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毕业设计
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光纤通信+课程设计报告,毕业设计
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I 课 程 设 计 报 告 课程名称 光纤通信 课题名称 通信系统综合实验 一、设计内容与设计要求 1、 设计 内容 1）多 路数据 多 路电话光纤综合传输系统 的实现 2）多 路数据 多 计算机 单 路图像 /语音全双工光纤综合传输系统 的 实 现 3） *多路 计算机 双 路图像 /语音全双工光纤综合传输系统 的实现 2、设计目的 掌握变速率时分复用的原理 、 实现方法 ； 学习并掌握计算机 RS232 通信技术 ； 掌握时分复用技术和波分复用技术的灵活搭配使用 ； 实现 数字 和语音同时通信 。 3、 实验仪器 与设备 1.光纤通信实验系统 2台。 2.示波器 1台。 3.波分复用器 2个。 4.电话 2部。 nts II 5.FC/FC光纤跳线 2根。 6.计算机若干台串口通信电缆若干根。 7.1310nm/1550nm 波长波分复用器 2个。 8.摄像头 1个。 9.监视器 1个（或用电话代替）。 4、 设计 原理 多 路数据 多 路电话光纤综合传输系统 综合了固定速率时分复用、解固定速率时分复用、 PCM 编译码、波分复用 等几个子系统 ，具体的实验原理可以参看 光纤通信原理教学系统实验指导书 中的 实验二十一、 实验二十四、实验二十五、实验二十 的方法； 多 路数据 多 计算机 单 路图像图像 /语音全双工光纤综合传输系统 拟实现 模拟图像、数据在同一光纤中传输。 即在 光纤 中同时 传输 数字 数据 和 模拟信号。一种解决方案综合了 光纤通信原理教学系统实验指导书 中的 实验二十六、实验二十七、实验十六的知识 ； 多路 计算机 双 路图像 /语音全双工光纤综合传输系统 综合了固定速率时分复用、解固定速率时分复用、变速率时分复用、解变速率时分复用、位时钟提取（数字锁相环 DPLL）原理及实现五个实验，具体的实验原理可以参看 光纤通信原理教学系统实验指 导书 中的 实验二十一、实验二十三、实验二十四、实验二十五、实验二十六、实验二十七。 5、设计要求 掌握结构化系统设计的主体思想，以自下而上逐步完善的方法实现指定的通信系统功能，并按要求测试相关参数、波形等实验数据，以积累一些典型的通信子系统的功能、性能、参数等知识以及系统集成的知识。 (1)在规定的时间内以小组为单位完成相关的系统功能实现、数据测试和记录并进行适当的分析。 (2)按本任务书的要求，编写课程设计报告（ Word 文档格式）。并用 A4纸打印并装订； nts III 目 录 一、课程设计题目 . 1 二、课程设计目的 . 1 三、课程设计主要任务 . 1 1、多路数据多路电话光纤综合传输系统： . 1 (1)PCM 编译码原理及数字电话光纤传输子系统 . 2 (2)波分复用光纤传输系统（ WDM） . 3 (3)HDB3 编译码原理及实现 . 5 (4)位时钟提取（数字锁相环 DPLL）原理及实现 . 6 (5)固定速率时分复用原理及实现 . 9 nts IV (6)解固定速率时分复用原理及实现 . 12 2、多路数据多计算机单路图像 /语音全双工光纤综合传输系统 . 14 (1)PN 序列光纤传输系统 . 14 (2)变速率时分复用原理及实现 . 15 (3)解变速率时分复用原理及实现 . 18 四、实验设备 . 21 五、总体设计方案的选定 . 22 六、相关数据测试结果等实验报表以及实验数据分析 . 24 七、收获及体会 . 26 nts 1 一、课程设计题目 （ 1） 多 路数据 多 路电话光纤综合传输系统 的实现 ； （ 2） 多 路数据 多 计算机 单 路图像 /语音全双工光纤综合传输系统 的 实 现 。 二、课程设计目的 （ 1） 掌握变速率时分复用的原理 、 实现方法 ； （ 2） 学习并掌握计算机 RS232通信技术 ； （ 3） 掌握时分复用技术和波分复用技术的灵活搭配使用 ； （ 4） 实现 数字 和语音同时通信 。 三、课程设计主要任务 1、多 路数据 多 路电话光纤综合传输系统 ： 人们使用光纤系统承载数字电视、语音和数字是很普通的一件事，在商用与工业领域，光纤已成为地面传输标准。在军事和防御 领域，快速传递大量信息是大范围更新换代光纤计划的原动力。尽管光纤仍在初期发展阶段，但总有一天光控飞行控制系统会用重量轻、直径小又使用安全的光缆取代线控飞行系统。光导纤维与卫星和其他广播媒体一起，代表着在航空电子学、机器人学、武器系统、传感器、交通运输及其他高性能环境使用条件下的商用通信和专业应用的新的世界潮流。 所以 综合了固定速率时分复用、解固定速率时分复用、 PCM 编译码、波分复用 等几个子系统。 nts 2 (1)PCM编译码原理及数字电话光纤传输 子 系统 本实验 系统中的是 A 律 PCM 编译码集成电路 TP3067 其引脚及内部框图如图所示。 TP3067由发送和接收两部分组成，其功能简述如下。 发送部分： 包括可调增益放大器、抗混淆滤波器、低通滤波器、高通滤波器、压缩 A/D转换器。抗混淆滤波器对采样频率提供 30dB 以上的衰减从而避免了任何片外滤波器的加入。阶梯波产生器、逐次逼近寄存器（ S A R ）比较器以及符号比特提取单元等 4 个部分共同组成一个压缩式 A/D转换器。 S A R 输出的并行码经并 /串转换后成 PCM信号。参考信号源提供各种精确的基准电压，允许编码输入电压最大幅度为 5VP-P发帧同步信Tp3067 引脚定义 光 纤光 接 收机 )x(n)重建滤波器 抽样保持、 x/sinx 低通 )x(t)模拟终端 波 形解 码器 模拟信源 ()xt 预滤波器 抽样器 波 形编 码器 量化、编码 光 发 射机 x(n)tp3067VFxI-VFxI+GSx抗 混 叠滤 波 器 带 通滤 波 器 D/A 阶 梯 波形 成 器比 较 器A/D转 换逻 辑 控 制 单 元符 号 比 特 提 取参 考 电 压并 串 变 换寄 存 器D/A 阶 梯 波形 成 器 低 通滤 波 器 平 滑滤 波 器 串 并 变 换寄 存 器RVFOxDRDnts 3 号 FSX为采样信号。每个采样脉冲都使编码器进行两项工作：在 8比特位同步信号 BCLKX的作用下，将采样值进行 8位编码并存入逐次逼近寄存器；将前一采样值的编码结果通过输出端 DX 输出。在 8比特位同步信号以后， DX端处于高阻状态。 接收部分： 包括扩张 D/A 转换器和低通滤波器。 D/A转换器由串 /并变换、 D/A寄存器组成、 D/A阶梯波形成等部分构成。在收帧同步脉冲 FSR上升沿及其之后的 8个位同步脉冲 BCLKR作用下， 8比特 PCM 数据进入接收数据寄存器 (即 D/A寄存器 )， D/A阶梯波单元对 8比特 PCM数据进行 D/A变换并保持变换后的信号形成阶梯波信号。此信号被送到时钟频率为 128KHZ 的开关电容低通滤波器，此低通滤波器对阶梯波进行平滑滤波并对孔径失真(sinx)/x进行补偿。 在通信工程中，主要用动态范围和频率特性来说明 PCM编译码器的性能。 动态范围的定义是译码器输出信噪比大于 25dB 时允许编码器输入信号幅度的变化范围。 PCM编译码器的动态范围应大于图 6-6所示的 CCITT建议框架（样板值）。 当编码器输入信号幅度超过其动态范围时 ，出现过载噪声，故编码输入信号幅度过大时量化信噪比急剧下降。 TP3067 编译码系统不过载输入信号的最大幅度为 5 Vp-p。由于采用对数压扩技术， PCM 编译码系统可以改善小信号的量化信噪比， TP3067 采用 律 13 折线对信号进行压扩。 13 折线压扩特性曲线将正负信号各分为 8段，第 1段信号最小，第 8段信号最大。当信号处于第一、二段时，量化噪声不随信号幅度变化，因此当信号太小时，量化信噪比会小于 25dB，这就是动态范围的下限。 TP3067 编译码系统动态范围内的输入信号最小幅度约为 0.025Vp-p。 常用 1KHz 的 正弦信号作为输入信号来测量 PCM 编译码器的动态范围（ 1KHz 的正弦波在模拟信号源中产生）。 语音信号的抽样信号频率为 8KHZ，为了不发生频谱混叠，常将语音信号经截止频率为 3.4KHZ的低通滤波器处理后再进行 A/D处理。 TP3067编码器的低通滤波器和高通滤波器决定了编译码系统的频率特性，当输入信号频率超过这两个滤波器的频率范围时，译码输出信号幅度迅速下降。这就是 PCM编译码系统频率特性的含义。 (2)波分复用光纤传输系统（ WDM） 光波具有很高的频率，利用光载波作为信息载体进行通信，具有巨大的可用带宽。对石英 光纤，其低损耗窗口总宽度约 200nm，带宽 25000GHz（ 25THz）。但实际光波系统中由于光纤色散和电路速率的限制，其通信速率限制在 10Gb/s 或者更小。为了充分利用光纤的频带资源，提高光波系统的通信容量，采用了如下几种复用技术： 光波分复用（ WDM） nts 4 光波分复用是将两种或多种不同波长的光载波信号（携带有各种类型的信息），在发送端经复用器（也叫合波器， multiplexer）把这些光载波信号汇合在一起，并耦合到光线路中同一根光纤中进行传输；在接收端经分波器（也叫解复用器， demultiplexer）将各种波长的光载波进行分离，然后由光接收机做相应的处理恢复原信号。这种复用方式称作波分复用。可以单向传输，也可以双向传输。 根据信道间隔的大小，光波分复用技术可分为三种，即稀疏的 WDM、密集的 WDM 和致密的 WDM，后者也叫做光频分复用（ PFDM）。 有三种传输形式：双模拟信号、模拟信号数字信号、双数字信号。 时分复用（ OTDM） OTDM方式的工作原理与电时分复用方式相似，只是在光域进行复用和解复用处理，即将光信号按照一定的帧结构传输，将一帧光信号时间 T 划分为 n 个时隙，每个时隙为 T/n，第 1， 2， ， n路的时隙依次排列，每个时隙只传输固定的信道。每个信道的时间位置可以通过延时器来调整。光时分复用方式的缺点是需要比复杂的光器件，而且色散影响比别的复用方式严重，这是因为 OTDM信号对带宽的要求高。 光码分复用（ OCDM） 光码分复用技术在原理上与电码分复用技术相似，并与之对应。 OCDM 系统给每个用户分配唯一的一个正交码的码字作为该用户的地址码，对要传输的数据信息用该地址码进行光编码，实现信道复用。在接收端用发送端相同的地址码进行光解码，实现用户间的通信。 OCDM 技术通过直接光编码和光解码，实现光信道 的复用和信号交换，能较好地发挥光纤信道频带宽的潜力，同时具有动态分配带宽、网络扩展容易、多址连接和控制灵活方便、网管简单、保密性能强等优点，适合于实时性要求高、速率高的宽带通信系统。 空分复用（ SDM） 空分复用是每根光纤只用于一个方向的信号传输，双向通信则需要有一对光纤，即光纤数量加倍，目前的实际光通信系统多工作于这种方式。显然， N 对光纤可以增加 Nnts 5 从的传输容量，不同系统的光波长相互独立。由于光缆都包含有多根光纤在内，因而可以认为空分复用是最早、最简单的光波复用方式。 方向分割复用（ DDM） 方向分 割复用是采用一对光的方向耦合器（即定向耦合器），分别配置于收发端用来分离收发两个方向的信号，从而实现一根光纤的同波长双向传输，当然不同波长就更没问题了。由于方向耦合器引起的近端串音会限制传输距离，因而方向分割复用方式只限于短距离传输。光方向分割复用（ DDM）方式系统构成示意图如下： 其中， WDM 光波系统是高速全光传输中传输容量潜力最大的一种多信道复用方案，本实验采用 1310nm和 1550nm的光波进行波分复用。 (3)HDB3编译码原理及实现 HDB3码简介 HDB3 码是三阶高密度码的简称。在数字电话 中， HDB3 码作为基带传输中的一种重要线路码码型，其特点是： 1）、由 HDB3码确定的基带信号无直流分量，且只有很小的低频分量。 2）、 HDB3中连 0 串的数目至多为 3个，易于提取定时信号。 3）、编码规则复杂，但译码较简单。 HDB3码编码规则： 1）、二进制序列中的 “0” 码在 HDB3码中仍编为 “0” 码，但当出现四个连 “0” 码时，用取代节 000V或 B00V代替。取代节中 V码、 B码均代表 “1” 码，它们可正可负（即 V+= 1， V-= 1， B+= 1， B-= 1）。 2）、取代节的安排顺序是：先用 000V，当 它不能用时，再用 B00V， 000V 取代节的安排要满足以下两个要求： 各取代节之间的 V 码要极性交替出现（为了保证传号码极性交替出现，不引入直流成份）。 V码要与前一个传号码的极性相同（为了在接收端能识别出哪个是原始传号码，哪个是 V码和 B码，以恢复成原二进制码序列）。 当上述两个要求能同时满足时，用 000V 代替原二进制码序列中的 4 个 “0” （用000V+或 000V-）；而当上述两个要求不能同时满足时，则改用 B00V（ B+00V+或 B-00V-，实质上是将取代节 000V中第一个 “0” 码改成 B码）。 nts 6 3）、 HDB3码序 列中的传号码（包括 “1” 码、 V 码和 B 码）除 V码外要满足极性交替出现的原则。 下面我们举个例子来具体说明一下，如何将二进制码转换成 HDB3码。 二进制码序列 : 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 HDB3码序列 : V+ -1 0 0 0 V- +1 0 1 B+ 0 0 V 0 1 +1 1 0 0 0 V- B+ 0 0 V+ 0 1 从上例可以看出两点： （ 1）、当两个取代节之间原始传号码的个数为 奇数时，后边取代节用 000V；当两个 取代节之间原始传号码的个数为偶数时，后边取代节用 B00V （ 2）、 V码破坏了传号码极性交替出现的原则，所以叫破坏点；而 B码未破坏传号码极性交替出现的原则，叫非破坏点。 HDB3解码规则 虽然 HDB3码的编码规则比较复杂，但译码却比较简单。从上述原理看出，每一个破坏符号 V总是与前一非 0符号同极性（包括 B 在内）。这就是说，从收到的符号序列中可以容易地找到破坏点 V于是也断定 V符号及其前面的 3个符号必是连 0符号，从而恢复 4个连 0码，再将所有 1变成 1后便得到原消息代码。 (4)位时钟提取（数字锁相环 DPLL）原理及实现 数字锁相环 (DPLL)是一种相位反馈控制系统。它根据输入信号与本地估算时钟之间的相位误差对本地估算时钟的相位进行连续不断的反馈调节，从而达到使本地估算时钟相位跟踪输入信号相位的目的。 DPLL 通常有三个组成模块： 数字鉴相器 (DPD)、数字环路滤波器 (DLF)、 数控振荡器 (DCO)。根据各个模块组态的不同， DPLL 可以被划分出许多不同的类型。根据设计的要求，本实验系统采用超前滞后型数字锁相环 (LL DPLL)作为解决方案， 图 1是其实现结构。在 LL DPLL中， DLF 用双向计数逻辑和比较逻辑实现， DCO 采用加扣脉冲式数控振荡器。这样设计出来的 DPLL 具有结构简洁明快，参数调节方便，工作稳定可靠的优点。 DPLL实现框图如下： 下面就对数字锁相环的各个组成模块的详细功能、内部结构及对外接口信号： A.超前滞后型数字鉴相器 鉴相器 滤波器 数控振荡器 1时 钟 2时 钟 数 据 输 入 时 钟 输 出数 字 锁 相 环 框 图nts 7 与一般 DPLL 的 DPD的设计不同，位同步 DPLL 的 DPD需要排除位流数据输入连续几位码值保持不变的不利影响。 LL DPD为二元鉴相器，在有效的相位比较结果中仅给出相位超前 或相位滞后两种相位误差极性， 而相位误差的绝对大小固定不变。 LL DPD通常有两种实现方式： 微分型 LL DPD 和积分型 LL DPD。积分型 LL DPD 具有优良的抗干扰性能，而它的结构和硬件实现都比较复杂。微分型 LL DPD 虽然抗干扰能力不如积分型 LL DPD， 但是结构简单，硬件实现比较容易。本实验采用微分型 LL DPD， 将环路抗噪声干扰的任务交给 DLF模块负责。 LL DPD模块内部结构与对外接口信号 如图 2 所示， LL DPD 在 ClkEst 跳变沿 (含上升沿和下降沿 )处采样 DataIn 上的码值， 寄存在 Mem 中。在 ClkEst下降沿处再将它们对应送到两路异或逻辑中，判断出相位误差信息并输出。 Sign 给出相位误差极性，即 ClkEst 相对于 DataIn 是相位超前(Sign=1)还是滞后 (Sign=0)。 AbsVal 给出相位误差绝对值：若前一位数据有跳变，则判断有效，以 AbsVal输出 1 表示；否则，输出 0表示判断无效。 下图显示了 LL DPD模块的仿真波形图。 LL DPD模块输入输出关系 B.数字环路滤波器 (DLF) DLF用于滤除因随机噪声引起的相位抖动，并生成控制 DCO 动作的控制指令。本 实验实现的 DLF内部结构及其对外接口信号如下图所示。 nts 8 DLF模块内部结构与对外接口信号 滤波功能用加减计数逻辑 CntLgc实现，控制指令由比较逻辑 CmpLgc 生成。在初始时刻， CntLgc被置初值 M/2。前级 LL DPD模块送来的相位误差 PhsDif在 CntLgc中作代数累加。在计数值达到边界值 0或 M后，比较逻辑 CmpLgc将计数逻辑 CntLgc同步置回 M/2，同时相应地在 Deduct或 Insert引脚上输出一高脉冲作为控制指令。随机噪声引起的 LL DPD 相位误差输出由于长时间保持同一极性的概率极小，在 CntLgc 中会被相互抵消，而不会传到后级模块中去，达到了去噪滤波的目的。计数器逻辑 CntLgc 的模值 M 对 DPLL的性能指标有着显著地影响。加大模值 M，有利于提高 DPLL 的抗噪能力，但是会导致较大的捕捉时间和较窄的捕捉带宽。减小模值 M 可以缩短捕捉时间，扩展捕捉带宽，但是降低了 DPLL的抗噪能力。根据理论分析和调试实践，确定 M为 1024，图中计数器数据线宽度 w可以根据 M确定为 10。 C.数控振荡器 (DCO) DCO 的主要功能是根据前级 DLF 模块输出的控制信号 Deduct 和 Insert 生成本地估算时钟 ClkEst，这一时钟信号即为 DPLL恢复出来的位时钟。同时， DCO还产生协调 DPLL内各模块工作的时钟，使它们能够协同动作。要完成上述功能， DCO 应有三个基本的组成部分：高速振荡器 (HsOsc)、相位调节器 (PhsAdj)、分频器 (FnqDvd)，如下图所示。 DCO模块内部结构与对外接口信号 高速振荡器 (HsOsc)提供高速稳定的时钟信号 Clk64MHz，该时钟信号有固定的时钟周期，周期大小即为 DPLL 在锁定状态下相位跟踪的精度，同时，它还影响 DPLL 的捕捉时间和捕捉带宽。考虑到 DPLL 工作背 景的要求，以及尽量提高相位跟踪的精度以降低数据接收的误码率，取 HsOsc输出信号 Clk64MHz的周期为 15.625ns，即高速振荡器HsOsc的振荡频率为 64MHz。 PhsAdj在控制信号 Deduct和 Insert上均无高脉冲出现时，仅对 Osc输出的时钟信nts 9 号作 4分频处理，从而产生的 Clk16MHz时钟信号将是严格 16MHz 的。当信号 Deduct 上有高脉冲时，在脉冲上升沿后， PhsAdj会在时钟信号 Clk16MHz的某一周期中扣除一个Clk64Mhz 时钟周期，从而导致 Clk16MHz 时钟信号相位前移。 当在信号 Insert 上有高脉冲时，相对应的处理会导致 Clk16MHz 时钟信号相位后移。下图为相位调节器单元经功能编译仿真后的波形图。 DCO模块相位调节器 PhsAdj单元输入输出关系 引入分频器 FnqDvd 的目的主要是为 DPLL 中 DLF 模块提供时钟控制，协调 DLF 与其它模块的动作。分频器 FnqDvd 用计数器实现，可以提供多路与输入位流数据有良好相位同步关系的时钟信号。在系统中，分频器 FnqDvd 提供 8 路输出 ClksSyn7.0。其中， ClksSyn1即为本地估算时钟 ClkEst，也即恢复出的位时钟 ； ClksSyn0 即为 DLF模块的计数时钟 ClkCnt，其速率是 ClkEst 的两倍，可以加速计数，缩短 DPLL 的捕捉时间，并可扩展其捕捉带宽。 (5)固定速率时分复用原理及实现 在实际应用中，通常总是把数字复接器和数字分接器装在一起做成一个设备，称为复接分接器。数字复接器的作用是把两个或两个以上的支路数字信号按时分复接方式合并成为单一的合路数字信号。数字复接器由定时、调整和复接单元所组成。定时单元的作用是为设备提供统一的基准时间信号，备有内部时钟，也可以由外部时钟推动。调整单元的作用是对各输入支路数字信号 进行必要的频率或相位调整，形成与本机定时信号完全同步的数字信号。复接单元的作用是对已同步的支路信号进行时间复接以形成合路数字信号。 复接方式： 将低次群复接成高次群的方法有三种；逐比特复接；按码字复接：按帧复接。在本实验中，由于速率固定，信息流量不大，所以我们所应用的方式为按码字复接，下面我们把这种复接方式作简单介绍，对于其他两种方式将在以后的实验中进行介绍。 按码字复接：对本实验来说，速率固定，信息结构固定，每 8位码代表一 “ 码字 ” 。这种复接方式是按顺序每次复接 1个信号的 8位码，输入信息的码字轮流被复接。复 接过程是：首先取第一路信息的第一组 “ 码字 ” ，接着取第二路信息的第一组 “ 码字 ” ，nts 10 再取第三信息的第一组 “ 码字 ” ，轮流将 3个支路的第一组 “ 码字 ” 取值一次后再进行第二组 “ 码字 ” 取值，方法仍然是：首先取第一路信息的第二组码，接着取第二路信息的第二组码，再取第三路信息的第二组码，轮流将 3个支路的第二组码取值一次后再进行第三组码取值，依此类推，一直循环下去，这样得到复接后的二次群序列（ d）。这种方式由于是按码字复接，循环周期较长，所需缓冲存储器的容量较大，目前应用的很少。 按码字复接示意图 固定速率时分复用包含数字信 号源、复接器两个部分。 1.数字信号源。 其中 74LS151的真值表如下： C B A Z 0 0 0 0 x0 0 0 1 0 x1 0 1 0 0 x2 0 1 1 0 x3 1 0 0 0 x4 八位并行数据 八位并行数据 八位并行数据 八位并行数据 八选一 74l51 八选一 74l51 八选一 74l51 八选一 74l51 CBA4CE3CE2CE1CE4D3D2D1DCEnts 11 1 0 1 0 x5 1 1 0 0 x6 1 1 1 0 x7 1 0 其中， A、 B、 C的信号由光端 FPGA给出，波形如下图所示： 4CE 、 3CE 、 2CE 、 1CE 始终为 “0” ，保持四片 74151始终用信号输出： 2.复接器 复接器是由 FPGA 实现的，其框图为： 其中，在固定速率时分复用时，先要对四路输入信号进行时隙的调整，调整前后波形如下图所示： 最后，将四路数据相与就得到复接信号了。 四路数据输出的帧结构是： 其中，帧同步码可以是数字信号源四路输出中的任意一路。改变帧同步码的位置，数字信号源终端的显示位置也将改变。 1 0 101 10 0 帧 同 步 码 数 据 一 数 据 二 数 据 三D4D3D1D2调整前 D DDDD D D DDDDDD D D D DDDDD D D DDDDDDDDD0D 7D6D5D4D3D2D1D7D6D5D4D3D2D1D0D7D6D5D4D3D2D1D0D7D6D5D4D3D2D1D0D4D3D2D1D调整后 定时 复接 调整 复 用 输 出四路输入 时 钟CABnts 12 (6)解固定速率时分复用原理及实现 解固定速率时分复用部分包括分解器、数字锁相环和帧同步码提取三个部分，其框图如下： 因为一路数字信号源用做帧同步码，因此，只显示了三路数据 。下面介绍一下帧同步码： 目前已经找到的最常用的群同步码字，就是 “ 巴克码 ” 。巴克码是一种具有特殊规律的二进制码字。它的特殊规律是：若一个 n 位的巴克码 ，每个码元只可能取值 +1或 -1，则它必然满足条件 式（ 25-1）中， R（ j）称为局部自相关函数。从巴克码计算的局部自相关函数可以看到，它满足作为群同步码字的第一条特性，也就是说巴克码的局部自相关函数具有尖锐单峰特性，从后面的分析同样可以看出，它的识别器结构非常简单。目前人们已找到了多个巴克码字，具体情况如下表所示。表中 +表示 +1， 示 1。 位数 n 巴克码字 2 + +； + 3 + + 4 + + + ； + + + 5 + + + + 7 + + + + 11 + + + + + 13 + + + + + + + + + 以 n = 7的巴克码为例，它的局部自相关函数计算结果如下 帧 同 步 码 提 取数 字 锁 相 环信 号 输 入BSBSFS分解器 三 路 数 据 输 出解 固 定 速 率 时 分 复 用 框 图巴 克 码 码 字 表 25-1nts 13 当 j = 0时： 当 j = 1时： 当 j = 2时： 同样可以求出 j = 3、 4、 5、 6、 7，以及 j = -1、 -2、 -3、 -4、 -5、 -6、 -7 时 R（ j）的值为 j=0 R(j)=7 j=1, 3, 5, 7, R(j)=0 j=2, 4, 6 R(j)=-1 根据上式计算出来的这些值，可以作出 7 位巴克码关于 R（ j）与 j的关系曲线，如下图所示。可以看出，自相关函数在 j 0 时具有尖锐的单峰特性。局部自相关函数具有尖锐的单峰特性正是连贯式插入群同步码字的主要要求之一。 帧同步码识别后的波形如图所示： 分解器主要由移位寄存器构成，框图如下： 八位移位寄 存器 八位锁存器 BS数 据 输 入八 路 数 据FS数字信号源显示终端 nts 14 2、多 路数据 多 计算机 单 路图像 /语音全双工光纤综合传输系统 视频图像采集的方法较多，基本可分为 2 大类：数字信号采集和模拟信号采集 。前者采用图像采集芯片组完成图像的采集、帧存储器地址生成以及图像数据的刷新；除了要对采集模式进行设定外，主处理器不参与采集过程，我们只要在相应的帧存储器地址取出采集到的视频数据即可得到相应的视频数据，这种方法， 无论在功能、性能、可靠性、速度等各方面都得到了显著的提高， 但成本高。后者采用通用视频A/D 转换器实现图像的采集，其特点是数据采集占用 CPU 的时间，对处理器的速度要求高，成本低、易于实现，能够满足某些图像采集系统的需要。 拟实现 模拟图像、数据在同一光纤中传输。 即在 光纤 中同时 传输 数字 数据 和 模拟信号。 (1)PN序列光纤传输系统 PN 码也称伪随机序列。它具有近似随机序列 (噪声 )的性质，而又能按一定规律 (周期 )产生和复制的序列。因为随机序列是只能产生而不能复制的，所以称其是 “伪 ”的随机序列。常用的伪随机序列有 m 序列、 M 序列和 R S 序列。 本实验系统是采用的 m 序列作为伪随机序列。 m 序列即长线性反馈移位寄存器序列的简称。 带线性反馈逻辑的移位寄存器设定各级寄存器的初始状态后，在时钟触发下，每次移位后各级寄存器状态会发生变化。观察其中一级寄存器（通常为末级）的输出，随着移位时钟节拍的推移会产生一个序列，称为移位寄存器 序序列。可以发现，移位寄存器序列是一种周期序列，其周期不但与移位寄存器的级数有关，而且与线性反馈逻辑有关。 本实验系统采用了如下的逻辑关系： PN 序列的波形如下： 光端 FPGA模块中有两路 PN序列输出，其中 TP720是 7位 32Kbit/s的 NRZ码， TP718是 15 位 256Kbit/s 的 NRZ 码。 D D D D 3a1a 0a 4a输出 2aCLK PN序列 nts 15 (2)变速率时分复用原理及实现 变速率时分复用的框图如下： 各组成模块的功能说明如下： 码速调整： 将输入信号用 128kbit/s 的时钟进行 CMI 编码。使输入信号具有 同码速。输出信号的速率为 256kbit/s。 复接器： 将 4 个支路已经同步的信码流和四位巴克码复接成一个高速率的信号。输出信号的速率为 2048kbit/s。 时钟源： 为整个复接电路提供稳定的时钟信号。 逐比特复接也叫逐位复接。逐位复接的示意图如下图所示。 (a)、 (b)、 (c)、 (d)是 4个被复接支路的信号 (基群数字信号 )， (e)是复接后的数字信号。复接过程是这样的： 首先取第一基群的第一位码，接着取第二基群的第一位码，再取第三基群的第一位码，再取第四基群的第一位码，轮流将 4 个支路的第一位码取值一次后再进行第二位码取值，方法仍然是：首先取第一基群的第二位码，接着取第二基群的第二位码，再取第三基群的第二位码，轮流将 4 个支路的第二位码取值一次后再进行第三位码取值，依此类推，一直循环下去。这样得到的图中 (e)序列就是复接后的二次群序列。可以看出，复接后每位码的宽度只是原来支路每位码宽度的 1 4，换言之，容量增加了 4 倍。复接时，缓冲存储器是不可少的，其原因可由图 4-1 看出：当复接 器在复接第二、第三和第四基群的第一位码时，第一基群的第二位码，第三位码 不断送来，而这些码位要等第四基群的第一位码复接完了才能复接它们。因此，每个基群都需要存储器先把它们存储起来。由于是按位复接，循环周期不长，存储器所需的容量不大，制作比较简单。缓冲存储器的容量由下式决定： 11 mmuM )( 式中 u 为复接单位的比特数。上图中每次复接一位，即 u=1； m 为被复接的基群数，这里 m=4。这样二次群复接器所需的容量 M 为： )(275.1143 bitM 式中的 1bit 是 先写进去以便读出的存储起始撞， 3 4 是读第二、三、四基群的第一码速调整 按位复接 时钟源 四 路 数 据 输 入四 位 巴 克 码复 用 输 出nts 16 位码时最低所需存储容量。可见，缓冲存储器的容量取 2bit 就够了。 按位复接简易原理框图： 变速率时分复用和固定速率时分复用主要区别在于变速率时分复用采用了按位复接的方式而固定速率时分复用采用的是按码字复接。按位复接设备简单，但是信号的完整性比较差。按码字复接信号完整性好，但设备较复杂，所需缓冲存储器的容量较大，目前应用的很少。 正码速调整原理 ： 码速调整有三种方式：正码速调整；正负码速调整；正零负码速调整。 ITUT 推荐使用正码速调整和正零负码速调整方式。我国大部分复用设备采用正码速调整方式，也有采用正零负码速调整方式的。 目前应用的多是 “脉冲插入同步 ”方式，这种方式是利用插入脉冲的方法来实现调整的。 nts 17 所谓正码速调整就是将被复接的低次群的码速都提高，使其同步到某一规定的较高的码速上。例如在 PCM 基群的数码率标称值都是 2 048kb s，但由于各个独立的时钟源总是存在偏差，因此，可根据复接帧的要求，确定脉冲的插入数目，使每个基群的数码率均由 2 048kb s 填充到所要求的数码率，二次群复接时为 2112kb s。这样，码速都提高了，又达到了相互同步的目的。由于是用提高码速来使其同步，故称为正码速调整。 在系统中，首先对输入的四路信号按一定速率进行编码，以便使四路信号速率的标称值相同，编码方式可以采用多种方式（如 CMI、 DMI， 5B6B， 4B1H 等等），然后再对编码后的信号进行脉冲插入同步的正码速调整，下面，我们对正码速调整中插入脉冲部分的原理作简单介绍，而去插入脉冲部分将在下一实验中说明： 采用脉冲插入同步的正码速调整的原理如下图所示。该图只绘出一个支路的码速调整插入部分情况，去插入部分和复接部分没有绘出。 脉冲插入同步方式插入部分的原理示意图 (a) 方框图； (b)支路输入数码流 fi， (c)码速调整后的数码流 fm; 基群输入的数字信号先写入到一个缓冲存储器，写入速率是编码速率，读出时钟频率则是码速调整后的速率 fm，而 fmfi，所以存储器是读得快写得慢，即存储器处于 “快读慢写 ”状态。快读慢写会出现什么结果呢 ?从图 (b)和 (c)可以看出，第 1 个脉冲经过一段时间后读出，第 2 个脉冲的读出， 其经过的时间长度比前者要短一些，因读出速度比写入速度快，以后的写入与读出时间差，即相位差愈来愈小，在第 6 个脉冲时两者相位nts 18 差已很小，即将出现取空状态，当相位差小到一定程度时，由相位比较器 (在缓冲存储器中 )发出插入请求，要求插入脉冲控制电路发出一个插入指令，停止一次读出，同时在此瞬间插入一个脉冲，如图中虚线位置所示。 插入脉冲是不携带信息的，所以在接收端应把它去掉，为此，发送端在插入脉冲的同时，必须发出一个标志信号通知接收端，据此判别出哪些是插入脉冲，然后把它去掉以恢复原始信号。 (3)解变速率时分复用原理及实 现 分接端的原理框图如图 5-1 所示。 各组成模块的功能说明如下： 分接器： 把输入信号分接成 4 咱，分路送入缓冲存储器。 数字锁相环： 从输入信号中提取定时信息，为其他模块提供时钟。 帧同步码提取：为分接器提供帧同步信号 去插入原理介绍： 去插入原理示意图如下图所示。 同步脉冲去插入原理示意图 帧 同 步 码 提 取数 字 锁 相 环信 号 输 入BSBSFS分接器 四 路 数 据 输 出解 固 定 速 率 时 分 复 用 框 图CMI 译码 单元 nts 19 （ a）方框图；（ b）码速调整后的数码流 fm； （ c）扣除插入脉冲后的接收信号；（ d）恢复后的原数码流 fi 在接收端，当收到发送端的标志信号后， 它连同信号一起通过一个标志信号检出电路而被检出，因而产生一个 “消插指令 ”，把写入脉冲禁掉一个，也就是不使插入脉冲写入存储器。如图 (c)所示，即原虚线所示的位置空着了。 这时，数码与原来的数码次序一样 (因已扣除了插入脉冲 )，但时间间隔是不均匀的，中间有间隙。因此，在接收端，要恢复原数码，必须从图 (c)波形中，提取时钟 fi，即是将已去掉插入脉冲的数码流均匀化。这一任务用一个锁相环来完成。 锁相环框图如图 5-3 所示。由鉴相器、压控振荡器和低通滤波器组成。压控振荡器的输出是读出时钟 fi，相位为 0。鉴相器有两个输入 信号：一个是写入时钟 fm，它是已扣除插入脉冲的序列，其相位为 i；另一个是压控振荡器的输出 fi。鉴相器将两信号进行相位比较，鉴相器的输出电压 ud 与它们的相差 e 成比例，经过低通滤波器滤出的直流成分 uc，即为其平均值。 uc 作为 VCO 的控制电压，通过环路的作用，使 fi 与 fm同步，即振荡器振荡在平均频率 fi 上，使读出脉冲的间隔均匀了。 图 5-3 收端读出脉冲均匀化 (a) fm(已扣除塞入脉冲 )； (b) fm(写入 )； (c) fi(读出 )； (d) ud=kde 为了使塞入脉冲的塞入和去塞入更可靠一些，往 往采用定位塞入法。而塞入脉冲的标志信号往往是与帧同步信号一起传送，这时数据信道与信息信道合成为一个信道。综上所述，接收端工作过程要点如下： 1、 定时再生电路再生 fm，作为写入时钟。 2、 由插入脉冲检测电路检测出插入脉冲后，发出扣除插入脉冲指令，把写入脉冲禁掉一个，即不使插入脉冲写入存储器。 3、 将已扣除塞入脉冲的 fm 送到锁相环鉴相器，通过锁相环的作用，获得读出时钟 fi，nts 20 即恢复为原来支路的频率 fi。 4、 由于锁相环的存在，不可避免要产生抖动。下面讨论正码速调整的基本参数 ： 设 fb 为标称复接比特率； fL为标称支路比特率； m 为支路数； K 为每帧中对应每个支路的非信息比特数； G 为每帧中对应每个支路的信息比特数。 则有： a、帧长 LF 帧长表示每帧中信息比特与非信息比特的总和为 LF m(G+K) （式 5-1） b、帧频 fF 帧频 fF表示每单位时间内的帧数，FbLffF （式 5-2） c、标称码速调整速率 fs(fi) 标称码速调整速率 fs 也称为标称插入速率，是当支路速率与复接速率都等于标称值时，插入的调整比特的速率。 LbFs ffLGf （式 5-3） d、每支路最大码速调整频率 fsMAX。 FsMAX ff 或 bFVsMAX fLIf （式 5-4） 式中 IV 是每帧每支路可用于码速调整的比特数。 e、标称码速调整比 S S 是标称码速调整速率与每支路最大调整速率之比： FbLFLs M A Xs LffGffGf fS （式 5-5） f、正码速调整的基本关系式 由（式 5-1）得： mLKG F（式 5-6） 由（式 5-5）得： FbL LffSG （式 5-7） nts 21 将式 (3.7)代入式 (3.6)可得： FbLFbLF LffmLffmLSK 1 (式 5-8) 式 (3.8)就是正码速调整的基本关系式，其中，支路比特速率 fL、复接比特率 fb 和支路数 m 都是已知量。帧长 LF对应每个支路的非信息比特数 K 及标称码速调整比 S 是基本设计量。在这三个设计量中通常取帧长 LF做自变量。每取一个 LF值即可按基本公式求得左端的数值 ，该数值的整数部分就是 K 值，小数部分就是 S 值。 四、实验设备 1.光纤通信实验系统 2台。 2.示波器 1台。 3.波分复用器 2个。 4.电话 2部。 5.FC/FC光纤跳线 2根。 6.计算机若干台串口通信电缆若干根。 7.1310nm/1550nm 波长波分复用器 2个。 8.摄像头 1个。 9.监视器 1个（或用电话代替）。 nts 22 五、总体设计方案的选定 图 1、 多 路数据 多 路电 话光纤综合传输系统 框图 WDM 1550nm 光收模块 1310nm 光发模块 PCM 编码解复 用模块 电话甲 电话乙 PCM 解 码模块一 PCM 解 码模块二 CMI 译码模块 解扰码模块 HDB3 编码模块 DPLL 光 端 HDB3 译码模块 解变速率时分复模块用模块 四路输出 DPLL 电 端 电话 甲 电话 乙 PCM 编 码模块一 PCM 编 码模块二 PCM 编码复 用模块 1550nm 光发模块 数字信号源 变速率时分复用模块 1310nm 光发模块 HDB3 编码模块 HDB3 译码模块 扰码模块 DPLL CMI 编码模块 电 端 光 端 WDM nts 23 图 2、 多 路数据 多 计算机 单 路图像图像 /语音全双工光纤综合传输系统 框图 固定速率时分复 用模块 计算 机一 计算 机二 计算 机三 数字信号源 变速率时分复用模块 HDB3 编码模块 HDB3 编码模块 扰码模块 CMI 编码模块 WDM 电话甲 / 视频信号源 1550nm 光发模块 1310nm 光发模块 WDM 1310nm 光收模块 1550nm 光收模块 CMI 译码模块 电话乙 / 视频终端 解扰码模块 解变速率时分复用模块 计
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