光纤实验指导书2011版.doc

光 纤 通 信实验指导书计算机与通信学院9- -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 BS OUT信源位同步信号输出 FS OUT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 HDB3 OUT 编码器输出信号 HDB3 IN 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HDB3 OUT，译码输入点都在HDB3 IN。 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1-2 HDB3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，即脉冲宽度与码元宽度（码元周期、码元间隔）TS的关系是=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0000 0110 0001 0000 0，则NRZ码、AMI码，HDB3码如图1-3所示。图1-3 NRZ、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|=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1-4 AMI、HDB3、RZ|=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BS2. 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HDB3 OUT，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0111 0010 0000 1100 0010 0000态，观察并记录对应的AMI码和HDB3码。检测点波形(对应0111 0010 0000 1100 0010 0000 0111 0010 0000 1100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HDB3 OUT、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0111 0010 0000 1100 0010 0000，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。模拟信号控制开关光发模块切换电路光纤光纤数字信号图2-1 信号切换电路原理框图1310nm/1550 nm FP腔同轴激光二极管器件特性 MQW结构1310nm/1550nm FP腔激光二极管 -40C 至 85C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。图2-2 光接收电路结构框图光检测模块隔离电路主信号放大电路输出端口光纤光检测模块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、CI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2-4 NRZ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_measure J1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） 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0数字信号源模块的NRZ点光发送输入单元ANALOG T1点光接收输出单元ANALOG T4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1111 0000 1010 1111 0000 1010。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