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光纤通信实验指导书光纤通信实验指导书 指导教师：唐志军 濮振华湖南科技大学信息与电气工程学院通信工程系2009年10月RZ8634E 光纤系统模块组成介绍RZ8634E型光纤实验系统是在吸收了前几代产品RZ8614型、RZ8624型和RZ8634型特色实验的基础上，一方面结合当今光纤通信原理课程的教学与改革，另一方面结合当今光纤通信发展方向和工程实际应用状况,而研制开发的又一个新一代产品。它增加了数字压缩图像光纤传输实验、计算机数据光纤传输实验、5B6B编解码实验、扰码和解扰、程控电话和自带误码测试实验。同时根据用户需要可加多模光纤的数字信号、模拟信号的传输实验。波长分别为1310单模、1550单模、850多模。系统分布图如图1-1所示。由图11可知，本实验系统由以下15个系统模块组成：1. 数据传输接口模块；2. CMI解码模块；3. 数字图像传输模块；4. 数据发送模块；5. 数据接收模块；6. 数字电话模块1；7. 光纤收发模块；8. 数字电话模块2；9. 程控交换模块 10. 光纤收发模块；11. 电源模块；12. 波分复用器合波模块；13. 波分复用器分波模块；14. 尾纤对接传输部分。15. 多模光纤传输部分（选配）每个模块电路的详细说明将在后面的章节中逐一介绍。这样，可以完成目录中的第三章、第四章、第五章、第六章和第七章中的27个示教、实验和研究型的二次开发实验。在图1-2中，描述了RZ8634E光纤实验系统的流程总框图。在RZ8634E光纤实验系统的基础上配置下列光纤器件：1.光波分复用器/解复用器2.光衰耗器（固定衰耗器/可变衰耗器）3.光定向耦合器（光分路器/耦合器）4.光活动连接器（SC/FC/ST）则可以做第七章的有关实验和一些开放性研究设计实验。南京润众科技有限公司RZ8634ERZ8634E 系统总体框图RZ8634E 型光纤实验系统流程总框图3光纤通信实验指导书各实验模块电路组成介绍一、元器件命名标准在本节的模块电路组成介绍中，各元器件的命名标准如下：每个元器件的命名有三个部分组成：1 器件类型的表示2 所在模块的模块编号3 在模块内器件的顺序编号例如：第四模块为数据发送模块，该模块内有一个CPLD可编程器件EPM7128芯片，它的标号为“U401”，说明如下：“U”：器件类型为集成电路；“4”：表示在第四模块内；“01”：表示它的顺序为本模块中第一个此类型元器件。二、各模块组成电路说明由第一节中的图11可知，本实验系统由以下14个系统模块组成，各模块又由完成不同功能的电路组成：1.记发器单元模块，编号x1xx，共有4个测量点；（1） 电话呼叫接续功能2.CMI解码模块，编号x2xx，有2个测量点；（1） CMI解码电路（2） 眼图观察电路3.数字图像传输模块，编号x3xx，有2个测量点； （1） USB接口4.数据发送模块，编号x4xx，有12个测量点；（1） 5B数据产生、控制电路（2） 5B数据状态显示电路（3） 6B数据产生电路（3） PN码产生电路（4） CMI码产生电路（5） 脉冲产生电路（6） PCM编、译码主时钟产生电路（7） PCM编码时钟产生电路（8） 帧同步信号产生电路（9） 扰码产生电路（10） 内置误码测试仪 内误码数据速率选择电路 内误码码长选择电路 内误码插入频率选择电路5.数据接收模块，编号x5xx，有3个测量点；（1） 5B6B解码电路（2） 5B6B显示输出电路（3） CMI码接收解码电路（4） 内误码接收检测电路（5） 内误码显示输出电路（6） 解扰电路6.数字电话模块一，编号x6xx，有6个测量点；（1） 用户线接口电路（2） PCM编、译码电路7.光纤收发模块一，编号x7xx，有2个测量点；（1） 电信号输入输出缓冲接口电路（2） 光发射机电路（3） 光接收机电路8.数字电话模块二，编号x8xx，有6个测量点；（1） 用户线接口电路（2） PCM编、译码电路9.光纤收发模块二，编号x9xx，有2个测量点；（1） 电信号输入输出缓冲接口电路（2） 光发射机电路（3） 光接收机电路10.系统电源模块，编号x0xx，无测量点；（1） 电源接口电路（2） 5v产生电路（3） 四组电压输出：5v、5v、12v、12v11.波分复用器合波模块；（1） 1310nm合波（2） 1550nm合波12波分复用器分波模块；（1） 1310nm分波（2） 1550nm分波13.尾纤对接传输部分。14.外接误码测试单元实验1 光纤发送系统实 验 内 容1. 熟悉光发送系统的电光变换原理2. 了解光发送系统的组成及工作流程3. 观察并分析输出功率和注入电流的关系及光源的非线形失真一、实验目的1.了解光电变换原理；2.掌握光发端机所完成的电光变换原理。二、实验电路工作原理1光发送系统的组成光发送系统由信号源、信号选择开关、接口电路和光发送模块五部分组成，如图1-1所示。接口电路差分驱动光发模块信号选择J701/J901信号源图1-1 光发送机框图J701了发缓存光发送模块1310Tx了发WDMU701了发外误码入了发电话入了发图像入了发数据发了发5B6B了发PN64了发内误码入TP701CMI入了发PLUSE了发图1-2 光发送系统一（1310波长）在本实验系统中，存在两个光发送系统，其结构图分别如图1-2及图1-3所示：CMI入了发电话入了发图像入了发外误码入了发5B6B了发PULSE了发PN64了发内误码入J901了发U901了发WDMTx了发缓存光发送模块1550TP901图1-3 光发送系统二（1550波长）其中，数字信号源有数字电话数据、数字图像数据、外置误码信号、CMI编码信号、5B6B码信号、矩形窄脉冲信号、伪随机码序列、内置误码/扰码等信号输入。数字信号选择开关采用人工操作，对J701和J901进行选择，如图1-2及1-3所示，可见有下列几种选择状况（使用时，只能选种其中一路信号插上跳线器）：1.数字电话（两路电话呼叫接续与通话）2.图像传输（通过USB口连接PC机，运行配套软件传输图像）3.外误码（需配套误码测试仪，选做实验）4.CMI码（对伪随机序列的CMI编码，对应TP409、TP401）5.5B6B码（由拨动开关SW401决定，对应的6B信号输出）6.PULSE（测量光纤材料色散性能，精确测量需选配相应的仪器）7.PN64（15位，64KB/s的伪随机序列）8.内误码信号（在无误码测试仪，可使用内置误码仪进行相关测试）光发送模块的最基本功能是将要传输的电信号调制在光波上，并将其光波注入到光纤线路上。2光发射机的组成光发射机主要由光源、驱动电路、输入电路、保护报警电路、自动偏置控制电路、控温电路以及数据模式控制电路等几部分组成。图1-4为光发射机组成基本框图。电信号首先进入输入电路，在这里将输入电信号进行整形并完成非归零归零变换。光源驱动电路给光源一个预偏置电流，以便提高工作速度，为稳定输出平均光功率和工作温度，设置自动偏置控制电路和控温电路，输入电信号通过调制光源工作电流的办法，将电信号调制在光波上。输入电路驱动电路保护电路光 源自动偏置控制电路输入电信号光信号输出图 1-4 光发射机组成基本框图3. 光发送系统的消光比大多数光发送系统即使在“断”的状态也会发射一些光功率，这与半导体激光器的发射特性和偏置状态有关。例如当偏置电流小于阈值电流时，在“0”比特期间由于自发辐射亦有一些输出功率，而当偏置电流大于或等于阈值电流时，“0”比特期间输出功率将更大。我们将光发送系统在“1”比特时的输出功率P1与在“0”比特时的输出功率P0之比的对数值称为消光比。用公式表示为： EXT值越小，光发送系统的性能越好。4光发送系统中的电路调节在光收发模块的发送端电路部分中，主要器件由U701、W701、R701、R702和E701等组成。其中U701为74LS245，作为电路的缓存器；W701为2K的精密多圈可调电位器。如图1-5所示:J703电路调整接口电路(U701、W701、R701、E701)光发端机W701图1-5 光发端机的电路调整部分 其中，电位器W701的作用为调整光发射机的注入电流的大小。调节电位器W701或W901使得送入光发射机的信号失真小，且幅度尽可能大，即驱动电流较大。准备好光功率计，轻轻拔下待测光发端机的光纤连接头，保护好连接头（防止灰尘油污等），然后用一根短光纤连接光发端机（TX）和光功率计（若不是ST接头，需用相应的转接法兰）。用光功率计测其对应的光功率，慢慢调节W701或W901按顺时针方向，并依次测量对应的光功率，再以横坐标（电流）、纵坐标（光功率）描绘出相应的曲线，并依据测试的曲线算出相应的调节度。三、实验内容1. 熟悉光发送机的电光变换原理。2. 了解光发送系统的组成及工作流程。3. 观察并分析输出功率和注入电流的关系及光源的非线形失真。四、实验步骤及注意事项1.分别选择开关的各种信号后，用示波器观察测量点TP701或TP901波形，并且记录TP701和TP901信号的幅度（峰峰）。2.TP701位于实验系统的左上角，TP901位于实验系统的右上角。3.按上述方法连接好光功率计。测量光发端机的光功率，以横坐标（电流）、纵坐标（光功率）描绘出相应的曲线，并依据测试的曲线算出相应的调制度。用光纤扩展模块测P-I曲线：1实验操作介绍使用时先关闭实验箱电源，将“多模光纤通信模块”插入实验平台的中下部位的“多模光纤”插座中，请注意模块上的防呆口，不要蛮力操作防止损坏设备。模块的左端为“光端机发端”，可选择各种模拟信号或数字信号输入传输（开关J001）。TP01测量点为选择待发信号波形，电位器W001调节信号输入的幅度，W002调节信号的直流电平。可以选择传输的信号依次为模拟电话、视频信号、PN码、CMI编码、内误码测试数据、计算机数据，外加信号。模块的右端为“光端机收端”，可选择电光转换后的电信号送往底板平台，TP02测量点为光收端机恢复的电信号，幅度较小；TP03测量点为对恢复的电信号进行放大输出。电位器W003、W004调节信号放大的幅度；电信号可送往的模块为电话B的接收端、内误码仪的数据接收端、视频监测器、计算机、其他外部仪器。J003为视频头的视频信号输入，J004为恢复的视频信号输出；J005为计算机数据输入（串口1），J006为计算机数据输出（串口2）；自锁开关K001抬起时，串口1数据经电平转换、光纤传输系统、电平转换送到串口2；串口2数据经电平转换，电传输后电平转换送到串口1，实现计算机数据的双工通信。自锁开关K001按下时，串口1数据经电平转换、光纤传输系统、电平转换返回串口1，完成计算机数据的自环传输。其电路原理如图1-6所示：2光发端机P-I曲线的测量+5VR1R2W1IU1U2功率计光信号850nmGQ001图1-6 P-I曲线测量原理图其中R1=75欧姆，R2=620欧姆，光功率计选择测量波长为850nm档。电信号选择“伪随机码”档，W001、W002调节到中间某个位置固定不动。自己设计测量表,测量时，然后慢慢调节W1电位器（横卧），读出光功率计的读数，同时用万用表测出U1、U2两点的电压值，填入测量表1中。然后由公式得到光端机的注入电流I，再根据对应的光功率计读数描出此光发端机的P-I曲线。表1：P-I曲线的相关测量数据U1U2IP注意事项：由于光源属易损昂贵器件，认真算出最佳注入电流然后在此附近改变注入电流，否则易烧坏器件。五、测量点说明1. TP701: 为输入光发送模块（1310）的信号波形2TP901：为输入光发送模块（1550）的信号波形六、实验报告要求1.注入电流为何不能太大或太小。2.注入电流和功率曲线说明什么。3.描述光发送系统的组成及工作流程。实验2 光纤接收系统实 验 内 容1.熟悉光纤接收系统的组成及工作流程2.了解光接收机的功能及电路工作原理一、实验目的1.了解光纤接收系统的组成及工作流程；2.了解光收端机的功能及电路工作原理；3.掌握光收端机的灵敏度与动态范围的概念。二、实验电路工作原理1光接收系统的组成光接收系统光接收模块、信号接收选择开关、接口电路组成，如图2-1所示。光收模块接口电路信号接收选择开关光信号输入电信号输出图2-1 光接收系统框图在本实验系统中，存在两个光接收系统，其结构图分别如图2-2及图2-3所示：J702了发TP702U701了发光接收模块1310Rx了发缓存DWDMCMI/内误码了发电话出了发图像出了发外误码出了发6B出了发图2-2 光接收系统一（1310波长）U901了发DWDMRx了发光接收模块1550缓存J902了发6B出了发外误码出了发图像出了发电话出了发TP902CMI/内误码了发图2-3 光接收系统二（1550波长）其中，输入信号有数字电话数据、数字图像数据、外置误码信号、内置误码信号、5B6B码信号、CMI码信号等信号输入。其中，内置误码信号输入与CMI码输入共用一个开关。数字信号选择开关采用人工操作，对J702和J902进行选择，如图2-2及2-3所示，可见有下列几种选择状况：1.数字电话（光电转换的语音编码信号，送往电话收用户）2.图像传输（光电转换的数字图像，送往USB接口，至PC机接收显示）3.外置误码测试输入（光电转换的误码测试数据，送往S004误码测试数据输出接口）4.CMI码内置误码（光电转换的CMI或内误码或加扰数据，送往数据接收端模块译码并显示）5.5B6B码（光电转换的6B数据，送往数据接收端模块译码并显示）光接收模块的最基本功能是完成光电信号的转换、小信号的检测、传送信号的恢复等功能。数据接收端模块主要完成各种编码的译码与显示2光接收机的组成及技术性能光接收机的主要功能是将接收的光信号变换为原电信号，并且用自动增益控制电路（AGC）保证稳定的输出，光接收机方框图如图2-4所示,它由光检测模块、隔离器、主放大器和输出接口组成。隔离器主放大器输出接口光检测模 块图 2-4 光接收机基本组成框图(1)光检测模块光检测模块主要用来完成光电的变换，它由接收光口、光检测管及低噪声放大电路等组成。光检测管进行光电转换的实质是原子吸收一个光子的能量产生一个电子-空穴对，这个电子-空穴对在电场作用下运动形成电流。 (2)主放大器主放大器是一个低噪声放大器，它将来自隔离器的弱电信号进行放大，并输出一个稳定的信号电平到输出接口。主放大器的增益可调，以适应在不同的输入信号情况下仍能保证输出电平的稳定。光接收机的技术性能主要包括以下几个方面：（1）光接收机的灵敏度光收端机的灵敏度是指在保证一定的误码率前提下，光接收机所允许接收的最小光功率。灵敏度的单位为分贝毫瓦（dBm）。（2）光接收机的动态范围光收端机的动态范围是指在保证一定的误码率前提下，光接收机所允许接收的最大光功率与最小光功率之比。动态范围通常用对数值来表示，单位为dB。三、实验内容1. 熟悉光纤接收系统的组成及工作流程。2. 了解光接收机的功能及电路工作原理。四、实验步骤及注意事项1. 分别选择开关的各种信号后，用示波器观察测量点TP702或TP902波形，并且记录TP702和TP902信号的幅度（峰峰）。2. TP702位于实验系统的左上角，TP902位于实验系统的右上角。3. 用示波器观察测量点TP702的波形，注意该波形与TP701的波形相比较有何不同。4. 用示波器观察测量点TP902的波形，注意该波形与TP901的波形相比较有何不同。注意事项：内置误码的误码数据、加扰数据和CMI数据的光电转换输出共用一个开关K702（K902）的CMI/内误码档。内误码的误码率显示和6B译码显示共用U504、U505数码管显示，由K503区分。 五、测量点说明1TP702: 为从光接收模块（1310）输出的信号波形2TP902：为从光接收模块（1550）输出的信号波形六、实验报告要求描述光接收系统的组成及工作流程。实验3 5B6B编码与译码原理实 验 内 容1. 了解5B6B码的编码原理2. 了解5B6B码的译码原理一、实验目的1.了解5B6B码的编码原理；2.了解5B6B码的译码原理。二、实验电路工作原理（一） 5B6B的编码原理5B6B线路码型是国际电报电话咨询委员会（CCITT）推荐的一种国际通用光纤通信系统中采用的线路码型，也是光纤数字传输系统中最常用的线路码型。5B6B线路码型有很多优点：码率提高的不多，便于在不中断业务情况下进行误码监测，码型变换电路简单，它是我国及世界各国四次群光纤数字传输系统中最常采用的一种码型。5B6B线路码型编码是将二进制数据流每5bit划分为一个字组，然后在相同时间段内按一个确定的规律编码为6bit码组代替原来5bit码组输出。原5bit二进制码组有25共32种不同组合，而6bit二进制码组有26共64种不同组合。若将编译码组一一对应，则有32个冗余码组未被利用。可用这些码组改善编码性能。我们选择六位码组的原则是，使线路码型的误码扩展及数字和变差尽可能小，编码和译码器以及判决电路简单造且价低廉，定时信息最丰富，功率谱密度中无直流分量。6bit码组的64种组合中码组数字和d值分布情况是：d=0的码组有20个d=2的码组有30个d=4的码组有12个d=6的码组有2个根据这些原则选择6bit码组的方法为：d=4，d=6的6bit码组舍去（共14种），作为禁止码组（或称“禁字”）处理。d=0,d=2的六位码组都可能有取舍，并且取两种编码模式：一种模式是d=0、2,称模式I；另一种模式是d=0、d=-2,称模式II。当用模式I编码时，遇到d=2的码组后，后面编码就自动转换到模式II，在模式II编码中遇到d=-2的码组时编码又自动转到模式I。（二） 5B6B编码的实验产生过程本实验系统中使用的5B6B码是由数据发送单元模块（模块4）上CPLD可编程器件编程产生的，经光纤传输系统传输由数据接收单元模块（模块5）接收并显示输出，以便观测。在光纤信道上传输的是6B码，信号产生的产生过程如图3-1所示。其中，红色拨动开关SW401上的1、2暂时是空的，没有用。3、4、5、6、7是用来调控5B码的数据（右边5位），打在上端为0，打在下端为1。当为1时，SW401上面对应的5个发光二极管B4、B3、B2、B1、B0会亮，而为0时则不亮。通过它我们可以对5B信号进行控制。在CPLD可编程器件上，对5B信号进行编程，来产生6B信号在光纤上进行传输。B4B3B2B1B0 5764132TP408CPLD可编程器件EPM240U402AT89C2051U401SW4016B编码输出5B控制输入5B时钟TP405TP407TP4066B时钟输出5B数据输出图3-1 5B6B码的产生过程注意：本实验平台中，采用的5B6B编码方式为5B6B-1编码表中的模式1。因此，在查表时要注意不要对照错了。 表31为5B数据的32种可能的信号组合，由红色的SW401拨动开关决定。表32为5B6B编码对照表。 关于它的工作过程请参见实验4，这里不再详述。（三）6B的译码原理5B6B引路码型的译码原则是：将收到的6bit码组按原编码表还原为5bit码组，然后经并串变换输出为原二进制数字码流。需要指出的是，有两个问题需要解决：（1） 接收译码端如何像发送端一样，按6bit的编码分组进行时序上的同步；（2） 由于经传输等原因会产生误码，因而在收端会出现原编码表中未选用的六位码组（这种未选用的六位码组称为“禁字”）。出现“禁字”的码组，应以什么样的5bit码组数据输出。“禁字”在译码器中的译码表选择应以误码增值最小为原则。表31 5B数据信号组合十进制输入二进制组(5bits) SW401红色的拨动开关发光二极管B4 B3 B2 B1 B000 0 0 0 010 0 0 0 120 0 0 1 030 0 0 1 140 0 1 0 050 0 1 0 160 0 1 1 070 0 1 1 180 1 0 0 090 1 0 0 1100 1 0 1 0110 1 0 1 1120 1 1 0 0130 1 1 0 1140 1 1 1 0150 1 1 1 1161 0 0 0 0171 0 0 0 1181 0 0 1 0191 0 0 1 1201 0 1 0 0211 0 1 0 1221 0 1 1 0231 0 1 1 1241 1 0 0 0251 1 0 0 1261 1 0 1 0271 1 0 1 1281 1 1 0 0291 1 1 0 1301 1 1 1 0311 1 1 1 1表32 5B6B1编码表输 入模式1模式2012345678910111213141516171819202122232425262728293031000111011100110001101001011010010011101100111001100110010101010111100111101011011110101110110100001011011101011011110101110110111010101010011001101101001101110010010110100101100011001110111000000111011100110001101001011010010011101100000110100110010101101000011000010100100001010001110100001011100010100100001010001001000101101010011001010010001101110010010110100101100011001110111000（四）6B的译码电路组成在本实验系统中，译码电路由U501（EPM240）、J501（双排针下载接口）、J502（数据码长选择开关）、SW501（人工复位按键）、U502（AT89C2051）、K502（波长选择开关）、K503（置于2、3）、U503（MAX7219）、U504（四位数码管）和U505（四位数码管）等组成。关于它的工作过程请参见实验4，这里不详述。三、实验内容1了解5B6B码的编码原理。2了解5B6B码的译码原理。3该实验只涉及实验理论知识，不做具体实验，要具体操作动手做该实验时，将在实验4中进行。本次实验不写实验报告，实验报告将在实验4中完成。实验4 5B6B码光纤信道传输实 验 内 容1. 了解5B6B码的编码原理2. 了解5B6B码信号光纤传输的过程3. 了解5B6B码接收显示的原理4. 调整5B信号，记录显示数据并对照检查一、实验目的1. 了解5B6B码的编码原理；2. 了解5B6B码信号光纤传输的过程；3了解5B6B码接收显示的原理。二、实验电路工作原理5B6B码的编译码原理可以参考其它相关书籍。本实验系统中使用的5B6B码是由数据发送单元模块（模块4）上CPLD可编程器件编程产生的，经光纤传输系统传输由数据接收单元模块（模块5）接收并显示输出，以便观B4B3B2B1B0 U401CPLD可编程器件EPM240U402AT89C2051SW4015764132TP4086B编码输出5B控制输入5B时钟TP405TP407TP4066B时钟输出5B数据输出图4-1 5B6B码编码电路框图测。在光纤信道上传输的是6B码，信号产生的产生过程如图4-1所示。其中，红色拨动开关SW401上的1、2暂时是空的，没有用。3、4、5、6、7是用来调控5B码的数据，打在上端为0，打在下端为1。当为1时，SW401上面对应的5个发光二极管B4、B3、B2、B1、B0会亮，而为0时则不亮。通过它我们可以对5B信号进行控制。在CPLD可编程器件上，对5B信号进行编程，来产生6B信号在光纤上进行传输。注意：本实验平台中，采用的5B6B编码方式为5B6B-1编码表中的模式1。因此，在查表时要注意不要对照错了。 5B数据的32种可能的信号组合，由红色拨动开关SW401决定。5B6B信号的传输过程如图4-2所示。其中，开关K502控制数据接收单元是接收1310波长传输的数据信号还是接收1550波长传输的数据信号，当开关置于1、2位置时，接收的是1310传输的信号；当开关置于2、3位置时，接收的是1550传输的信号。在本实验系统中，译码电路由U501（EPM7064）、J501（双排针下载接口）、J502（数据码长选择开关）、SW501（人工复位按键）、U502（AT89C2051）、K502（波长选择开关）、K503（置于2、3）、U503（MAX7219）、U504（四位数码管）和U505（四位数码管）等组成。J701J702TP7025B6BTP7016B出显示输出TP408光纤传输系统13101550U401CPLD5B6B码K502J901J902TP9025B6BTP9016B出图4-2 5B6B码光传输过程本实验过程中，还有一个重要开关K503，图4-2中未标出，它控制数据接收单元是接收5B6B码信号还是内置误码信号。当开关位于1、2位置时，表明接收内置误码的输入；当开关位于2、3位置时，表明接收5B6B码。因此在实验时，首先应把此开关置于正确的位置。关于5B6B码的显示输出，如图4-3所示。光收端机接收到6B数据，经过译码还原为5B数据，在四位数码管上显示出来，右两位