光纤实验指导书版.docx

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光纤实验指导书版

光纤通信

实验指导书

计算机与通信学院

实验数字信源及HDB3编译码实验

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。

3、掌握AMI、HDB3码的编码规则。

4、掌握从HDB3码中提取位同步信号的方法。

5、了解HDB3（AMI）编译码集成电路CD22103。

二、实验内容

1、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）及它们的对应关系。

2、用示波器观察传号交替反转码（AMI）、三阶高密度双极性码（HDB3）。

3、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。

4、用示波器观察HDB3、AMI译码输出波形。

三、基本原理

本实验使用数字信源模块和HDB3编译码模块。

1.数字信源模块

本模块是整个实验系统的发送端，本单元产生NRZ信号，信号码速率约为170.5KB，帧结构如图1-1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，熄灭状态表示0码。

本模块有以下测试点及输入输出点：

CLK晶振信号

BSOUT信源位同步信号输出

FSOUT信源帧同步信号输出

NRZ-OUTNRZ信号输出

图1-1数字信源帧结构

2.HDB3编译码模块

电原理图如图1-2所示。

本单元有以下测试点及输出点：

NRZ译码器输出信号

HDB3OUT编码器输出信号

HDB3IN译码器输入信号

本模块上的开关用于选择码型，开关位于H端选择HDB3码的编译码，开关位于A端选择AMI码编译码。

HDB3码和AMI码的编码输出点都在HDB3OUT，译码输入点都在HDB3IN。

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1-2HDB3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1-3所示。

图1-3NRZ、AMI、HDB3关系图

分析表明，AMI码及HDB3码的功率谱如图1-5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1-4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1-4AMI、HDB3、RZ|τ=0.5TS频谱

四、实验步骤

1.数字信源模块实验

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

数字信号源单元FS

数字信号源单元NRZ

数字信号源单元BS

2.HDB3编译码模块

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HDB3OUT，

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码时将开关置于A端，观察HDB3码时将开关置于H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

（拨到H端）

（AMI）HDB3编译码单元HDB3-OUT

（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

（拨到H端）

（AMI）HDB3编译码单元HDB3-OUT

（拨到A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

（拨到H端）

（AMI）HDB3编译码单元HDB3-OUT

（拨到A端）

（3）将K1、K2、K3置于任意状态，CH1接NRZ-OUT，CH2分别接HDB3OUT、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，接收到的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.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。

六、实验仪器

示波器

实验二数字信号（模拟信号）电→光、光→电转换传输实验

一、实验目的

1、了解数字光纤系统的通信原理。

2、掌握各种数字信号、模拟信号的传输机理。

3、初步了解完整光纤通信系统的基本组成结构。

二、实验内容

1、波器观察各传输信号的波形。

2、实验系统中提供的各种信号进行光传输实验，有不同频率的正弦信号、三角波和HDB3码、70KHz方波、NRZ码、CMI码等。

三、基本原理

★光发送模块

该部分的原理方框图如图2-1所示。

1310nm/1550nmFP腔同轴激光二极管器件特性

★MQW结构1310nm/1550nmFP腔激光二极管

★-40°C至85°C工作温度

★高工作温度，无需制冷器

★内置背光检测激光二极管

★光检测模块

光接收电路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。

它主要由光检测模块、滤波放大两模块组成，其结构框图如图2-2所示。

光检测模块PHPC-1S01-PFC是PHOTRON公司的高性能光检测器件，它将获得的光信号转变成微弱的模拟电信号，经内部低噪声放大后缓冲输出，输出可从DC到1GHz。

1.模拟信号电→光、光→电转换传输实验

本次实验主要完成各种不同频率的模拟信号的光纤传输，本次实验所用到的模拟信号主要是标准正弦信号、三角波和HDB3码。

其实验框图如图2-3所示。

图2-3模拟信号光纤传输方式一

2.数字信号电→光、光→电转换传输实验

本次实验主要完成各种数据的光纤传输，本次实验所用到的数字信号主要有：

170KHz方波、NRZ码、CＭI码。

各信号的详细介绍及各组成部分电原理图请参看前面实验的讲解。

各信号的光纤传输示意图分别如图2-4所示。

图2-4NRZ码光纤传输示意图

四、实验步骤

基本测量点与信号调节

光发射电流的测量：

跳线I_measureJ1为光发射二极管的发射电流测量点，平时J1处于短接状态，请勿将跳线拔出。

。

输入信号的衰减：

对于模拟信号，模块对信号的要求是其幅度小于等于1Vp-p，当幅度过大时，就会造成信号失真。

电阻R16为输入模拟信号的衰减调节，即调节输入模拟信号的幅度，使其在1Vp-p的范围内。

防止信号的饱和失真，在调节的同时用示波器观察J1上的波形，直至波形不失真为止。

光发射电流的调节：

用光功率计测量光纤输出光的功率：

调节可调电阻R29，改变注入电流，观察光功率计的变化。

将光纤慢慢从激光器件中抽出，观察光功率计的变化。

总结输入信号幅度的大小及注入电流对光功率的影响。

（一）模拟信号电→光、光→电转换传输实验

1.认真阅读光器件操作说明。

2.熟悉光发送模块和光接收模块的工作原理及结构组成，了解半导体激光器件PHLC-XXX-R和PHPC-1S01-PFC性能及在操作上应注意的事项。

3.打开系统电源，观察电源指示灯是否正常。

用示波器检测标准信号源的输出三角波和正弦波的输出是否正常。

关闭系统电源，用实验导线把标准信号源的正弦输出端与光发送模块的，模拟输入T1相连接，检查光发送模块的切换开关S1是否拨向模拟状态，同时检查模块电源开关是否处于开启状态，接通系统电源，用示波器观察J1点的波形及电压，是否处于正常状态，正常状态时，此点的波形应该与输入点的波形同相，只是幅度变小。

4.对于HDB3信号的光纤传输及译码，观察译码后的波形测试点：

（AMI）HDB3编译码模块的NRZ，与数字信号源模块的NRZ波形相比较。

实验各点波形图参见图HDB3码的光纤传输。

检测点

波形（对应数字码元）

11110000101011110

数字信号源模块的NRZ点

光发送输入单元

ANALOGT1点

光接收输出单元

ANALOGT4点

（AMI）HDB3编译码模块的NRZ点

HDB3码的光纤传输

注意：

HDB3码的光纤传输中由数字信号源单元提供的数字码元为111100001010111100001010。

读者据此可判断出HDB3编码、译码与原码的对应关系。

（二）数字信号电→光、光→电转换传输实验

1.熟悉光发送模块和光接收模块的工作原理及结构组成，了解半导体激光器件PHLC-XXX-R和PHPC-1S01-PFC的性能及在操作上应注意的事项。

2.打开系统电源，观察电源指示灯是否正常。

用示波器检测数字信号源的NRZ、BS输出是否正常。

3.关闭系统电源，用实验导线把数字信号源的BS输出端与光发送模块的数字输入T2相连接，检查光发送模块的切换开关S1是否拨向数字状态，同时检查模拟电源开关是否处于开启状态，接通系统电源，用示波器观察J1点的波形及电压，是否处于正常状态，正常状态时，此点的波形应该与输入点的波形同相，且幅度变小。

4.若J1点的信号电平正常，用示波器观察接收电路输出端口DIGITAL_OUT的波形，并与光发送输入端波形相比较。

参见图BS信号在光纤传输前后的比较

检测点

波形

数字信号源单元BS点

1310nm光纤收发模块光接受输出单元数字输入T4

BS信号在光纤传输前后的比较

5.对于NRZ信号的光纤传输，输出观测点是光接收输出单元DIGITALT4点。

波形参见图NRZ信号在光纤传输前后的比较。

检测点

波形

数字信号源单元NRZ点

1310nm光纤收发模块光接受输出单元DIGITALT3点

NRZ信号在光纤传输前后的比较

五、实验报告

整理实验记录，画出相应的信号波形。

六、实验仪器

示波器，光功率计