长，存储器所需的容量不大，制作比较简单。

缓冲存储器的容量由下式决定：

式中u为复接单位的比特数。

上图中每次复接一位，即u=1；m为被复接的基群数，这里m=4。

这样二次群复接器所需的容量M为：

式中的1bit是先写进去以便读出的存储起始撞，3／4是读第二、三、四基群的第一位码时最低所需存储容量。

可见，缓冲存储器的容量取2bit就够了。

图2、逐位复接的示意图

按位复接简易原理框图：

图3、按位复接简易原理框图

变速率时分复用和固定速率时分复用主要区别在于变速率时分复用采用了按位复接的方式而固定速率时分复用采用的是按码字复接。

按位复接设备简单，但是信号的完整性比较差。

按码字复接信号完整性好，但设备较复杂，所需缓冲存储器的容量较大，目前应用的很少。

正码速调整原理：

码速调整有三种方式：

正码速调整；正／负码速调整；正／零／负码速调整。

ITU—T推荐使用正码速调整和正／零／负码速调整方式。

我国大部分复用设备采用正码速调整方式，也有采用正／零／负码速调整方式的。

目前应用的多是“脉冲插入同步”方式，这种方式是利用插入脉冲的方法来实现调整的。

所谓正码速调整就是将被复接的低次群的码速都提高，使其同步到某一规定的较高的码速上。

例如在PCM基群的数码率标称值都是2048kb／s，但由于各个独立的时钟源总是存在偏差，因此，可根据复接帧的要求，确定脉冲的插入数目，使每个基群的数码率均由2048kb／s填充到所要求的数码率，二次群复接时为2112kb／s。

这样，码速都提高了，又达到了相互同步的目的。

由于是用提高码速来使其同步，故称为正码速调整。

在系统中，首先对输入的四路信号按一定速率进行编码，以便使四路信号速率的标称值相同，编码方式可以采用多种方式（如CMI、DMI，5B6B，4B1H等等），然后再对编码后的信号进行脉冲插入同步的正码速调整，下面，我们对正码速调整中插入脉冲部分的原理作简单介绍，而去插入脉冲部分将在下一实验中说明：

采用脉冲插入同步的正码速调整的原理如下图所示。

该图只绘出一个支路的码速调整插入部分情况，去插入部分和复接部分没有绘出。

图4、脉冲插入同步方式插入部分的原理示意图

（a）方框图；（b）支路输入数码流fi，（c）码速调整后的数码流fm;

基群输入的数字信号先写入到一个缓冲存储器，写入速率是编码速率，读出时钟频率则是码速调整后的速率fm，而fm>fi，所以存储器是读得快写得慢，即存储器处于“快读慢写”状态。

快读慢写会出现什么结果呢?

从图（b）和（c）可以看出，第1个脉冲经过一段时间后读出，第2个脉冲的读出，其经过的时间长度比前者要短一些，因读出速度比写入速度快，以后的写入与读出时间差，即相位差愈来愈小，在第6个脉冲时两者相位差已很小，即将出现取空状态，当相位差小到一定程度时，由相位比较器（在缓冲存储器中）发出插入请求，要求插入脉冲控制电路发出一个插入指令，停止一次读出，同时在此瞬间插入一个脉冲，如图中虚线位置所示。

插入脉冲是不携带信息的，所以在接收端应把它去掉，为此，发送端在插入脉冲的同时，必须发出一个标志信号通知接收端，据此判别出哪些是插入脉冲，然后把它去掉以恢复原始信号。

变速率时分复用的框图如下：

图5、变速率时分复用的框图

码速调整：

将输入信号用128kbit/s的时钟进行CMI编码，使输入信号具有，出信号的速率为256kbit/s。

复接器：

将4个支路已经同步的信码流和四位巴克码复接成一个高速率的信号，输出信号的速率为2048kbit/s。

时钟源：

为整个复接电路提供稳定的时钟信号。

5.2.2解变速率时分复用原理及实现

去插入原理介绍：

去插入原理示意图如下图所示。

图6、同步脉冲去插入原理示意图

（a）方框图；（b）码速调整后的数码流fm；（c）扣除插入脉冲后的接收信号；（d）恢复后的原数码流fi。

在接收端，当收到发送端的标志信号后，它连同信号一起通过一个标志信号检出电路而被检出，因而产生一个“消插指令”，把写入脉冲禁掉一个，也就是不使插入脉冲写入存储器。

如图（c）所示，即原虚线所示的位置空着了。

这时，数码与原来的数码次序一样（因已扣除了插入脉冲），但时间间隔是不均匀的，中间有间隙。

因此，在接收端，要恢复原数码，必须从图（c）波形中，提取时钟fi，即是将已去掉插入脉冲的数码流均匀化。

这一任务用一个锁相环来完成。

锁相环框图如图5-3所示。

由鉴相器、压控振荡器和低通滤波器组成。

压控振荡器的输出是读出时钟fi，相位为θ0。

鉴相器有两个输入信号：

一个是写入时钟fm，它是已扣除插入脉冲的序列，其相位为θi；另一个是压控振荡器的输出fi。

鉴相器将两信号进行相位比较，鉴相器的输出电压ud与它们的相差θe成比例，经过低通滤波器滤出的直流成分uc，即为其平均值。

uc作为VCO的控制电压，通过环路的作用，使fi与fm同步，即振荡器振荡在平均频率fi上，使读出脉冲的间隔均匀了。

图7、收端读出脉冲均匀化

（a）fm（已扣除塞入脉冲）；（b）fm（写入）；（c）fi（读出）；（d）ud=kdθe

为了使塞入脉冲的塞入和去塞入更可靠一些，往往采用定位塞入法。

而塞入脉冲的标志信号往往是与帧同步信号一起传送，这时数据信道与信息信道合成为一个信道。

综上所述，接收端工作过程要点如下：

1、定时再生电路再生fm，作为写入时钟。

2、由插入脉冲检测电路检测出插入脉冲后，发出扣除插入脉冲指令，把写入脉冲禁掉一个，即不使插入脉冲写入存储器。

3、将已扣除塞入脉冲的fm送到锁相环鉴相器，通过锁相环的作用，获得读出时钟fi，即恢复为原来支路的频率fi。

4、由于锁相环的存在，不可避免要产生抖动。

下面讨论正码速调整的基本参数：

设fb为标称复接比特率；fL为标称支路比特率；

m为支路数；

K为每帧中对应每个支路的非信息比特数；

G为每帧中对应每个支路的信息比特数。

则有：

a、帧长LF

帧长表示每帧中信息比特与非信息比特的总和为

LF＝m（G+K）（式5-1）

b、帧频fF

帧频fF表示每单位时间内的帧数，

（式5-2）

c、标称码速调整速率fs（fi）

标称码速调整速率fs也称为标称插入速率，是当支路速率与复接速率都等于标称值时，插入的调整比特的速率。

（式5-3）

d、每支路最大码速调整频率fsMAX。

或

（式5-4）

式中IV是每帧每支路可用于码速调整的比特数。

e、标称码速调整比S

S是标称码速调整速率与每支路最大调整速率之比：

（式5-5）

f、正码速调整的基本关系式

由（式5-1）得：

（式5-6）

由（式5-5）得：

（式5-7）

将式（3.7）代入式（3.6）可得：

（式5-8）

式（3-8）就是正码速调整的基本关系式，其中，支路比特速率fL、复接比特率fb和支路数m都是已知量。

帧长LF对应每个支路的非信息比特数K及标称码速调整比S是基本设计量。

在这三个设计量中通常取帧长LF做自变量。

每取一个LF值即可按基本公式求得左端的数值，该数值的整数部分就是K值，小数部分就是S值。

分接端的原理框图如图3所示。

图8、解固定速率时分复用框图

分接器：

把输入信号分接成4路，分路送入缓冲存储器。

数字锁相环：

从输入信号中提取定时信息，为其他模块提供时钟。

帧同步码提取：

为分接器提供帧同步信号

视频信号的带宽为0～6Mhz相对于语音信号的0～3Khz来说宽了许多。

5.2.3PN序列光纤传输系统

PN码也称伪随机序列。

它具有近似随机序列（噪声）的性质，而又能按一定规律（周期）产生和复制的序列。

因为随机序列是只能产生而不能复制的，所以称其是“伪”的随机序列。

常用的伪随机序列有m序列、M序列和R－S序列。

本实验系统是采用的m序列作为伪随机序列。

m序列即长线性反馈移位寄存器序列的简称。

带线性反馈逻辑的移位寄存器设定各级寄存器的初始状态后，在时钟触发下，每次移位后各级寄存器状态会发生变化。

观察其中一级寄存器（通常为末级）的输出，随着移位时钟节拍的推移会产生一个序列，称为移位寄存器序序列。

可以发现，移位寄存器序列是一种周期序列，其周期不但与移位寄存器的级数有关，而且与线性反馈逻辑有关。

本实验系统采用了如下的逻辑关系：

PN序列的波形如下：

光端FPGA模块中有两路PN序列输出，其中TP720是7位32Kbit/s的NRZ码，TP718是15位256Kbit/s的NRZ码。

6.设计结果及其分析

6.1整体实物连线图

图10、整体实物连线图

6.2两路语音信号的波形

从电话甲和乙模块输入与输出的信号都是模拟信号，波形大致如下：

没有通话波形：

图11、两路语音信号没有通话波形图

通话状态波形：

图12、两路语音信号通话状态波形图

经过PCM编码后的波形成了脉冲信号，波形大致如下：

分析：

通过使用示波器测量各个点的信号可以知道，在电话的通信过程中，电话模块中输出和输入的模拟信号的幅度会伴随着通话波动，而经过PCM调制后，脉冲信号伴随通话有一些颤动，波形亮度会有一点点的变化。

PCM通信系统发送端通常由抽样、量化和编码三部分组成,其中量化和编码共同完成模拟到数字信号的转换。

模拟信号进过PCM编码后就成了脉冲信号，也就是数字信号了，在接收端进过PCM解码，又将数字信号转换到模拟信号，然后送到电话机中。

6.3四路数字信号源波形图

4路数字信号通过变速率的时分复用，然后进行HDB3的编译码和扰码和CMI的编译码，最终进入到接收端，可以看到接收端收到了发送端所发送的数据，下面是4路数字信号的波形图：

图13、四路数字信号源波形图

图14、CMI编码后信号波形

分析：

四路数字信号通过固定速率的时分复用后进入hdb3编码模块，然后进入光端的hdb3译码，再经过扰码编码和CMI编码，送光纤发送端发送。

然后经过发送端响应的译码模块译码，就能够解复用出原始信号。

hdb3编码是改进型的AMI编码，AMI码是用交替极性的脉冲表示码元“1”，用无脉冲表示码元“0”。

而hdb3编码就是为了防止信号中出现长时间的饿无脉冲状态，hdb3是一种4零取代法编码，当出现4个或以上的零时，则视情况将第一个零变为“0”或“1”来，同时保证数据电平仍然就有翻转的特性。

在接收端，如果相继接收到两个极性相同的“1”，它的前面有3个连续的“0”，则将后一个“1”改为“0”，如果它的前面有2个连续的“0”，则将前后两个“1”改为“0”，这样就恢复了原来的数据信号。

从上面波形中可以看出，译码后的数据波形相对于编码后的波形有几个周期的滞后，这是由于硬件上的处理所导致的，但可以看出经过译码后的波形与编码前的波形相同，说明信号可以被完全恢复出来。

6.4视频输出图像

图15、视频输出图像

分析：

通过调节实验箱上模拟信号输入端旋钮，控制模拟信号的输入，同时调节信号接收端的旋钮使视频信号达到最清晰。

从画面的质量可以看出，发送端发送的图像信号在接收端被很好的恢复出来了。

从上面的图像中可以看出，图像信号（模拟信号）能够很好的通过光纤传送到接收端，同时4路数字信号也通过波分复用在在光纤中传输。

6.5两台计算机之间的RS232通信

图16、计算机甲的数据传送图

图17、计算机乙的数据传送图

分析：

从上面两幅图中，可以看到两台计算机的数据能够通过正常进行。

发送端发送的数据能够在接收端很好的恢复回来。

说明数字信号能够在实验系统中经过一系列的编码、译码，然后通过光纤进行波分复用传送到接收端，再经过一系列的译码，进入计算机串口，通过串口助手显示出来。

7.收获及体会

通信系统课程设计成功的完成了，在本次课程设计的过程中，整个过程都是很困难的，原因就是因为先前对光纤通信的原理学习得不够深入，没有能够从真正意义上了解光纤通信，同时也反应了自己对通信原理方面的知识不够了解，很多的编码的实现以及功能，和有点都不知道，而且连基本的实现方法都忘记掉了，所以说这条路上是一路艰辛，困难重重。

不懂原理就不会知道一个信号进入编码模块后，应该会有一个什么样的信号输出。

也不知道怎么去排除问题。

什么是时分解复用原理我都不知道，后来通过网上资料的查询才知道，原来时分复用与解复用是为了提高信道利用率，使多路已抽样的信号组合起来沿同一信道传输而互相不干扰，称时分多路复用（TDM）。

时分复用的解调过程称为时分解复用。

目前采用较多的是频分多路解复用和时分多路解复用。

时分解复用的电路原理就是先通过帧同步信号和位同步信号把各路信号数据分开,然后通过移位寄存器构成的并/串转换电路输出串行的数据，把时分复用的调制信号不失真的分离出来。

这个我就在课程设计的时候中遇到了，在做4路数字信号的传输的时候，在进行扰码编码时就发现没有信号输出，想了好久也不知道是怎么回事，开始以为是系统的硬件问题，后面经过老师的知道发现，并不是硬件的问题，而是自己有一个时钟信号没有接上，导致系统不能够正常的工作，所以没有波形的输出。

在后面的接收端也存在同样的问题，经过光纤传输后，CMI译码模块没有输出，接上时钟信号后，波形就出来了。

这里的一个很关键的地方在于系统没有同步信号，从而不能完成响应的编译码工作，可见在数字通信系统中定时（同步）信号是多么的重要。

只有在系统获得正确的同步信号后，系统才能够将数据在接收端恢复出来。

通过这个课程设计，我真的学到了很多的知识，那就是在问题出现的时候应该如何去分析和解决问题。

在数据传送的调试过程中，很多的点都会出现没有信号的现象，出现了问题并不可怕，关键是如何去解决这些问题。

当一个点没有信号时候，我们可以采用源端分析的方法进行逐步排查，直到检查出故障所在；也可以采用从故障点向上分析，找到出故障的点，然后分析是调试问题、线路问题还是设备的问题。

这种分析和解决问题的方法在以后的工作和生活中都是很有用的。

最后，我要感谢廖老师，没有您的耐心辅导，我是不可能完成本次课程设计的。

您的敬业精神也是我这次课程设计的所得，以后我走上工作岗位后，也要以您的敬业精神为榜样，认真做好自己的工作。

四、评分表

计算机与通信学院课程设计评分表

课题名称：

通信系统综合实验

项目

评价

设计方案的合理性与创造性

设计与调试结果

设计说明书的质量

答辩陈述与回答问题情况

课程设计周表现情况

综合成绩

教师签名：

日期：