光纤实验指导书.docx
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光纤实验指导书
《光纤通信》实验指导书
曹德明李有富编著
三亚学院理工分院电子实验中心
二00九年八月二十五日
目录
光纤通信系统简介-3-
光纤实验箱使用注意事项-6-
实验一用户电话接口实验-8-
一、实验目的-8-
二、实验内容-8-
三、实验仪器-8-
四、实验原理-8-
五、实验步骤-13-
六、实验结果（实验记录）-14-
七、问答题-14-
实验二E1标准帧信号复用解复用实验-15-
一、实验目的-15-
二、实验内容-15-
三、实验仪器-15-
四、实验原理-15-
五、实验步骤-18-
六、实验结果（实验记录）-19-
七、思考问答题答案-19-
实验三光纤通信系统线路码型CMI编译码实验-20-
一、实验目的-20-
二、实验内容-20-
三、实验仪器-20-
四、实验原理-20-
五、实验步骤-23-
六、实验结果（实验记录）-24-
七、问答题-24-
实验四电话光纤传输系统实验-25-
一、实验目的-25-
二、实验内容-25-
三、实验仪器-25-
四、实验原理-25-
五、实验步骤-27-
六、实验结果（实验记录）-27-
七、思考问答题答案-27-
光纤通信系统简介
光纤是光导纤维的简称。
光纤通信是以光波为载频，以光导纤维为传输媒质的一种通信方式。
光纤通信使用的波长在近红外区，即波长800～1800nm，可分为短波长波段（850nm）和长波长波段（1310nm和1550nm），这是目前所采用的三个通信窗口。
光纤通信是人类通信史上一重大突破，现今的光纤通信已成为信息社会的神经系统，其主要优点是：
1、光波频率很高，光纤传输频带很宽，故传输容量很大，理论上可通过上亿门话路或上万套电视，可进行图像、数据、传真、控制、打印等多种业务；
2、不受电磁干扰，保密性好，且不怕雷击，可利用高压电缆架空敷设，用于国防、铁路、防爆等；
3、耐高温、高压、抗腐蚀，不受潮，工作十分可靠；
4、光纤材料来源丰富，可节约大量有色金属（如铜、铝），且直径小、重量轻、可绕性好。
光纤通信系统主要由三部分组成：
光发射机、传输光纤和光接收机。
其电/光和光/电变换的基本方式是直接强度调制和直接检波。
实现过程如下：
输入电信号既可以是模拟信号（如视频信号、电话语音信号、正弦波或三角波信号），也可以是数字信号（如计算机数据、PCM编码信号、数字信号源信号）；调制器将输入的电信号转换成适合驱动光源器件的电流信号并用来驱动光源器件，对光源器件进行直接强度调制，完成电/光变换的功能；光源输出的光信号直接耦合到传输光纤中，经一定长度的光纤传输后送达接收端；在接收端，光电检测器对输入的光信号进行直接检波，将光信号转换成相应的电信号，再经过放大恢复等电信号处理过程，以弥补线路传输过程中带来的信号损伤（如损耗、波形畸变），最后输出和原始输入信号相一致的电信号，从而完成整个传送过程。
它包含了光纤通信系统设备中的各个主要组成部分，具体由以下十三个模块组成。
其印刷电路板布局图如图0-2所示，每个模块均留出了关键的测试孔和测试钩，利于客户连线做系统实验以及测试用。
图0-2ZY12OFCom23BH1型光纤通信原理实验箱布局图
1、电源模块：
提供实验箱各模块电源。
2、串口通信模块：
主要用来实现实验箱与计算机之间的数据通信。
3、PCM编译码模块：
实现PCM编译码的功能。
4、电话信令控制模块：
实现电话之间的热线接续和控制功能。
5、模拟信号源模块：
用于产生系统实验所需的模拟正弦波、方波信号。
6、数字信号源模块：
产生系统实验所需的数字信号及24位伪随机码，速率为64KB/s,其中各种数字信号和伪随机码的制可以通过拨码开关来控制。
7、数字终端模块：
实现终端数字信号值的显示和读出，数据的值通过二极管发光来显示。
8、电终端模块：
实现帧同步码的产生，M序列伪随机信号的产生，不同速率的信号的复用和解复用，HDB3码的编译码。
9、光终端模块：
实现光纤线路码的码型的编译码，比如5B6B、5B1P、5B1C、CMI、扰码和解扰码。
10、1310nm光发送模块：
实现模拟信号、数字信号在1310nm光发送机中的光传输及自动光功率控制功能（采用电路来实现）。
11、1550nm光发送模块：
实现模拟信号、数字信号在1550nm光发送机中的光传输及自动光功率控制功能（采用专用芯片来实现）。
12、1310nm光接收模块：
实现1310nm光纤传输信号的接收，实现接收信号光电转换，滤波及放大，将其恢复为标准的电脉冲数据信号
13、1550nm光接收模块：
实现1550nm光纤传输信号的接收，实现接收信号光电转换，滤波及放大，将其恢复为标准的电脉冲数据信号
客户可以通过上述十三个模块以及相应的配件，灵活组成各种不同光纤通信系统，如：
850nm波长光纤通信系统、1310nm波长光纤通信系统、1550nm波长光纤通信系统；同时也可以组成单模光纤通信系统、多模光纤通信系统；模拟光纤通信系统、数字光纤通信系统；时分复用传输系统和波分复用传输系统等光纤通信工程中常用的绝大多数光纤通信系统。
实验系统基本组成方框图如图0-3所示：
图0-3光纤传输实验系统方框图
实验系统主要由光发模块、光收模块、光无源器件和辅助通信模块等组成。
光发端机完成将电信号直接调制至光载波上去，采用强度调制（IM）；光接收机完成光信号的解调，采用直接检测（DD），属于非相干解调。
光载波由半导体光源产生，由半导体光检测器将光信号转换成电信号从而达到传输信号的目的。
本实验系统可以完成模拟信号（正弦波、三角波、视频信号、音频信号）的光纤传输，也可以完成数字信号（NRZ码、CMI码、5B6B码、5B1C码、5B1P码、计算机串口数据）的光纤传输，也可以对系统的传输性能进行测试（系统的误码率、误码扩散系数等）；可以实现接口码型HDB3、线路码型CMI、电终端PCM码型的编译码；也可实现四个时隙的复接、两个光波长的波分复用、时钟提取、帧信号的提取等实用先进功能；也提供了丰富的资源，以实现二次开发实验。
实验设备的具体性能指标如下：
1、电源模块输出：
+5V、+12V、-5V、-12V、-48V
2、方波信号输出
（1）时钟信号：
32.768MHz，12.000MHz
（2）方波信号：
2.048MHz，256KHz，64KHz，8KHz
（3）数字基带信号：
码速率分别为2.048MHz,256KHz，64KHz
（4）频率输出误差：
≤±1%
（5）占空比:
50%。
3、正弦波信号输出
（1）正弦波信号：
2KHz，1KHz.，444Hz，25Hz，
（2）频率输出误差：
≤±1%
（3）幅度0~5V连续可调
4、三角波信号输出
（1）三角波信号:
2KHz，1KHz
（2）频率输出误差：
≤±1%
（3）幅度：
0V~5V连续可调
5、数字、模拟电话
（1）话音质量要求：
话音质量要求清晰，只允许有少量的脉冲噪声。
（2）其它指标无要求。
光纤实验箱使用注意事项
光学器件属于昂贵易损器件，所以在实验操作过程中应加倍小心，防止光学器件的损坏，为了保证实验顺利地进行，请注意以下事项：
1、请仔细阅读实验指导书操作步骤后开机实验，实验各测试点、跳线及开关说明请参考附录
，正确连接导线，以免造成光学器件和芯片的损坏。
2、上电后不可随意用手碰触芯片，尤其是管脚部分。
3、实验箱使用过程中应有防静电措施，以防静电损坏光学器件。
4、光学器件属于昂贵器件，在安装和拆卸过程中请注意轻拿轻放，遇到问题须及时向老师报告。
5、实验时不可将光纤输出端对准自己或别人的眼睛，以免损伤眼睛。
6、实验箱使用完毕后，请把电流调节，幅度调节的开关逆时针旋到最小，请立即将防尘帽盖住光纤输入、输出端口，用光纤端面防尘盖盖住光纤跳线端面，防止灰尘进入光纤端面而影响光信号的传输。
7、若不小心把光纤输出端的接口弄脏，需用酒精棉球进行清洗。
8、光纤跳线接头应妥善保管，防止磕碰，使用后及时戴上防尘帽。
9、不要用力拉扯光纤，光纤弯曲半径一般不小于30mm，否则可能导致光纤折断。
10、进行光纤传输实验时，半导体激光器驱动电流不要超过40mA，发光二极管驱动电流不要超过60mA。
11、不要用手触摸激光器和探测器的焊点，以免烧坏激光器与探测器。
12、本箱使用的地点应有相应防尘措施，若条件允许则应配套防尘服、防尘鞋等，避免由于灰尘进入实验箱而造成的测量误差和光器件的损坏。
实验一用户电话接口实验
一、实验目的
1．掌握用户电话接口电路的主要功能
2．了解实现用户接口电路功能芯片Am79R70的主要性能和特点
二、实验内容
1、掌握用户线接口电路的主要功能
2、了解Am79R70的结构和工作原理
3、了解电话接续的原理及其各种语音控制信号的波形
三、实验仪器
1．ZY12OFCom23BH1型光纤通信原理实验箱1台
2．20MHz双踪模拟示波器1台
3．电话机2部
4．连接导线20根
四、实验原理
1、用户线接口电路功能及其作用
在现代通信设备与程控交换中，由于交换网络不能通过铃流、馈电等电流，因而将过去在公用设备（如绳路）实现的一些功能放到“用户电路”来实现。
在程控交换机中，用户电路也可称为用户线接口电路（SubscriberLineInterfaceCircuit—SLIC）。
根据用户电话机的不同，用户接口电路可分为模拟用户电话接口电路和数字用户电话接口电路。
模拟用户电话接口电路与模拟电话相连，数字用户电话接口电路和数字终端相连（如ISDN），而在此实验箱中采用模拟用户电话接口电路。
模拟用户线接口电路在实现时最大的压力应是能承受馈电、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、继电器等分立元件构成，但随着微电子技术的发展，各种集成的SLIC相继出现，他们大都采用半导体工艺或是薄膜、厚膜会合工艺，性能稳定，价格低廉，已实现了通用化。
在程控交换机中用户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。
具体含义是：
1、馈电（B-Batteryfeeding）：
向用户话机馈送直流电流。
通常要求馈电电压为-48V，环路电流不小于18mA。
2、过压保护（O-Overvoltageprotection）：
防止过压过流冲击损坏电路和设备。
3、振铃控制（R-RingingControl）：
向用户话机馈送铃流，通常为25Hz/75Vrms正弦波。
4、监视（S-Supervision）：
监视用户线的状态，检测话机摘机、挂机与拨号脉冲灯信号已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。
编译码通常采用PCM码的方式，其编码器（Coder）和译码器（Decoder）统称为CODEC。
相应的防混叠与平滑低通滤波器的带宽范围为：
300Hz~3400Hz，编码速率为64Kb/s。
6、混合（H-Hybird）：
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发送和接收数字四线信号之间的分离。
7、测试（T-Test）：
对用户电路进行测试。
模拟用户接口电路的结构如图所示：
图1-1模拟用户接口电路框图
2、用户线接口电路
在本实验箱中，用户线接口电路芯片选用Legerity公司生产的模拟用户线接口芯片Am79R70。
Am79R70是一种功能较强的用户线接口芯片，它拥有用户接口电路常用的7种功能外，还拥有电流限制、挂机传输、极性反转和环路检测等功能。
其内部电路结构原理框图如下：
图1-2Am79R70内部功能模块图
其中Am79R70需要VCC，VEE，VBAT1，VBAT2四种电源电压。
其中VCC为+5V，VEE为-5V，此电压可由Am79R70内部的负电压调整可得。
VBAT2的电压幅度范围为-19～-48V，VBAT1的电压幅度范围为-40～-67V，标准值为-48V。
振铃、环路状态检测的功能主要通过控制字输入端C3，C2，C1及摘挂机检测输出端/DET来控制，当C3C2C1输入为001时，Am79R70处于振铃模式，当C3C2C1输入不是001时，Am79R70进入其他工作模式，同时使与其相连的话机振铃截止。
当C3C2C1输入为010时，话机处于通话状态。
Am79R70的/DET脚的输出可以指示用户的摘挂机状态，当用户摘机时，Am79R70的/DET脚输出低电平，挂机时输出高电平。
其工作过程如下：
当用户1摘机时，与它相连的Am79R70的/DET脚输出低电平，以向中央控制处理单元指示用户1已经摘机。
此时中央控制处理单元向用户1的Am79R70的控制端C3C2C1输出010使其处于通话连接状态，同时对用户1的摘机的信息进行处理。
在通话连接状态下，用户的信息经过Am79R70的两线接口及信号传输模块可以直接输出到编解码芯片和收发器。
中央控制单元根据用户1的所拨的号码定位到用户2，并向与用户连接的Am79R70的控制端输出001，以使得用户2所连接的Am79R70处于振铃状态。
在振铃状态下，Am79R70将铃流电路产生的RV通过RINGIN脚输入到Am79R70内，经内部放大后通过两线接口模块输出到用户线，使得用户2的电话机振铃。
当用户2摘机后，它相连的Am79R70的/DET脚输出低电平，以向中央控制处理单元指示用户2已经摘机。
此时中央控制处理单元向用户2的Am79R70的控制端C3C2C1输出010使其处于通话连接状态，同时停止振铃。
这样，用户1和用户2就可以通过Am79R70进行通话。
3、用户接口电路的电路原理图
用户接口电路和电话接续实验将主要完成振铃、回铃、忙音、摘挂机监测、电话传送语音信号测试等功能。
此部分实验需要结合电话信令控制模块来完成，电话信令控制模块主要用产生忙音、回铃、振铃控制等信号来完成电话之间的接续功能。
用户接口电路的原理图如下：
图1-3用户接口电路原理图
用户接口模块的基本原理：
用户接口模块主要由Am79R70及相应的一些外接电路组成，用户话机是通过电话接头内的TI、RI（即图中的J3）与系统相连，二极管D1主要用来完成摘挂机的检测功能，当两部电话中的任何一部电话摘机时相应的二极亮表示处于摘机状态。
测试钩TP4,TP5主要用来测试本方话机的输入和输出模拟信号。
在这里，输入的信号可以是以下几种类型的信号：
3.1来自PCM模块的话音信号。
3.2来自信令控制模块的各种音信号（回铃、振铃、忙音信号）。
信令控制模块主要通过对两部电话的状态检测来产生各种控制信号，如回铃信号、忙音信号、振铃信号，以完成两部电话之间的热线接续功能。
其中热线呼叫的流程图如下：
开始
有用户呼叫吗？
NO
呼叫
YES
被叫闲吗
NO
YES
来话接续
向主叫送忙音
主叫挂机吗？
向被叫送振铃，向主叫送回铃音
NO
被叫应答吗？
NO
YES
应答
YES
停送铃流，停回铃音，接通电路
NO
话端挂机吗
挂机
拆线（释放复原）
开始
五、实验步骤
1、用连接线连接电终端模块的T66（C_O）和T71（C_I），T65（D_O）和T69（D_I），分别接好两部电话机。
2、将PCM编译码模块的开关K1，K2，K3，K4和K5分别拨向下。
3、将电终端模块拨码开关K35的值拨为“0000”，拨码开关K34的值拨为“00000000”。
4、打开交流电源，电源指示二极管D4，D5，D6，D7，D8亮
5、用示波器测量电话信令控制模块测试钩TP9（25HZ）和TP11（450HZ）的波形，调节电位器W2使得TP9（25HZ）为频率25HZ的方波，调节电位器W7使得TP11（450HZ）为频率450HZ的正弦波，通过电位器W1调节使得450H正弦波的峰-峰值为1V左右，不能过大。
a、电话的摘挂机状态测试
将电话接口1所连接的电话摘机，此时二极管D1发光，同时另一部电话发出振铃信号。
此时用示波器探头测量电话信令控制模块测试钩TP15（XL1）的波形，其波形应为频率8KHz，占空比为15%的周期性信号。
将两部电话分别摘机，观测此时TP15（XL1）信令的变化。
用示波器测量TP16（XL2），其为电话接口2模块电话机的信令信号测试点。
测试完成后，将两部电话挂机。
b、电话振铃，回铃信号测试
将电话接口1模块的电话摘机，用示波器探头测量测试钩TP7（HUILING）回铃信号的波形，观察其波形的特点，并进行分析；
用示波器探头测量测试钩TP21（RING2）的波形，将其记录下来分析：
将电话接口1的电话挂机，同时将电话接口2模块的电话摘机，测量TP7（HUILING）和TP22（RING1）的波形，并对其进行分析。
c、电话话音信号传输及信令信号传输功能测试
将两部电话同时摘机，用话机的听筒听对方话机传来的拨号音，同时利用示波器探头来测量TP4（RX1）和TP24（TX2）、TP5（TX1）和TP23（RX2）的波形，对比电话1和电话2之间的接收和发送信号波形。
将电话进行按键，观察不同按键时电话发送信号和接收信号的变化。
用示波器探头测量测试钩TP15（XL1）和TP16（XL2）的波形，通过对比观测两者之间的区别。
测量测试钩TP17（YIN1）和TP20（YIN2）的波形，分别在振铃（即一部电话摘机，另一部挂机）、接通（两部电话同时摘机）和忙音（一部电话摘机，一部电话挂机）三种状态下测量，记录下其波形。
d、忙音信号测试
将接通好的两部电话中的任意一部挂机，用示波器测量测试钩TP6（MYIN）的波形，并画出其波形。
6、关闭交流电源，拆除各个连线，将实验箱还原。
六、实验结果（实验记录）
七、问答题
1、电话接口电路的主要功能是什么，除了AM79R70之外，你还知道那些芯片可以实现用于接口电路的功能?
2、测试钩TP17（YIN1）和TP20（YIN2）的波形在三种状态下分别不同，其三种波形分别是什么信号的波形?
实验二E1标准帧信号复用解复用实验
一、实验目的
1．了解32路的TDM的帧组成结构及其原理
2．了解E1标准帧信号的形成过程
3．观察随时隙变化的帧信号的波形
二、实验内容
1、E1标准帧结构观察
2、帧内话音PCM编码信号观测
3、帧内信令信号观测
4、第二路PCM码信号跳时隙观测
5、解复接后数据输出测量
三、实验仪器
1．ZY12OFCom23BH1型光纤通信原理实验箱1台
2．20MHz双踪模拟示波器1台
3．电话机2部
4．连接导线20根
四、实验原理
1、E1标准帧结构的组成及其原理
在数字传输系统中，所有的数据业务均以一定的格式进行传输，因此在把信号送入传输信道前需要对信号进行包装，这种对信道上
的业务数据进行包装的过程称为帧组装或帧形成。
时分复用（TDM）制式的数字通信系统，已经在国际上建立起了一系列的标准并广泛应用，在时分复用系统中，周期性的将时间分成许多称为时隙的时间间隔。
每路信号周期性的占用一个指定的时隙，各路信号的传输时间分配在不同的时间间隙中，数据信号可以独立的、互不干扰的在一个时隙传输。
E1标准系统也称PCM30/32路系统，是我国规定采用的数字复接系列E系列中的1次群。
其基本的帧结构示意图如下：
图2-1PCM30/32基群帧结构
因为语音信号的抽样频率为8KHz，所以帧长度Ts=1/8KHz=125us。
一帧分为32个时隙，其中30个时隙供30个用户（30路电话）使用，即TS1~TS15和TS17~TS31为用户时隙。
因为采用的是13折线A律编码，因此所有的时隙都采用8位二进制码。
TS0时帧同步时隙，TS16是信令时隙。
帧同步码组为*0011011，它是在偶帧中TS0的固定码组，接收端根据此码组建立正确的路序，即实现帧同步。
其中第一位码元“*”供国际通信使用。
奇帧中TS0不作为帧同步用,供其他用途。
TS16用来传送话路信令，完成话路的接续。
由以上帧结构，我们可以根据
计算而得到PCM30/32系统的传码速率为：
Rbp=fS×n×N=8000×32×8=2.048MB。
式中fs为抽样频率，n为一帧中所含的时隙数，N为一帧中所含的码元数，因其传送的是二进制码元，所以该系统的传信率为2.048Mb/s。
在此实验箱中，E1复接信号的传输采用了标准的TDM帧格式：
定长组帧、帧定位码与信息格式。
一帧有32个时隙，每8位为一组分成了一个个的固定时隙，各时隙依次为TS0、TS1、TS2…TS30、TS31。
其中TS0为帧定位码，采用具有良好的相关性的巴拉克码“01110010”，TS16位为信令时隙，传送的是两部电话之间通话的信令信号，时隙TS1为第一路PCM码信号（U2（TP3067）经过编码的PCM码信号），而其余的TS2、TS3…TS15、TS17…TS31可以经过拨码开关的设置来选择传送第二路PCM（U03经过编码的PCM码信号）码信号，即通过拨码开关的不同组合选择不同的时隙来传送，这样设计的目的在于通过对选择不同时隙时复接后不同信号的观察，从而加深E1标准帧结构和时隙概念的理解。
E1标准帧信号的工作原理框图如下：
图2-2复接解复接原理框图
其中拨码开关K35用来选择复接时钟的频率（2.048MHz或是256KHz），复接时的数据来源（由拨码开关产生或是语音信号经过编码后的PCM信号）等。
拨码开关K34主要用来选择传送第二路PCM（U03经过编码PCM码信号）码信号的时隙和解复用时码型的选择（HDB3或是NRZ），具体的拨码开关各位的功能如下：
表2-1拨码开关K35各位功能表
表2-2拨码开关K34各位功能表
需要说明的是在E1标准帧形成时开关K35的第1位必须为“1”，即复用后的码速率为2.048MHz，在第4位为“1”时选择跳时隙需要结合开关K34的1-5位来实现，例如开关K34的1-5位为“00011”时，说明第二路PCM码所处的时隙位置为第24个时隙，K34的1-5位为“11000”时，说明第二路PCM码所处的时隙位置为第3个时隙。
需要注意的是在复用后，时隙TS0固定为帧同步码所处时隙，TS1固定为第一路PCM码信号所处时隙，TS16固定为信令信号所处时隙。
因此，第二路PCM码信号所能选择的时隙只能是处在以上时隙以外的时隙。
五、实验步骤
1、用连接线连接电终端模块的T66（C_O）和T71（C_I），T65（D_O）和T69（D_I）,T65（D_O）和T12；
连接电终端模块和数字终端模块的T70（D1_O）和T88（D1_I），T72（D2_O）和T75（D2_I），T73（D3_O）和T74（D3_I）。
分别接好两部电话。
2、将拨码开关K35的值拨为“1000”。
3、打开交流电源开关，电源指示二极管D4，D5，D6，D7，D8亮。
4、将两部电话同时摘机
a、E1标准帧结构观察
将拨码开关K34的值拨为“00000000”。
用示波器探头测量TP87（TEST1）处的波形，观察E1标准帧的结构，分别根据实验的原理找出帧同步
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