数字信号光纤传输实验.doc

窗体顶端数字信号光纤传输实验实验目的1. 了解数字信号光纤通讯的基本原理2. 熟悉半导体光源器件电光特性及其测试方法3. 掌握数字信号光纤传输系统的检测及调试技术窗体底端窗体顶端实验仪器1.DOFD型数字信号光纤传输技术实验仪；2.计算机； 3.双迹示波器|窗体底端窗体顶端实验原理 一、概述 图1中表示了一个目前实用的光纤通讯系统的结构框图（图中仅画出一个方向的信道），该系统由以下几部分组成：光信号发送器、传输光缆、光信号接收器和收、发端的电端机。 图1 光纤通讯系统的结构框图 以上光纤通讯结构框图对模拟信号和数字信号传输系统均适用。对模拟信号系统而言，由电端机（发）送来的是话音或图象信号，要求光源器件应具有线性度良好的电光特性，对于数字信号传输系统，光源器件的非线性对系统性能影响不大。光纤通讯系统中常用的光源器件主要是半导体发光二极管LED（发光中心波长0.86m）和半导体激光器LD（波长1.3-1.5m）。前者具有线性度良好的电光特性，适用于模拟信号光纤传输系统或传输码率不高的小容量的数字光纤通讯系统；后者出光功率较大，波谱窄，发光中心波长能与光纤信道理论上的“零色散”所要求的波长匹配，故常用于以单模光纤作为信道的高速系统中。 光纤通讯系统中所用的光纤信道分多模光纤和单模光纤两种。多模光纤主要用于模拟信号传输系统或传输距离不太远、数码率不高的数字信号光纤传输系统中；单模光纤用于高速的光纤通讯系统中。有关以上两类光纤的结构、性能的详细论述见参考文献1。 光纤通讯系统中常用的光电探测器件，主要有PIN光电二极管和雪崩光电二极管。PIN光电二极管与普通的PN结光电二极管相比，不同之处就在于在普通光电二极管P层和N层之间有一层低掺杂的N型半导体，且尺寸较宽、掺杂浓度很低以致可把该层近似为本征半导体，故用“I”表示。在结构上的以上改进就使得PIN结构的光电二极管具有较宽的耗尽区和较小的结电容，从而提高了它的光电转换效率和对高速码率数字信号的快速响应能力。由硅材料制做的PIN光电二极管响应波谱为0.51.0m范围，中心响应波长为0.9m，这与光纤的一个低损耗波长对应。 雪崩光电二极管APD在结构上使它所用的偏压能够达到较高的值，在这一高反压作用下，使APD内形成一个高电场区，当光信号照射在APD上，光子激发出电子空穴对之后，受高电场区内的电场加速，可以碰撞出二次电子空穴对，使光电流倍增，提高了器件的灵敏度，以利于信号的远距离传输。有关光纤通讯中采用的上述电光和光电器件的结构、工作原理及性能的详细论述见参考文献2。 二、实验系统的硬件结构及工作原理 为了使非通讯专业的理工科学生能在综合物理实验中学习到有关数字信号光纤通讯的基本原理，我们在数字信号光纤传输实验中着重于对光信号的发送、接收和再生；数字信号的并串/串并转换；模拟信号的AD/DA转换以及误码现象和原因等问题加以论述。 1、实验系统的硬件结构 为以上目的开发的数字信号光纤传输实验系统的基本结构如图2所示，它包括了以下几个主要部分： 图2 数字信号光纤传输实验系统的基本结构 1）光讯号发送部分；2）传输光纤； 3）光讯号的光电转换和再生部分； 4）计算机； 5）模数/数模转换及数字信号的并串/串并转换接口电路； 6）时钟系统； 7）模拟信号源。 其中光讯号发送部分采用中心波长为0.85m的半导体发光二极管（LED）作光源器件，传输光纤采用芯径50m，包层125m的多模光纤、光讯号接收部分采用硅光电二极管（SPD）作光电检测元件、计算机接口采用ADC0809和DAC0832集成电路完成A/D和D/A转换；用8251集成芯片按异步方式进行数字信号的并串/串并转换。 以上器件和集成电路工作原理及性能的详细说明见文献3、4 2、基本工作原理 实验系统传输的数字信号可以是ASCII字符的2进制代码，也可是语音信号（模拟量）经ADC0809集成芯片实行A/D转换后的数字信号。对于ASCII字符的2进制代码经RS232串口由计算机送至电端机，再经电端机内的8251芯片的数据发送端（TxD）送至光端机光源器件（LED）的数字信号调制电路输入端，进行数字信号的电光变换。从LED出光口发出的数字式光信号经ST标准接插件藕合到传输光纤中。在传输光纤的出光端，数字式光信号经光电二极管（SPD）和再生电路变换成数字式电信号后，由实验系统的RxD端送至电端机,再经电端机内的8251芯片把接收到的ASCII字符2进制代码的电信号经RS232串口送回计算机，并在计算机屏幕上显示出相应的字符。对于语音信号，放大后送至电端机，用ADC0809进行A/D转换所形成的数字信号由DDK-20连接电缆再送至光端机TxD端，对LED进行电光调制。然后经过ASCII字符同样的传输过程在实验系统RxD端行成的数字信号再由DDK-20连接电缆送至电端机，进行D/A转换，形成的模拟信号经滤波、放大后再由音箱输出。以上过程均在配套软件提供的程序控制下由计算机和电端机中的单片机完成。 3数字信号的电光转换 LED的驱动和调制电路如图3示，它的输入信号是来自电端机数据发送端（TxD）。由于电端机数据发送端在数字信号传输系统空闲时始终保持高电平状态，为了增加发光二极管LED的使用寿命，在传输系统处于空闲状态下应使它无电流流过，为此，在其驱动调制电路输入端设置了一个由IC1组成的反相器。因此，LED发光，表示电信号的“0”码，无光则表示电信号“1”码。BG1集电极电路中的电阻RC起限流作用；W1 是调节LED工作电流的电位器。 图3 LED的驱动和调制电路图4数字信号的光电转换及再生 4数字信号的光电转换及再生 由传输光纤输出的数字式光信号在接收端经过硅光电二极管SPD和再生电路（如图4示）把光信号变换成数字式电信号，再由实验系统的RxD端输出。图4示电路的工作原理如下： 当数字传输系统处于空闲状态时，传输光纤中无光，硅光电二极管无光电流流过，这时只要RC和Rb2的阻值适当，晶体管BG2就有足够大的基极电流Ib注入，使BG2处于深度饱和状态，因此它的集电极和发射极之间的电压极低，既使经过后面放大电路的放大也能使反相器IC2的输出电压维持在高电平状态，以满足实验系统数据接收端RxD在空闭状态时应为高电平的要求。当系统进行数据传输时，对于电端机中8251芯片为异步传输工作方式情形，所传数据流的结构是由起始位（S）、被传数据（D0D7）和终止位（E）等共10位码元组成。第一位是起始位，为低电平，最后一位是终止位，为高电平。当传输“0”码元时，发送端的LED发光，光电二极管有光电流I3流过，它是从SPD的负极流向正极，这对BG2的基极电流具拉电流作用，能使BG2的基极电流Ib减小。由于SPD结电容、其出脚联接线的线间电容以及BG2基射极间杂散电容的存在（在图4中用Ca表示以上三种电容的总效应），使得BG2基极电流的这一减小过程不是突变的，而是按某一时间常数的指数规律变化。随着BG2基极电流的减小，BG2逐渐脱离深度饱和状态，向浅饱和状态和放大区过渡，其集电极发射极间的电压Vce也开始按指数规律逐渐上升，由于后面的放大器放大倍数很高，故还未等到Vce上升到其渐近值，放大器输出电压就达到能使反相器IC2状态翻转的电压值，这时IC2输出端（即8251A的数据接收端RxD）为低电平。在下一个“1”码元到来时，接收端的SPD无光电流，BG2的基极电流Ib又按指数规律逐渐增加，因而使BG2原本按指数规律上升的Vce在达到某一值时就停止上升，并在以后按指数规律下降。Vce下降到某一值后，IC2由低电平翻转成高电平。调节W1使LED的工作电流（即改变LED发光时的光强）与SPD无光照射时BG2饱和深度之间具有适当的配匹，既使在被传输的数据流中“1”码和“0”码随机组合的情况下，也能使光电检测和再生电路输出的数字信号的码元宽度（即持续时间）与发送端所发送的数字信号的码元宽度相等，或相差在无误码判决所允许的范围内。 5数字信号的码值判决、误码现象 数字信号传至实验系统的“RxD”端后还不能算信号传输过程的结束。此后，尚需在接收时钟（RxC）下降沿时刻对再生波形每位码元的码值进行“0”、“1” 判别。若在判别时刻检测到再生波形的电平为高电平，赋予的码值为“1”，反之为“0”。若判别结果所形成的二进制代码与发送的字符代码一致，表明码值判别结果正确。根据正确结果所形成的二进制代码从计算机字符库调出的字符就会与发送端发送的字符一致；若判别结果所形成的二进制代码与发送端发送的字符代码不一致，从计算机屏幕上显示的字符就与发送端发送的字符不一样。这表明实验系统在信号传输过程中有误码产生。产生误码的原因有以下两种： （1）数据接收端（RxD）的“1”码元高电平持续时间过长或过短，即接收端波形还未达到再生状态； （2）既使实验系统数据接收端波形达到了再生状态，由于接收端再生波形相对发送端的发送波形具有一定延迟，而本实验系统发送时钟TxC和接收时钟RxC又是由同一时钟系统供给（在实际的数字通信系统中RxC是用复杂的技术从接收端获得的再生信号中提取），当这一延迟超过接收时钟无误码判别所许可的范围时就会产生误码。再生波形相对发送端发送波形的延迟又与LED的工作电流（即发光强度）有关。 所以，若在接收端虽有再生波形但仍有误码现象出现的情况下，调节W1使LED导通时工作电流为另一值后，再调节W2可使端波形相对发送端波形的延迟达到无误码的再生状态。 三、实 验 仪 器 本实验系统使用的仪器主要有光端 机、电 端 机、光纤信道和计算机（详情见使用说明书） 。光端机前、后面板布局如图5.示、图6示；电端机前、后面板布局如图7.示、图8示 图5 光端机前面布局 . C1电源插座；C2音箱插孔 ；C3连接电端机 的DDK-20电缆插座 ；语音信号输入窗体底端窗体顶端实验内容1传输系统发送时钟TxC周期的测定把双迹示波器CH1通道接到光端机前面板L3和L2插孔、扫描时间分度值选为2s、调节同步旋钮使荧光屏上出现一稳定的波形后，观测并记录其周期值。图7 电端机前面板布局C1:电源插座; C2:与计算机RS232串口联接的九针插座;C3: 连接光端机的DDK-20电缆插座图8. 电端机后面板布局2半导体发光二极管（LED）电光特性的测定（1）首先断开图9中插孔L1、插孔L2间的连线，SPD切换开关K2拨至左侧，观测并记录光端机前面板光功率计的示值。以此示值作为光功率计的零点 （2）接通图9中插孔L1、插孔L2间的连线，反时钟方向调节W1，使光端机前面板的mA表为一最小整数值，然后，顺时钟方向调节W1，使mA表读数慢慢增加，每增加2mA读取一次光功率计的示值，并列表记录。根据实验读数，以电流为横坐标、光功率计读数（扣除零点后）为纵坐标绘制LED的电光特性。3时钟信号的电光光电转换及再生调节按图10接线。调节W1使mA表指示的LED在时钟信号调制状态下的平均工作电流为适当值（比如，1020mA）后，保持W1的调节位置不变。观察示波器荧光屏上是否有时钟信号波形出现。若无，并示波器荧光屏上显示出一条代表低电平的直线，就需沿顺时钟方向慢慢调节W2，直到示波器荧光屏上出现占空比为50%的时钟信号为止；若示波器荧光屏上显示出一条代表高电平的直线，就需沿反时钟方向慢慢调节W2实现时钟信号的再生调节。4ASCII字符代码的光纤传输实验（1）实验系统发送功能的检测在图10示连线的基础上，断开L3插孔和L1插孔间的连线，把双迹示波器CH1通道改接至L1插孔（TxD端）和L2插孔（GND端）。然后按图11示方式连接好实验系统。启动计算机、运行配套软件后计算机屏幕上将出现图12示的界面。点击“串口设置” 按钮，计算机屏幕上将换成图13示界面。根据电端机与计算机的连接情况，串口号选择COM1或 COM2；波特率选择B9600。再点击“确定”按钮，待计算机屏幕再一次出现图12示的界面后，点击“数字传输”按钮。计算机屏幕上将出现图14示界面。把光标移至“请输入十进制数”的窗口中，从键盘输入想要传输的ASCII字符的十进制数代码（比如，字符U、Z和7等等，它们相应的十进制数代码分别为85、90和55等等），再点击“发送”按钮，界面的“本地回显” 栏将显示出该代码的ASCII字符。观察示波器荧光屏上显示的波形的数码结构是否与被发送的ASCII字符的二进制代码一致。若一致，表示实验系统的发送功能正常；若示波器荧光屏上观察不到这一波形，按电端机的“Reset”按钮后，用以上方式重新发送。 图11 实验系统的连接图12（2）实验系统数字信号的电光光电转换及再生调节 在以上实验连线的基础上，把双迹示波器CH2通道接至光端机前面板的L6插孔（RxD端）和L7插孔（GND端），调节W1使LED的平均工作电流为1mA以上。然后保持W1的这一调节位置不变，调节W2，直到双迹示波器CH2通道出现码元宽度和图13数码结构均与CH1通道波形一样的再生波形为止。（3）码值判别、误码及实验系统无误码状态的调节完成了上一步调节之后，虽然光端机的“RxD”端出现了与发送端波形一样的再生波形，但还不能算数字信号传输过程的结束。此后，尚需在接收时钟（RxC）下降沿时刻对再生波形每位码元的码值进行“0”、“1” 判别。若在判别时刻检测到再生波形的电平为高电平，赋予的码值为“1”，反之为“0”。若判别结果所形成的二进制代码与发送端发送的字符代码一致，表明码值判别结果正确。根据正确结果所形成的二进制代码从计算机字符库调出的字符（显示在图14示的界面接收窗口中）就会与“本地显示” 栏中出现的字