13《光纖通信》實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、光纖通信實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書主編 和玉梅校對 審核 西北第二民族學(xué)院電子與信息工程系二四年八月目錄實(shí)驗(yàn)一中央處理控制器單元綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)2實(shí)驗(yàn)二碼型變換綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)4 實(shí)驗(yàn)三光纖發(fā)送系統(tǒng)綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)6 實(shí)驗(yàn)四PCM編碼光傳輸系統(tǒng)綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn).11 1實(shí)驗(yàn)一 CPU中央處理控制單元系統(tǒng)綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn) （綜合設(shè)計性實(shí)驗(yàn)）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1.了解單片機(jī)在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。2.了解該單元電路對整個光纖實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的管理與控制過程。3.熟悉本系統(tǒng)中進(jìn)行各種信號傳輸實(shí)驗(yàn)的電路連接與鍵盤操作方法。二、實(shí)驗(yàn)儀器與器材 1、光纖通信實(shí)驗(yàn)箱一個2、20MHz示波器一臺3、萬用表一臺三、實(shí)驗(yàn)基本原理及電路中央處理控制器單元電路方框

2、圖如圖6-1所示，它由AT89C51單片機(jī)，顯示接口電路、數(shù)字接口電路，模擬接口電路與鍵盤電路等五個部分組成。該控制單元是綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的中心控制部分，它控制著其他各部分實(shí)驗(yàn)電路的工作，采用MCS-51單片機(jī)技術(shù)對全系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)集中管理與控制，學(xué)生上機(jī)作某項(xiàng)實(shí)驗(yàn)或綜合實(shí)驗(yàn)時，通過鍵進(jìn)行操作，可選擇各種方式的實(shí)驗(yàn)，通過發(fā)光管指示，可了解實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的工作狀態(tài)。 從實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的輸入鍵盤可看出，共有12個功能鍵，其中“脈沖波”、“方波”、“CMI”、“PN”、“數(shù)字電話”、“PCM” 鍵為數(shù)字信號功能鍵。在做數(shù)字信號光傳輸實(shí)驗(yàn)時，用此6個功能，若再做數(shù)字信號與模擬信號的光傳輸實(shí)驗(yàn)時，則再加上“三角波”、“正弦

3、波”、“外輸入”、“模擬電話”4個模擬信號功能鍵。具體操作為：若做數(shù)字電話光傳輸實(shí)驗(yàn)時，則按一下“數(shù)字電話”鍵后，再按下“確認(rèn)”鍵，這時，CPU接通與數(shù)字電話有關(guān)的數(shù)字電路、光發(fā)系統(tǒng)與光收系統(tǒng)等單元電路。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，再按一下“復(fù)位”鍵，使系統(tǒng)復(fù)位重新啟動。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟內(nèi)容： 1. 熟悉CPU單元電路模塊工作過程。2. 熟悉CPU單元電路對實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的管理與控制。3. 熟悉鍵盤的功能鍵和操作方法。4. 測量并分析TP101、TP102、TP103、TP104、TP105、TP107、TP109、TP110各測量點(diǎn)波形及數(shù)據(jù)。步驟：1.接好電源，打開交流電源，打開開關(guān)K1、K2，發(fā)光管D5-D

4、14循環(huán)發(fā)亮，使電路開始工作。按下復(fù)位鍵使系統(tǒng)復(fù)位，便于程序重新開始工作。2.用示波器測量AT89C51單片機(jī)的工作狀態(tài)。GND為接地點(diǎn)，測量各點(diǎn)波形時示波器應(yīng)接地，示波器探頭的地線與GND要保持接觸良好。 TP1：TP1為晶振輸出端即AT89C51單片機(jī)的18引腳，f=12MHz。 若有波形，則AT89C51單片機(jī)工作正常。 若沒有波形，則AT89C51單片機(jī)工作不正常。 TP2：TP2為晶振輸出端即AT89C51單片機(jī)的ALE信號，即30引腳。 若有波形，則AT89C51單片機(jī)與接口電路工作正常。 若沒有波形，則AT89C51單片機(jī)與接口電路工作不正常。各測量點(diǎn)波形如下TP101：2.04

5、8MHz的方波信號，作為PCM編譯碼電路的主時鐘信號。TP102：1.024MHz的方波信號TP103：128KHz的窄脈沖信號TP104：8KHz的窄脈沖信號，作為PCM編譯碼電路的幀同步信號和脈沖波產(chǎn)生電路的波形。TP105：2KHz或1KHz的方波信號，作為正弦波產(chǎn)生電路的輸入信號。TP107：8KHz或4KHz的方波信號，作為三角波產(chǎn)生電路的輸入信號。TP109：64KHz的方波信號。TP110：偽隨機(jī)碼產(chǎn)生電路輸出波形，碼型為000011101100101。3.用示波器測出測量點(diǎn)TP1、TP2的波形，并對測量點(diǎn)的波形加以分析。4.用萬用表測量直流電壓值，其測量點(diǎn)為TP3、TP4、TP

6、5、TP6,并做記錄。5.關(guān)掉K1、K2開關(guān)，關(guān)閉交流電源，拔下交流電源插頭。五、實(shí)驗(yàn)要求 （1）分析CPU中央處理控制器單元方框圖的工作原理，敘述其工作過程。 （2）根據(jù)實(shí)驗(yàn)測試記錄，寫出分析的結(jié)果與實(shí)測的是否一致，畫出各測量點(diǎn)正常工作時的波形。 （3）依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析存在的偏差或誤差。六、實(shí)驗(yàn)思考題試一試能否寫出該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的軟件程序流程圖？實(shí)驗(yàn)二 碼型變換綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn) （綜合設(shè)計性實(shí)驗(yàn)）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?l.了解光纖通信采用的線路碼型2.掌握CMI碼的特點(diǎn)3.了解CMI的編解碼實(shí)現(xiàn)方法二、實(shí)驗(yàn)儀器與器材 1、光纖通信實(shí)驗(yàn)箱一個2、20MHz示波器一臺3、萬用表一臺三、實(shí)驗(yàn)基本原理及電路CMI碼

7、即為傳號翻轉(zhuǎn)碼，“1”交替地用“00”和“11”表示，而“0”則固定用“01”表示，因此1bit變?yōu)?bit，故屬于二電平的NRZ的1B2B碼型，這種碼的特點(diǎn)是有一定的糾錯能力，易于實(shí)現(xiàn)，易于定時提取，因此在低速系統(tǒng)中選為傳輸碼型，圖71 為CMI碼與NRZ的關(guān)系 a、編碼部分編碼電路接收來自信號源的單極性非歸零碼（NRZ）碼，并把這種碼型變換為CMI碼送至光發(fā)送單元，本實(shí)驗(yàn)中CMI編碼電路的設(shè)計思路是利用并串變換電路來產(chǎn)生CMI碼，即分別產(chǎn)生CMI傳號碼和空號碼，再按照輸入單極性信碼的電平高低來選通傳號碼或空號碼，用合路器把兩者串行輸出成為CMI碼。編碼后用兩位碼來代表一位碼，并行碼變成串行

8、碼，其碼速增加了一倍。編碼電路的組成方框圖如圖7-2所示。它由時鐘分頻器和01碼產(chǎn)生器U102：B、控制電路U113：A、傳號翻轉(zhuǎn)電路U115：A、傳號開關(guān)電路U114：B、空號開關(guān)電路U114：A、合成電路U116：A、輸出電路U113：B七部分組成。時鐘分頻器將64KHz的時鐘分成同相的和反相的兩路32KHz時鐘，同相時鐘供給控制電路，反相時鐘供給翻轉(zhuǎn)電路，并作為輸出空號“01”碼的信號源?？刂齐娐繁O(jiān)測輸入信號，如果是傳號則接通傳號開關(guān)電路，是空號則接通空號開關(guān)電路。傳號翻轉(zhuǎn)電路是一個用反相時鐘下降沿觸發(fā)的JK觸發(fā)器，當(dāng)JK端同時輸入高電平時，它輸出端的電平就會在時鐘下降沿觸發(fā)時翻轉(zhuǎn)一次。

9、利用此功能它監(jiān)測信碼的傳號與空號，來一個傳號就將Q端的電平翻轉(zhuǎn)一次，當(dāng)Q端為高電平時輸出“11”碼，低電平時輸出“00”；來空號時Q端電平不翻轉(zhuǎn)。兩個開關(guān)電路分別控制傳號碼、空號碼的輸出。合成電路將兩路輸入信號合成一路輸出。輸出電路也是一個移位寄存器，用64KHz時鐘的上升沿觸發(fā)，采樣后使輸出信碼與輸入信碼的相位一致，它同時給輸出信碼整形，使脈沖頂部平整，上升沿和下降沿陡峭，除去各個邏輯器件由于時序的不一致而引起輸出信號產(chǎn)生的“毛刺”（疊加在輸出信號上的尖脈沖）。 當(dāng)一序列32Kb/s的單極性的信碼進(jìn)入編碼電路后，同時送到控制電路與傳號翻轉(zhuǎn)電路檢測，輸入信碼若是一個傳號，則從U114：B輸出一

10、組“00”（或“11”）碼；如果再來一個傳號則是“11”（或“00”）碼，以后輪流變化；若是一個空號，則從U114：A輸出一組“01”碼。兩路信碼合成后經(jīng)U113：B采樣移存，輸出一序列的64Kb/s的CMI碼。 b、解碼部分 CMI解碼器接收光接收器送來的CMI碼，把這種碼型變換為單極性非歸零碼。CMI解碼器的組成方框圖、電原理圖如圖7-5、圖7-6所示。它的設(shè)計思路是采用串并變換電路把串行碼變成并行碼，即把CMI碼的每一組00、11、獲01碼中的奇數(shù)碼與偶數(shù)碼分離開來，變成奇偶分列的、時序一致的碼序列，再用判決電路逐一加以比較，判決輸出傳號還是空號，從而解出單極性信碼。 CMI解碼電路中，

11、奇數(shù)碼提取電路由U503：A、U503：B組成，它是兩級移位寄存器，第一級用同相時鐘觸發(fā)，第二級用反相時鐘觸發(fā)，使奇數(shù)碼延遲了一個64Kb/s碼元的時間，從而與偶數(shù)碼同時出現(xiàn)于判決電路輸入端。偶數(shù)碼提取電路由U504：A組成，它是一級移位寄存器，用反相時鐘觸發(fā)。判決電路由異或門U505：A和反相器U506：A組成，異或門作邏輯比較器用，兩個輸入端電平相同時輸出低電平，相反時輸出高電平。反相器用來實(shí)現(xiàn)判決器所要求的邏輯關(guān)系，它將異或門輸出信號反相，從而使判決器在奇偶數(shù)碼相同時輸出傳號（高電平），相異時輸出空號（低電平）。串并變換之后兩位碼變回一位碼，碼速也隨之降低一半，從輸入的64Kb/s恢復(fù)為

12、輸出的32Kb/s。當(dāng)一序列64Kb/s的CMI碼進(jìn)入解碼器后，奇數(shù)碼經(jīng)過兩級移位寄存器余只經(jīng)過一級移位寄存器的偶數(shù)碼同時到達(dá)判決電路，判決器根據(jù)CMI碼的編解碼規(guī)則解碼，奇偶數(shù)碼相同者判為傳號、相反者判為空號，輸出一序列32Kb/s的單極性碼。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟實(shí)驗(yàn)思路（內(nèi)容）： 1. 了解光纖通信采用的線路碼型及CMI碼的特點(diǎn)2. 了解CMI碼的編解碼實(shí)現(xiàn)方法3. 分析CMI編解碼器電路的各個測量點(diǎn)的波形4. 比較CLK時鐘、NRZ碼及CMI碼的異同步驟：1.接好電源，打開交流電源，按下直流電源開關(guān)K1、K2，發(fā)光管D5-D14循環(huán)點(diǎn)亮，電路即正常工作。按下“復(fù)位”鍵令系統(tǒng)復(fù)位，使程序重新

13、開始工作。2.按下“CMI”鍵后再按下“確認(rèn)”鍵，向系統(tǒng)下達(dá)進(jìn)行CMI編解碼器實(shí)驗(yàn)的命令，并將K702跳線置于CMI處。用CLK時鐘送入NRZ碼到CMI編碼，用示波器測出編碼電路測量點(diǎn)TP109、TP110、TP111、TP112、TP113、TP114和TP115的波形。測量各點(diǎn)波形時示波器應(yīng)接地，示波器探頭的接地線要與GND接地點(diǎn)保持接觸良好。3.用示波器測出解碼電路各測量點(diǎn)TP504、TP505、TP506、TP507、U505-3的波形。4.關(guān)掉開關(guān)K1、K2，關(guān)閉交流電源，拔下電源插頭。六、實(shí)驗(yàn)要求 （1）預(yù)習(xí)理論課上光纖通信采用的線路碼型及CMI碼的特點(diǎn)。 （2）對實(shí)驗(yàn)過程，記錄編

14、碼部分TP110、TP111、TP112、TP113、TP114的剝削和解碼部分TP504、TO505、TP506、TP507的波形。 （3）說明綜合性實(shí)驗(yàn)的原理、方案。七、實(shí)驗(yàn)思考題 1.為什么要進(jìn)行線路編碼，什么叫做線路碼型，光纖能否傳HDB3碼？2.比較CLK時鐘、NRZ碼及CMI碼的異同實(shí)驗(yàn)三 光纖發(fā)送系統(tǒng)綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn) （綜合設(shè)計性實(shí)驗(yàn)）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康膌.了解光源的發(fā)光特性。2.掌握光發(fā)端機(jī)所完成的電光變換原理。3.了解模擬光發(fā)端機(jī)和數(shù)字光發(fā)端機(jī)的區(qū)別。二、實(shí)驗(yàn)儀器與器材 1、光纖通信實(shí)驗(yàn)箱一個2、20MHz示波器一臺3、萬用表一臺三、實(shí)驗(yàn)基本原理及電路1.數(shù)字光發(fā)送系統(tǒng)數(shù)字光發(fā)送系統(tǒng)由

15、數(shù)字信號源、數(shù)字信號選擇開關(guān)、數(shù)字接口電路、數(shù)字驅(qū)動電路和光發(fā)送模塊五部分組成，如圖8-1所示數(shù)字信號源提供8KHz脈沖波、16KHz方波、64Kb/sCMI碼、32Kb/s15位PN碼、PCM碼和數(shù)字電話六種信號輸入。數(shù)字信號選擇開關(guān)采用8選1數(shù)字開關(guān)集成電路74LS51。它的控制信號由CPU輸出3位碼送到ABC三個引腳，通過軟件編程實(shí)現(xiàn)其工作模式。數(shù)字接口電路為電平轉(zhuǎn)換器MC10116。它把TTL電平轉(zhuǎn)換為ECL電平，以適應(yīng)驅(qū)動電路的要求。數(shù)字驅(qū)動電路微一差分電路，它是一個電流源電路，用來把電壓脈沖轉(zhuǎn)換成電流脈沖去驅(qū)動半導(dǎo)體發(fā)光二極管。光發(fā)送模塊把電流脈沖變成光脈沖注入光纖，完成對光載波的

16、調(diào)制。2.模擬光發(fā)送系統(tǒng)模擬光發(fā)送系統(tǒng)由模擬信號源、模擬信號選擇開關(guān)、模擬接口電路、模擬驅(qū)動電路和光發(fā)送模塊五部分組成，如圖8-2所示模擬信號源提供正弦波、三角波、外輸入、模擬電話四種模擬信號。模擬信號選擇開關(guān)采用4路模擬開關(guān)4066。其控制信號由CPU輸出，送到相對應(yīng)的開關(guān)控制端，控制信號為高電平時，模擬開關(guān)接通，其輸出波形可從TP404測量。模擬接口電路為一級射隨器，用作阻抗匹配把高阻抗輸入變成低阻抗輸出，以適應(yīng)模擬驅(qū)動電路的要求。模擬驅(qū)動電路為一級電流放大器，用來把電壓控制信號變成電流控制信號去驅(qū)動半導(dǎo)體發(fā)光二極管。光發(fā)送模塊把注入電流強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成光強(qiáng)度的變化，實(shí)現(xiàn)對光載波的強(qiáng)度調(diào)制

17、。3.光發(fā)送系統(tǒng)方框圖 光發(fā)送系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)電路的方框圖如圖8-4所示，四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟實(shí)驗(yàn)思路（內(nèi)容）： 1. 測量并分析數(shù)字光發(fā)送的波形及數(shù)據(jù)2. 測量并分析模擬光發(fā)送的波形及數(shù)據(jù)3. 對應(yīng)光發(fā)送，試測量光收端的波形及數(shù)據(jù)步驟：1.接好電源，打開交流電源，按下直流電源開關(guān)K1、K2，發(fā)光管D5-D14循環(huán)點(diǎn)亮，電路即正常工作。按下“復(fù)位”鍵令系統(tǒng)復(fù)位，使程序重新開始工作。2.按下“數(shù)字電話”后“確認(rèn)”，并將K702跳線置于“數(shù)字電話”處。按下自鎖開關(guān)PA401接通數(shù)字信號光傳輸系統(tǒng)，用示波器觀察發(fā)送端測量點(diǎn)TP401、TP402、TP406波形，并且記錄TP401、TP402信號的幅度變化。再

18、用示波器觀察接收端測量點(diǎn)TP701、TP702、TP703、TP704、TP705波形。3.按下“PN”后“確認(rèn)”，并將K702跳線置于“PN ”處。按下自鎖開關(guān)PA401接通數(shù)字信號光傳輸系統(tǒng)，用示波器觀察發(fā)送端測量點(diǎn)TP401、TP402、TP406波形，并且記錄TP401、TP402信號的幅度變化。再用示波器觀察接收端測量點(diǎn)TP701、TP702、TP703、TP704、TP705波形。4.按下“方波”后“確認(rèn)”，并將K702跳線置于“方波”處。按下自鎖開關(guān)PA401斷開數(shù)字信號光傳輸，用示波器觀察發(fā)送端測量點(diǎn)TP401、TP402、TP406波形，并且記錄TP401、TP402信號的幅

19、度變化。再用示波器觀察接收端測量點(diǎn)TP701、TP702、TP703、TP704、TP705波形。5. 按下“模擬電話”后“確認(rèn)”，并將K702跳線置于“模擬電話”處。抬起自鎖開關(guān)PA401接通數(shù)字信號光傳輸系統(tǒng)，用示波器觀察發(fā)送端測量點(diǎn)TP403、TP404、TP405波形，并且記錄TP404、TP405信號的幅度變化。再用示波器觀察接收端測量點(diǎn)TP701、TP702、TP703、TP704、TP705波形。6. 按下“正弦波”后“確認(rèn)”，并將K702跳線置于“正弦波”處。抬起自鎖開關(guān)PA401接通數(shù)字信號光傳輸系統(tǒng)，用示波器觀察發(fā)送端測量點(diǎn)TP403、TP404、TP405波形，并且記錄T

20、P404、TP405信號的幅度變化。再用示波器觀察接收端測量點(diǎn)TP701、TP702、TP703、TP704、TP705波形。實(shí)驗(yàn)提示：光發(fā)送模塊有保護(hù)套，使用時逆時針旋松并拉出，注意旋轉(zhuǎn)方向并保管好保護(hù)套，在實(shí)驗(yàn)做完后立即重新套上。五、參考實(shí)驗(yàn)接線圖及實(shí)驗(yàn)結(jié)果 TP401為數(shù)字脈沖信號輸入到光發(fā)端機(jī)的測試點(diǎn)，可為數(shù)字電話、方波、PCM碼、PN碼、CMI碼。 TP402為驅(qū)動半導(dǎo)體光源的數(shù)字信號。 TP404為模擬信號輸入到光發(fā)端機(jī)的測試點(diǎn)，可為方波、三角波、正弦波、模擬話 TP405為位驅(qū)動半導(dǎo)體光源的模擬信號 TP403 、TP406由自鎖開關(guān)PA401切換后送光發(fā)送模塊。六、實(shí)驗(yàn)要求 （

21、1）預(yù)習(xí)理論課上光發(fā)送的電光變換原理。 （2）對實(shí)驗(yàn)過程，記錄光發(fā)端TP401、TP402、TP406、TP403、TP404、TP405及接收端 TP701、TP702、TP703、TP704、TP705的波形。 （3）說明綜合性實(shí)驗(yàn)的原理、方案。七、實(shí)驗(yàn)思考題比較數(shù)字信號發(fā)送端與模擬信號發(fā)端機(jī)的區(qū)別。 實(shí)驗(yàn)五 PCM編碼光傳輸系統(tǒng)綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn) （綜合設(shè)計性實(shí)驗(yàn)）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?l.通過電話接入話音信號掌握電話通信經(jīng)過光纖信道的全過程。2.了解話音質(zhì)量的高低與系統(tǒng)的哪些指標(biāo)有關(guān)。二、實(shí)驗(yàn)儀器與器材 1、光纖通信實(shí)驗(yàn)箱一個2、20MHz示波器一臺3、萬用表一臺4、電話機(jī)兩個 三、實(shí)驗(yàn)基本原理及電

22、路1.話音信號經(jīng)過PCM編碼后送入光發(fā)送端機(jī)，經(jīng)光纖信道傳輸再由光接收端機(jī)完成光電轉(zhuǎn)換和信號恢復(fù)，再送到PCM解碼電路恢復(fù)成原始話音信號，框圖如圖10-1所示2.話音信號先經(jīng)防混疊低通濾波器，進(jìn)行脈沖抽樣，變成8KHz重復(fù)頻率的抽樣信號（即離散的脈沖調(diào)幅PAM信號），然后將幅度連續(xù)的PAM信號用四舍五入的辦法量化為有限個幅度取值的信號，再經(jīng)編碼，轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼。如圖10-2所示，對于電話，CCITT規(guī)定抽樣頻率為8KHz,每抽樣值編8位碼，即共有2=256個量化值，因而每話路PCM編碼后的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)碼率是64Kb/s。 實(shí)驗(yàn)電路中，用戶模塊為U201、U301，其型號為SJ0612，PCM編譯碼電路選用集成電路TP3067，標(biāo)號為U202、U302，電話機(jī)從A201、A301接入，摘機(jī)時發(fā)光二極管