2022年数字信号光纤通信技术分析方案.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 数字信号光纤通信技术试验的报告预习要求通过预习应懂得以下几个问题：1数字信号光纤传输系统的基本结构及工作过程；2衡量数字通信系统有那两个指标？；3数字通信系统中误码是怎样产生的？；4为什么高速传输系统总是与宽带信道对应？；5引起光纤中码元加宽有那些因素？；6本试验系统数字信号光-电/电 -光转换电路的工作原理；7为什么在数字信号通信系统中要对被传的数据进行编码和解码？；8时钟提取电路的工作原理；目的要求1. 明白数字信号光纤通信技术的基本原理2. 把握数字信号光纤通信技术试验系统的检测及调试技术试验原理一、数字信号光纤通信的基本原理数字信号光纤

2、通信的基本原理如图 8-2-1 示 图中仅画出一个方向的信道）；工作的基本过程如下：语音信号经模 / 数转换成 8 位二进制数码送至信号发送电路,加上起始位 低电平）和终止位 高电平）后 ,在发时钟 TxC 的作用下以串行方式从数据发送电路输出；此时输出的数码称为 数据码 ,其码元结构是随机的；为了克服这些随机数据码显现长0 或长 1 码元时 , 使接收端数字信号的时钟信息下降给时钟提取带来的困难,在对数据码进行电 / 光转换之前仍需按肯定规章进行编码,使传送至接收端的数字信号中的长1 或长 0 码元个数在规定数目内；由编码电路输出的信号称为 线路码信号；线路码数字信号在接收端经过光 / 电转

3、换后形成的数字电信号一方面送到解码电路进行解码 , 与此同时也被送至一个高 Q 值的 RLC 谐振选频电路进行时钟提取 . RLC 谐振选频电路的谐振频率设计在线路码的时钟频率处；由时钟提取电路输出的时钟信号作为收时钟 RxC, 其作用有两个：1. 为解码电路对接收端的线路码进行解码时供应时钟信号；2. 为数字信号接收电路对由解码电路输出的再生数据码进行码值判别时供应时钟信号；接收端收到的最终数字信号,经过数 / 模转换复原成原先的语音信号；图 8-2-1 数字信号光纤通信系统的结构框图在单极性不归零码的数字信号表示中 , 用高电平表示 1 码元,低电平表示 0 码元；码元连续时间 亦称码元宽

4、度）与发时钟 TxC 的周期相同；为了增大通信系统的传输容量,就要求提高收、发时钟的频率；发时钟频率愈高码元宽度愈窄；由于光纤信道的带宽有限 , 数字信号经过光纤信道传输到接收端后,其码元宽度要加宽；加宽程度由光纤信道的频率特性和传输距离打算；单模光纤频带宽,多模光纤频带窄；由于按光波导理论 1 分析 :光纤是一种圆柱形介质波导,光在其中传播时实际上是一群满意麦克斯韦方程和纤芯包层界面处 边界条件 的电磁波,每个这样的电磁波称为一个模式；光纤中答应存在的模式的数量与纤芯半径和数字孔径有关；纤芯半径和数字孔径愈大,光纤中参加光信号传输的模式也愈多,这种光纤称为多模光纤 芯径50 或 62.5 m

5、）；多模光纤中每个模式沿光纤轴线方向的传播速度都不相同；因此,在光纤信道的输入端同时鼓励起多个模式时,每个模式携带的光功率到达光纤信道终点的时间也不一样,从而引起了数字信号码元的加宽；码元加1 / 12 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 宽程度明显与模式的数量有关；由多模传输引起的码元加宽称为 模式色散 ；当光纤纤芯半径减小到肯定程度 时,光纤中只答应存在一种模式 基模）参加光信号的传输；这种光纤称为 单模光纤 芯径 510 m）；单模 光纤中虽然无模式色散存在 ,但是由于光源器件的发光光谱不是单一谱线、光纤的材料

6、色散和波导效应等原 材料色散 和 波导色散 ；材 因,光信号在单模光纤中传输时仍旧要引起码元加宽；这些因素产生的码元加宽称为 料色散和波导色散比起模式色散要小许多；当码元加宽程度超过肯定范畴,就会在码值判别时产生误码；通信系统的传输率愈高,码元宽度愈窄,答应 码元加宽的程度也就愈小；所以,多模光纤只适用于传输率不高的局域数字通信系统；在远距离、大容量的高 速数字通信系统中光纤信道必需采纳单模光纤；长距离、高速数字信号光纤通信系统中常用的光源器件是发光波长为1 3 m 和 1 5 m 的半导体激光器 LD；在传输速率不高的数字信号光纤通信系统中也可采纳发光中心波长为 0 86 m 的半导体发光二

7、极管 LED；光电探测器件,主要有 PIN 光电二极管和雪崩光电二极管；有关光纤通信中采纳的上述电光和光电器件的结构、工作原理及性能的具体论述见参考文献 2 ；二、试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同学在近代物理试验中学习到有关数字信号光纤通信的基本原理,我们在数字信号光纤通信试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缘由等问题加以论述；有关编码、时钟提取和解码问题先不作为本实验的基本要求；有必要时,做完这一试验后,可作为设计性试验对这些问题进行深化讨论；一）试验系统的硬件结构示；其中 , 光讯号发送部分采

8、纳中心波长为0.86 m试验系统的结构如图8-2-2图 8-2-2 数字信号光纤通信试验系统的基本结构的半导体发光二极管 LED）作光源器件；传输光纤采纳多模光纤；光讯号接收部分采纳硅光电二极管SPD）作光电检测元件；运算机通过 RS-232 串口掌握单片机；单片机再去掌握模数转换电路 ADC0809、数模转换电路 DAC0832 和数字信号并串 / 串并转换电路 8251 ,实现 A/D 、D/A 转换和数字信号的并串 / 串并转换；以上器件和集成电路工作原理及性能的具体说明见文献 3 ；图 8-2-2 中的单片机、ADC0809、DAC0832 及 8251 等部分是集中在试验系统的电端机

9、内,而 LED 的调制和驱动电路、SPD的光电转换部分是集中在试验系统的光端机内；二）工作过程试验系统传输的数字信号可以是 ASCII 字符的 2 进制代码,也可是语音信号经 ADC0809 集成芯片进行 A/D 转换后的数字信号；在试验内容基本要求阶段 躲开编、译码和收时钟提取问题,此时图 8-2-2 中的开关 K1、 K2 和 K3 均应打在“1” 位） , 试验系统的工作过程如下 : 2 / 12 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 1. 传输 ASCII 字符时 ,ASCII 字符的 2 进制代码由运算机供应

10、 , 经 RS 232 串口送至电端机,经电端机内的 8251 数据发送端 TxD）送至光端机 LED 调制电路输入端,进行数字信号的电- 光变换；从 LED 发出的数字式光信号,经传输光纤、光电二极管SPD）和再生电路变换成数字式电信号送至电端机内的8251数据接收端RxD, 经码值判别后再由RS 232 串口送回运算机,并在运算机屏幕上显示出相应的字符；2. 传输语音信号时,语音信号放大后送至电端机内 ADC0809 模拟信号输入端进行 A/D 转换,所形成的数字信号经 8251 并/ 串转换后由其数据发送端 TxD 送至光端机对 LED 进行调制；然后经过 ASCII 字符同样的传输过程

11、在试验系统接收端形成的数字信号再送至电端机,进行 经滤波、放大后再由音箱输出；以上过程均在程序掌握下由运算机和电端机中的单片机完成；三）数字信号的发送和电光转换在 8251 芯片设定为异步传输工作方式并波特率因子等于D/A 转换；由此生成的模拟信号1 的情行下,电端机发送端所发送的数据码是由起始位S）、数据位D0 D7）和终止位E）等共10 位码元组成；第一位是起始位,紧接着是从D0到 D7 的 8 位数据,最终一位是终止位；每位码元起始时刻与发送时钟TxC 的下降沿对应、码元连续时间与发送时钟TxC 的周期相等；对数字信号进行电- 光转换的LED 驱动和调制电路如图8-2-3示；由于电端机内

12、的 8251 集成电路的数据发送端TxD 在传输系统处于闲暇状态时始终是高电平,为了图 8-2-3 LED 的驱动和调制电路 图 8-2-4 数字信号的光电转换及再生延长发光二极管 LED 的使用寿命,对应这一状态应使 LED 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,对应电信号的 0 码,无光就对应电信号 1 码；图 8-2-3 中 W1是调剂 LED 工作电流的电位器；四）数字信号的光电转换及再生调剂由传输光纤输出的数字光信号在接收端经过硅光电二极管SPD 和再生调剂电路变换成数字电信号,再送至电端机内8251 集成电路的数据接收端Rx

13、D 进行码值判别；图8-2-4是数字信号光电转换及再生调节电路的原理图,其工作原理如下：当传输系统处于闲暇状态时,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 I b 注入,使 BG2 处于深度饱和状态,因此它的集- 射极之间的电压 Vce 极低,既使经过后面放大也能使反相器 IC2 的输出电压维护在高电平状态,以满意试验系统数据接收端 RxD 在闲暇状态时也应为高电平的要求；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

14、BG2 的基极电流 I b 减小；由于 SPD 结电容、其出脚接线的线间电容以及 BG2 基 - 射极间杂散电容的存在 在图 8-2-4 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 逐步脱离深饱和状态,向浅饱和状态和放大区过渡,其集- 射极电压 Vce 也开头按指数规律逐步上升；由于后面的放大器放大倍数很高,Vce 仍未上升到其渐近值时,放大器输出电压就到达了能使反相器 IC2 状态翻转的电压值,这时 IC2 输出端为低电平；在下一个 1 码元到来时,接收端的 SPD 无光电流,BG

15、2 的基极电流 Ib 又按指数规律逐步增加,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,并在此后又按指数规律下降；Vce 下降到某一值后,IC2 的输出由低电平翻转成高电平；调剂图 8-2-3 中 W1 或图 8-2-4 中W2,使 LED 的工作电流与 SPD 无光照耀时 BG2 饱和深度之间适当的配匹,既使在被传输的数据码中 1 码元和 0 码元随机组合的情形下,也能使接收端所接收到的数字信号在码元结构和码元宽度方面与发送的3 / 12 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 数字信号一样

16、；五）数字信号的码值判决和误码数字信号传输到接收端 8251 的 RxD 端后仍不能算信号传输过程的终止；此后,尚需在收时钟 RxC上升沿时刻对再生信号每位码元的码值进行“0” 、“1”判别；在 8251 芯片设定为异步传输工作方式时,码值判别过程如下：8251 内部有一时钟和计数系统,它随时检测着数据接收端 RxD 的电平状态,一旦检测到 RxD 的电平为低电平,接收端得知被传数据的起始位已到的信息；此后开头计时,计时到半个码元宽度时再次对 RxD 端的电平状态进行检测,如仍为低电平,说明从前检测到的低电平状态的确是被传数据的起始位,而不是噪声干扰；确认了传数据起始位的确到来之后,从确认时刻

17、开头,每隔一个收时钟 RxC 周期对 RxD 端的电平状态进行一次检测,如检测到为高电平,给予的码值为“1” ,反之为“0” ；如判别结果所形成的二进制代码与发送数据的代码一样,说明码值判别结果正确；依据正确判别结果的二进制代码从运算机字符库内调出的字符就会与发送字符一样；如判别结果所形成的二进制代码与发送字符代码不一样,运算机屏幕上显示的字符就与发送字符不一样,这说明试验系统在信号传输过程中有误码产生；在本试验系统中误码缘由有以下两种：1送到 8251 数据接收端 RxD 信号的码元宽度仍未调剂到再生状态 光端机前面板布局图4 / 12 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共

18、 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - C1 电 源 插座； C2外接音箱插孔；C3连接电端机的DDK-20 电缆插座；W正弦信号起振与波形调剂；K音箱切换开关图 8-2-5b 光端机后面板布局图图 8-2-6a 电端机前面板布局C1: 与运算机 RS232 串口联接的九针插座； C2: 电源插座； C3: 连接光端机的DDK-20 电缆插座图 8-2-6b. 电端机后面板布局试验内容1半导体发光二极管 LED ）电光特性的测定1）把发光二极管 LED 、光纤信道和光电二极管 SPD 按图 8-2-7 示接至光端机前面板的“LED 插孔” 和“ SPD 插孔” ,光端机前面

19、板的 SPD 切换开关 K1 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）用导线连接图 8-2-7 中“调制输入 ” 和“GND ” 插孔,反时钟方向调剂 W1 ,使光端机前面板的毫安表为一最小整数值,然后顺时钟方向调剂 W1 ,使毫安表读数渐渐增加,每增加 5mA 读取一次光功率计的示5 / 12 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 值,直到毫安表示值为 50mA 止,列表记录测量结果；依据试验读数,以毫安表读数为横坐标、光功率计读数扣除零点后）为纵坐标 ,绘制 LED 的电光特性

20、；图 8-2-7 半导体发光二极管 的平均工作电流为适当值 比如 20mA ）后,保持W1 的调剂位置不变,观看示波器荧光屏上是否有时钟信号波形显现；如无,并示波器荧光屏上显示出一条代表低电平的直线,就需沿顺时钟方向渐渐调剂 W2 ,直到示波器荧光屏上显现占空比为 50%的时钟信号为止；如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渐渐6 / 12 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 调剂 W2 实现时钟信号的再生调剂；如示波器荧光屏上有时钟信号波形显现,但占空比小于50%,就需顺时钟方向渐渐调剂W2 ；

21、如占空比大于50%,就需反时钟方向渐渐调剂W2；4ASCII 字符代码的光纤传输试验按图 8-2-9 示,进一步连接好试验系统的后面板；图 8-2-9 试验系统的后面板连接1）试验系统发送功能的检测按图 8-2-10 接好试验系统前面板的连线,并把电端机前面板的开关K1 执向左侧；启动运算机、运行配套7 / 12 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 软件后运算机屏幕上将显现图 8-2-11 示的界面；点击“串口设置 ” 按钮,运算机屏幕将换成图 8-2-12 示界面；依据电端机与运算机的连接情形,串口号挑选 COM1

22、 或 COM2 ；再点击“确定 ” 按钮,待运算机屏幕再一次显现图 8-2-11 示的界面后,点击“数字传输 ” 按钮；运算机屏幕上就显现图 8-2-13 示界面；图 8-2-11 把光标移至“请输入十进制数” 的窗口中后,在 0-127 的范畴内从键盘输入被传输的 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；观看示波器荧光屏上显示的串行数字信号波形的数码结构是否与被发送的 ASCII 字符的二进制代码一样；如一样,表示试验系统的发

23、送功能正常；如示波器荧光屏上观看不到这一波形,按电端机的“图 8-2-13 Reset” 按钮后用以上方式重新发送；图 8-2-12 2）试验系统数字信号的电光光电转换及再生调剂8 / 12 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 连续以上试验,把双迹示波器CH2 通道接至光端机前面板的“再生输出 ”插孔；调剂W1 使 LED 的平均工作电流为 2mA 以上；然后保持W1 的这一调剂位置不变,调剂W2 使双迹示波器CH2 通道显现码元宽度和数码结构均与 CH1 通道一样的再生波形为止；3）码值判别、误码及试验系统无误码状

24、态的调剂完成了上一步调剂之后,虽然光端机的 再生输出 端显现了与发送端波形一样的再生信号,但仍不能算完成了数字信号的传输过程；此后,尚需在接收时钟 RxC 的作用下对再生信号每位码元的码值进行“0” 、“1”判别；在判别时刻 , 如检 测到再生波形的电平为高电平,给予的码值为“1” ,反之为“0” ；如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样,说明码值判别结果正确；依据正确判别结果所形成的二进制代码从运算机字符库调出的字符 显示在图 8-2-13 示的界面 接收 栏中）就会与“本地显示 ” 栏中显现的字符一样；如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样,从运算机字符库

25、调出的字符就与“本地显示” 栏中显现的字符不一样；这说明试验系统在传输过程中有误码产生；使试验系统产生误码的缘由有以下两种：a 试验系统数据接收端 ；两个相邻起始位间隔的时间就是试验系统模数转换过程的采样周期,该周期的倒数值就是采样频率；因语音信号的频率在 300 3400Hz 范畴内,依据采样定理,采样频率应大于 7000次 /每秒,通信部门规定为 8000 次 /每秒；用收音机或单放机供应的语音信号接至光端机前面板的 语音信号 插孔 ,.示波器 CH1 和 CH2 通道分别接至光端机的 调制输入 和 再生输出 插孔；在时钟信号为TxC1 和 TxC2 两种情形下,用示波器观测传输语音时模数

26、转换过程的采样周期、运算相应的采样频率、用采样定理评估本试验系统传输语音信号时的性能 . 图 8-2-15 6数字信号的编码、解码和时钟提取设计性选作试验）在前面全部的试验过程中发送时钟和接收端码值判别所需时钟信号均由同一时钟信号供应；在实际通信系统中 ,接收端码值判别所需时钟信号是由接收端所接收到的数据码流中提取出来的.为了便于提取时钟信号,需要对从电端机送至光端机的数据码进行编码.编码的方式许多,本试验系统的编码码型采纳CMI 码, CMI 是 Coded Mark Inversion 传号反转码）的缩写；其变换规章是：用 01 代表数据码的 0, 用 00 或 11 代表数据码的 1,如

27、一个数据码 1 已用 00 表示,就下一个数据码 1 必需用 11 表示,也即表示数据码 1 的线路码在 00 和 11 之间交替反转；CMI 线路码长 0 和长 1 码元数目最多不超过 3 个,这对接收端的时钟提取非常有利；按 CMI 线路码的编码图 8-2-16 CMI 码编码电路规章,数据码的一个码元变成了线路两个码元；在不降低通信速率的情形下就要求发送 CMI 线路码的时钟频率提高 1 倍,或在沿用数据码发时钟的情形下,CMI 线路码的码元宽度应减小一半；实现 CMI 码变10 / 12 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 12 页精选学习资料 - - - - -

28、 - - - - 换规章的电路如图 8-2-16 示；用这一电路进行编码生成的 CMI 线路码的码元宽度相对于数据码的码元宽度减小了一半；因此其频谱中就含有等于发时钟频率 2 倍的谱线；接收端的 CMI 解码电路如图 8-2-17示,其变换规章与 CMI 码编码电路相反；接收端对 CMI 码进行解码和对解码后的数字信号进行码值判别时,需要与发时钟 TxC 同频率、同相位的时钟信号；这一时钟信号是从接收端的再生 CMI 线路码中提取；按图 8-2-18 示的电路结构设计一个时钟提取电路；设计任务与步骤：一）第一测定试验系统发时钟的频率 fTxC；二）挑选和运算图 8-2-18 中 RLC 谐振电

29、路的参数：谐振频率 f 0=2f TxC 三）音频信号源作输入信号,用示波器观测 RLC 谐振电路的选频特性,需要时适当转变电路参数,使RLC 谐振电路的选频特性满意设计要求；四）按图8-2-2 中的全部开关均打在2 位的连接方式,把设计好的RLC 谐振电路接入试验系统后,依照本试验第一阶段要求的内容重新试验；图 8-2-17 CMI 码解码电路图 8-2-18 时钟提取电路问题与摸索一、 语音信号数字光纤通信经受那些过程 . 二、 数字信号的码元宽度与什么因素有关？三、 数字光信号经光纤信道传输后码元宽度为什么要变宽？四、 假如利用一条光纤信道分时传输 32或更多）路模拟语音信号,在对语音信号以每秒 8000 次采样进行 8 位模数转换的情形下,光纤数字通信系统的发时钟的频率 f TxC 至少应等于多少？11 / 12 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 五、 为什么在数字信号发送端进行数据发送之前要进行编码？六、 在接收端由时钟提取电路输出的时钟信号有那些作用？七、 图 8-2-11 中 RLC谐振选频电路依据的工作原理是什么？12 / 12 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 12 页