光纤通信实验指导书V7.4.doc

光纤通信原理实验指导书目 录光纤通信系统简介- 1 -zy12ofcom23bh1光纤通信原理实验系统简介- 1 -系统的传输框图- 6 -光纤实验箱使用注意事项- 7 -第一部分 光纤通信系统电接口实验- 8 -实验一 用户电话接口实验- 8 -实验二 pcm 编译码实验- 14 -实验三 时分复用解复用实验- 19 -实验四 e1标准帧信号复用解复用实验- 23 -实验五 光纤线路接口码型hdb3编译码实验- 27 -实验六 计算机数据传输系统实验- 32 -第二部分 光源及光调制解调实验- 35 -实验七 数字调制原理实验- 35 -实验八 半导体激光器p-i特性测试实验- 41 -实验九 发光二极管p-i特性测试曲线- 45 -实验十 自动光功率控制实验- 48 -实验十一 光器件寿命检测及无光告警实验- 51 -实验十二 光发射机性能测试实验- 54 -实验十三 光电探测器特性测试实验- 58 -实验十四 光接收机原理实验- 61 -实验十五 数字光接收机性能测试实验- 64 -第三部分 模拟信号光纤传输实验- 68 -实验十六 模拟信号光纤传输实验- 68 -实验十七 模拟基带信号传输失真与补偿实验- 72 -实验十八 图像光纤传输系统实验- 76 -第四部分 数字信号光纤传输实验- 78 -实验十九 码速率变换实验- 78 -实验二十 光纤通信系统线路扰码解扰码实验- 82 -实验二十一 光纤通信系统线路码型cmi 编译码实验- 85 -实验二十二 光纤通信系统线路码型5b6b 编译码实验- 89 -实验二十三 光纤通信系统线路码型5bip 编译码实验- 95 -实验二十四 光纤通信系统线路码型5bic 编译码实验- 99 -实验二十五 电话光纤传输系统实验- 102 -实验二十六 数字信号光纤传输实验- 105 -第五部分 光纤通信网络及新技术实验- 109 -实验二十七 语音+图像+数据光纤传输系统综合实验- 109 -实验二十八 光纤通信系统综合实验- 112 -实验二十九 波分复用技术实验- 115 -实验三十 大气光传输实验- 118 -第六部分 光纤通信系统测量技术实验- 121 -实验三十一 多模光纤插入损耗测试实验- 121 -实验三十二 单模光纤弯曲损耗测试实验- 124 -实验三十三 光纤活动连接器插入损耗、回波损耗测试实验- 127 -实验三十四 分路器插入损耗和分光比测试实验- 130 -实验三十五 波分复用器插入损耗和光串扰测试实验- 133 -实验三十六 系统眼图、抖动测试实验- 136 -实验三十七 线路码型误码监测及误码扩散实验- 141 -实验三十八 系统误码率测试实验- 144 -第七部分 二次开发实验- 147 -实验三十九 m序列程序设计- 147 -实验四十 光纤通信系统线路接口码型hdb3码编译码设计- 150 -实验四十一 扰码解扰码程序设计及其光纤传输实验- 154 -实验四十二 cmi码编译码设计及其光纤传输实验- 157 -实验四十三 5b6b码编译码设计及其光纤传输实验- 161 -实验四十四 5b1p码编译码设计及其光纤传输实验- 167 -实验四十五 5b1c码编译码设计及其光纤传输实验- 171 -实验四十六 简易光功率设计实验- 174 -附录i 光纤通信系统常用仪表简介- 177 -附录ii 光器件简介- 185 -附录 光纤h1开关、电位器功能说明：- 195 -附录 quartus软件说明：- 197 -附录 光纤h1扩展板管脚信息及相关说明- 212 -附录 二次开发模块布局图- 216 -附录 英文缩写对照表- 217 -附录 本书中的文字符号- 218 -附录 参考书目- 219 -注释： 带“”实验（即实验三十九到实验四十六）属于二次开发实验，除需二次开发板外还应配有其他相关设备方可完成。所列举的“”实验只是二次开发模块功能的一部分，学校可以自行设计其他实验项目。- 224 - 光纤通信原理实验指导书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8001800nm，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。在20世纪70年代，光纤通信由起步到逐渐成熟，这首先表现为光纤的传输质量大大提高，光纤的传输损耗逐年下降。19721973年，在850nm波段，光纤的传输损耗已下降到2db/km左右；与此同时，光纤的带宽不断增加。光纤的生产从带宽较窄的阶跃型折射率光纤转向带宽较大的渐变型折射率光纤；另外，光源的寿命不断增加，光源和光检测器件的性能也不断改善。光纤和光学器件的发展为光纤传输系统的诞生创造了有利条件。到1976年，第一条速率为44.7mb/s的光纤通信系统在美国亚特兰大的地下管道中诞生。80年代是光纤通信大发展的年代。在这个时期，光纤通信迅速由850nm波段转向1310nm波段，由多模光纤传输系统转向单模光纤传输系统。通过理论分析和实践摸索，人们发现，在较长波段光纤的损耗可以达到更小的值。经过科学家和工程技术人员的努力，很快在1300nm和1500nm波段分别实现了损耗为0.5db/km和0.2db/km的极低损耗的光纤传输。同时，石英光纤在1300nm波段时色度色散为零，这就促使1300nm波段单模光纤通信系统的迅速发展。各种速率的光纤通信系统如雨后春笋般在世界各地建立起来，显示出光纤通信优越的性能和强大的竞争力，并很快替代电缆通信，成为电信网中重要的传输手段。光纤通信技术的发展，大致可以分为三个阶段：第一阶段（19701979年）：光导纤维与半导体激光器的研制成功，使光纤通信进入实用化。1977年美国亚特兰大的光纤市话局间中继系统称为世界上第一个光纤通信系统。第二阶段（19791989年）：光纤技术取得进一步突破，光纤损耗降至0.5dbm/km以下。由多模光纤转向单模光纤，由短波长向长波长转移。数字系统的速率不断提高，光纤连接技术与器件寿命问题都得到解决，光纤传输系统与光缆线路建设逐渐进入高速发展时期。第三阶段（1989年至今）：光纤数字系统由pdh向sdh过渡，传输速率进一步提高。1989年掺铒光纤放大器（edfa）的问世给光纤通信技术带来巨大变革。edfa的应用不仅解决了长途光纤传输损耗的放大问题，而且为光源的外调制、波分复用器件、色散补偿元件等提供能量补偿，这些网络元件的应用，又使得光传输系统的调制速率迅速提高，并促成了光波分复用技术的实用化。随着我国国民经济建设的持续、快速发展，通信业务的种类越来越多，信息传送的需求量也越来越大，我国光通信的产业规模不断壮大，产品结构覆盖了光纤传输设备、光纤与光缆、光器件以及各类施工、测试仪表与专用工具。可以展望：光纤通信作为一高新技术产业，将以更快的速度发展，光纤通信技术将逐步普及，光纤通信的应用领域将更加广阔。一个实用的光纤通信系统，要配置各种功能的电路、设备和辅助设施才能投入运行。如接口电路、复用设备、管理系统以及供电设施等等。根据用户需求、要传送的业务种类和所采用传送体制的技术水平等来确定具体的系统结构。因此，光纤通信系统结构的形式是多种多样的，但其基本结构仍然是确定的。图0-1给出了光纤通信系统的基本结构，也可称之为原理模型。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。根据所使用的光波长、传输信号形式、传输光纤类型和光接收方式的不同，光纤通信系统可分成：图0-1 光纤通信系统模型用户接口电发射端机输入接口光发端机用户接口电接收端机输出接口光收端机光缆光缆光中继器备用系统辅助系统（1）按光波长划分可以分为短波长和长波长光纤通信系统类别特点短波长光纤通信系统工作波长：800nm900nm；中继距离：10km长波长光纤通信系统工作波长：1000nm1600nm；中继距离：100km超长波长光纤通信系统工作波长：2000nm；中继距离：1000km；采用非石英光纤（2）按光纤特点划分类别特点多模光纤通信系统传输容量：100mbit/s；传输损耗：较高单模光纤通信系统传输容量：140mbit/s；传输损耗：较低（3）按传输信号形式划分类别特点数字光纤通信系统传输信号：数字；抗干扰；可中继模拟光纤通信系统传输信号；模拟；短距离；成本低(4) 按光调制的方式划分类别特点强度调制直接检测系统简单、经济、但通信容量受到限制外差光纤通信系统技术难度大，传输容量大（5）其它类别特点相干光纤通信系统光接收灵敏度高；光频率选择性好；设备复杂光波分复用通信系统一根光纤中传送多个单/双向波长；超大容量，经济效益好光时分复用通信系统可实现超高速传输；技术先进全光通信系统传送过程无光电变换；具有光交换功能；通信质量高副截波复用光纤通信系统数模混传；频带宽，成本低；对光源线性度要求高光孤子通信系统传输速率高，中继距离长；设计复杂量子光通信系统 量子信息论在光通信中的应用 zy12ofcom23bh1光纤通信原理实验系统简介本实验箱是为配合光纤通信课程的理论教学，结合目前光纤通信工程技术最新进展，为了提高大专院校学生实际操作和动手能力而研制开发的。一、产品的系统特点光纤h1型实验箱注重产品的系统和功能组成，产品的设计着重体现系统性、先进性、实用性，并根据市场及客户实际需求，充分考虑工艺外观结构、产品的功能和性价比。整个系统分电接口终端、光接口终端和光传输三大部分，各自独立又相互关联，所有模块在单独进行实验同时又可系统集联，实验灵活丰富，可设计、可比较、可操作、可观测性强。整个系统采用256k和2.048m(e1)传输速率，既有利于实验观测，又可以模拟实际光纤传输时的各种性能。实验紧密结合光通信新技术的发展趋势，将波分复用和光时分复用等新技术都通过实验演示出来，简单易懂。采用大规模的可编程逻辑器件，使得产品的开放性、可升级性强。同时为了使学生有更大的开发和操作空间，特意制作了二次开发板，并预留大量的i/o扩展口，可在开发板上独立完成二次开发设计。所有实验大多采用开关控制，减小了实验操作时的繁琐性。该实验箱融合了当今的光通信技术发展的一些新技术和新器件，并将其融入到光纤通信原理课程当中，同时与通信原理和程控交换课程的部分原理结合，其主要有以下特点；1、实验箱采用整板设计，特殊光器件玻璃罩保护，元器件贴片化，模块元件布局完全对称。所有的测试钩和连接孔均有标识，深蓝色的电路板，白色丝印使得整个电路板层次性强、美观、大方。2、实验系统将光纤通信原理和教材紧密接合，实验项目和顺序与教材保持完全同步。通过七个方面全面实验来了解光纤通信的全过程，七个方面分别是：光纤和光缆；通信用光器件（有源器件和无源器件）；数字光纤通信系统（光发、光收端机）；模拟光纤通信系统；光纤通信新技术；光纤通信测量技术；光纤通信网络。3、系统采用整板上分模块的设计方式，各种系统组建灵活，可根据不同的实验搭建成模拟、数字、计算机、图像、语音及混合光纤传输系统等不同的实验系统。4、电路实现上采用大规模cpld/fpga，使得产品的开放性和可升级的空间加大。专门设计制作了可供学生进行二次开发实验的扩展板，并预留了大量的i/o口，可以方便的使学校在原有硬件电路的基础上开发新的实验内容。5、e1标准帧结构信号和256k两种传输速率，时分复用时的复用数据和复用方式灵活，使得实验箱的传送方式更加多样，在通过对比的基础上更加深入地了解复用的原理；e1标准帧结构形成时的话路时隙可变，更加生动、直观的体现了e1标准帧结构的结构和形成原理；时分解复用时采用终端显示，可直观地通过对比的方式检验复用解复用过程的正确性。6、同一实验箱中具备通用的三个低损耗光纤通信端口（850nm、1310nm、1550nm）；光发送机和光收端机分模块设计，使得学生可以更加直观地了解激光器的调制和解调，即电-光，光-电的转换原理过程；光发送和光接收分别采用分立元件（1310nm）和集成电路（1550nm）来实现，且电路参数可调，可通过特定的测试点来观测光发送和光接收本质原理的实现过程；7、光发送时加入自动光功率控制电路，使得激光器的输出更加稳定，同时有利于对自动功率控制原理的理解；光接收时在以有前置放大和主放大的基础上，加入了信号的判决和再生，可以通过判决前后眼图的形状的不同深入的理解信号在光纤传输中的衰减特性和光接收的原理。8、5b6b、5b1p、5b1c、cmi、hdb3编译码和扰码解扰码等光纤线路码型的加入，及其各自传输时的不同特性，使得学生可以进一步了解线路码型在光传输过程中的作用；无光告警、寿命检测电路的加入，有利于对光传输进行监测；e1速率信号光纤传输时的不中断法误码监测、误码指示及误码率、误码扩散系数的测量，使得学生更加深一步的了解光纤传输的特性。9、各种光无源器件的使用方法及其特性的测试，使得教学和实际紧密地结合在了一起；波分复用+时分复用技术、电话热线呼叫时交换技术的使用，使得在两台实验箱完成四部电话的全双工通信成为可能，从而完全模拟实际的电话通信系统；如果在光发和光收之间加入裸光纤，则可以实现两台实验箱几十公里长距离间的传输，语音、图像、计算机数据信号的单光纤传输，使得实验更加完整地体现了光纤发展新技术的要求。10、整个实验系统大多采用开关控制，尽量少的使用连线，模块功能清晰，系统结构紧凑，操作方便，并且在设计时加入了大量的保护电路，安全性强二、主机箱及系统模块简介主机箱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0-2 zy12ofcom23bh1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序列为随机信号的产生，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、-48v2、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0v5v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：0 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。三、配件简介zy12ofcom23bh1实验箱的配件共两部分：一部分装在无源器件箱内，一部分本身有独立包装，则单独配备。1、无源配件箱如图0-4所示，为供客户选配的光纤通信原理配件箱。最大容量可装载：波分复用器 两个 y型分路器 一个fc-fc 单模光跳线 两根 st-fc多模光跳线 两根fc-fc 多模光跳线 一根 st-st多模光跳线 一根850 光发端机 一个 850光收端机 一个fc-fc 适配器 一个 小可变衰减器 一个cpld 芯片 一块 下载线 一根 rj45转db9电缆线 四根 带弹片连接线 二十根 三相电源线 一根 实验指导书 一本教师用书 一本 实验报告 一本发货光盘 一张 保修卡 一张2、第二部分配件共有如下几种：普通电话机 两部 扰模器 一台光功率计 一台 误码仪 一台视频传输配件（小电视机一台、摄像头一个、视频线两根）一套 图0-4 无源器件箱示意图系统的传输框图串口通信模拟信号模拟信号时钟恢复数字终端数字源pcm编码hdb3译码hdb3编码e解复接e1复接pcm译码电话接续控制电话接口5b6b、nrz、5b1p、5b1c编译码码速率变换时钟恢复误码监测插入误码接收定时波分复用光发送光接收.cmi译码cmi编码解扰码扰码hdb3译码hdb3编码2.048mbps接口速率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iii，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60 ma。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。第一部分 光纤通信系统电接口实验实验一 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（subscriber line interface circuitslic）。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自终端相连（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，各种继集成的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-battery feeding）：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-overvoltage protection）：防止过压过流冲击损坏电路和设备。3、振铃控制（r-ringing control）：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：300hz3400hz，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1-2 am79r70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noyes来话接续向主叫送忙音向被叫送振铃，向主叫送回铃音no主叫挂机吗？no被叫应答吗？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、实验测试点说明tp5（tx1） 电话接口1的模拟输出端tp4（rx1） 电话接口1的模拟输入端tp24（tx2） 电话接口2的模拟输出端tp23（rx2） 电话接口2的模拟输入端tp11（450hz） 450hz正弦波信号tp9（25hz） 25 hz正弦波信号tp6（myin） 忙音信号测试端tp7（hling） 回铃信号测试端tp15（xl1） 信令信号测试端tp16（xl2） 信令信号测试端tp17（yin1） 电话1的信号测试端tp20（yin2） 电话2的信号测试端tp22（ring1) 电话1的振铃信号测试端tp 21（ring2） 电话2的振铃信号测试端七、实验报告 1、画出振铃、回铃和忙音信号的波形 2、试分析信令在电话热线呼叫过程中的作用3、写出用户接口电路的主要功能。八、思考题 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 pcm 编译码实验一、实验目的1、掌握pcm编译码的原理2、熟悉pcm编码时抽样时钟、输入/输出时钟及编码数据之间的关系3、熟悉单片pcm编译码器tp3067的使用方法。二、实验内容 1、电话语音信号的pcm编译码观测实验2、外输入模拟信号的pcm编译码观测实验3、pcm编码和译码自环系统实验三、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、pcm编译码的原理模拟信号在进行传输时，必须进行抽样和量化，然后将每一个量化电平用编码方式传输。而所谓的脉冲编码调制（pcm），就是将模拟信号进行抽样量化，然后使以量化值按规则变换成代码的过程。而译码过程是编码的逆过程。常见的pcm通信系统框图如下：图2-1 pcm通信系统方框图 常见的将模拟信号转变为数字信号的编码规律有两种，一种是u律十五折线变换法，一种是a律十三折线非线性变换法。其中u律十五折线现变换法一般应用于pcm24系统中，而a律十三折线非线性变换法一般应用于pcm30/32系统中这是一种比较常用的变换方法。在进行a律十三折线非线性变换法编码时，先将输入的模拟信号进行抽样，然后将抽样后的信号无论正负，均按8段折线（8个段落）进行编码。在用8段折叠二进制码来表示输入信号的抽样量化电平时，其中的第一位表示量化值的极性，其余7位则表示抽样量化值的绝对值大小。而译码时，一般将除极性控制位外的7位码转变为11位码，并将其送入到相应的逻辑电路进行译码，译码后的脉冲极性由极性控制电路来实现。编码和译码量化值的大小是通过电流值与标准值的比较来实现的。2、pcm编译码集成芯片tp3067的功能及原理介绍在此实验箱中我们采用美国半导体公司的pcm编译码集成芯片tp3067。tp3067采用+5v和-5v双电源供电，有短帧同步和长帧同步两种工作模式，其发送与接收时钟主频率可为1.536mhz,1.544mhz和2.048mhz。其芯片内含有接收和发送滤波器，有源rc噪声滤波器，精准电压源，接收放大器及内部调零电路等。tp3067的管脚排列图如下：其相应的引脚符号说明如下：1脚vpo+： 接收功率放大器的非倒向输出2脚gnda：模拟地端口，所有信号均以该引脚为逻辑电平参考点3脚vpo-： 接收功率放大器的倒向输出4脚vpi： 接收功率放大器的倒向输入5脚vfro：接收滤波器的模拟输出6脚vcc： 正电源引脚，vcc=+5v5%7脚fsr： 接收帧同步脉冲输入端，其为频率为8khz的脉冲序列8脚dr： pcm数据接收端9脚bclkr/clksel： 接收位时钟输入端，在fsr的上升沿将数据移入dr端，其频率可以从64khz到2.048mhz。10脚mclkr/pdn： 接收主频率输入端，频率可以为1.536mhz，1.544mhz和2.048mhz，一般要求与发送主时钟同步11脚mclkx： 发送主时钟输入端，频率可以为1.536mhz，1.544mhz和2.048mhz，一般要求与接收主时钟同步12脚bclkx： 发送位时钟输入端，在fsx的上升沿将数据移入dx端，其频率可以从64khz到2.048mhz.13脚dx： pcm编码数据输出端14脚fsx： 发送帧同步脉冲输入端，其为频率为8khz的脉冲序列15脚tsx： 空16脚anlb： 模拟环回路控制输入端，在正常工作时接逻辑低电平17脚gsx： 发送放大器的模拟输出端，其增益可由外部电路调节18脚vfxi-：发送放大器的倒向输入端19脚vfxi+：发送放大器的非倒向输入端20脚vbb： 负电源引脚，vbb=-5v5%tp3067工作时，共有两种工作模式，短帧同步方式和长帧同步方式。其区别在于发送与接收数据时的时序关系不同，本实验采用长帧同步的模式，其具体的时序关系如下图图2-2 长帧同步时序关系图由以上时序图我们可以看出tp3067在发送位时钟（bclkx）的上升沿将数据逐位移入数据输出端（dx），然后从fsr的上升沿开始发送数据，直到一帧数据全部发送完毕，然后在下一个上升沿发送另一帧数据。为了保证数据发送的准确性，fsx的上升沿应超前于bclkx的上升沿。最为重要的一点是blkx的时钟频率应为fsr频率的8倍，即fbclkx=8fsr.,同样的原理，接收时的时钟fsr和bclkr的关系也满足上面的要求。3、编译码电路的电路原理图pcm电路的电路图如下：在此原理图中，发送与接收的主频率为2.048mhz