光纤通信实验指导书

1、 目 录光纤通信实验指导书考试时间：11.25 9:40-11:40 bw505实验六、九、十、十一可打印 图手画 山东建筑大学信息与电气工程学院 目 录第一章 光纤通信实验入门 1实验一 光纤通信实验概述11. 实验系统总体介绍2. 光纤传输的种类3. 光纤活动连接器的类型实验二 尾纤波长识别实验 71. 我国采用的光纤光缆型号的表示方法2. 从光纤光缆的规格代号中识别尾纤波长3. 用测量法识别尾纤波长实验三 活动连接器观察识别实验111. 光纤通信对活动连接器的基本要求2. 常用的活动连接器的基本结构3. st型、sc型、fc型、pc型、sma型连接器的特点实验四 单模与多模光纤信号传输方

2、式识别实验181. 从光纤光缆的规格代号中识别光纤信号的传输模式2. 从光纤光缆的外套颜色识别光纤信号的传输模式第二章 光纤通信基础实验20 实验五 cpld可编程信号产生及成形实验 201. 熟悉光纤通信原理实验系统电路组成2. 熟悉cpld可编程信号发生器各测量点信号波形3. 测量并分析各测量点波形及数据4. 学习cpld可编程器件的编程操作实验六 码型变换及眼图观察测试实验 241. 光纤通信采用的线路码型及cmi码的特点2. cmi码的编解码实现方法3. 分析cmi编码时的电路及各测量点波形4. 熟悉眼图实验七 光纤发送系统实验 301. 熟悉光发送的电光变换原理2. 测量并分析模拟光

3、发端机和数字光发端机的波形及数据3. 了解模拟光发端机和数字光发端机的区别4. 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实验八 光纤接收系统实验 381. 熟悉光检测模块的光电变换原理2. 光收端机的动态范围测试实验3. 光收端机的灵敏度测试实验4. 光收端机接口电路共模噪声抑制方法实验九 pcm数字电话光纤信道传输实验 441. 熟悉光传输系统电话通信全过程2. 数字光传输时工作波形测试及系统性能测试3. 观察并分析通话过程中的话音信号波形及其影响因素实验十 双工数据光传输系统单元实验481. 观察并分析数据传输的误码及各点的波形2. 介绍测试光纤信道的最大中继距离的方法实验十一

4、 双工模拟电话光传输系统单元实验531. 模拟光传输时各测量点测试及系统性能测试2. 分析模拟光传输与数字光传输系统的异同实验十二 外加信号在光纤信道传输实验561. 熟悉外加模拟信号在光纤信道传输的特性2. 熟悉外加数字信号在光纤信道传输的特性第三章 光纤通信加强实验59 实验十三 光纤信道误码测试实验591. 了解误码测试仪使用方法2. 熟悉光纤信道中的误码测试方法3光收端机的误码测试实验实验十四 双工数字光收端机接口指标测试实验611. 灵敏度测试2. 动态范围测试实验十五 pcm话路特性综合测试实验 631.了解pcm的话路特性2.测试并分析pcm的各项话路特性实验十六 双工光纤传输特

5、性测量实验641.光纤损耗的插入测试法2.多模光纤带宽的时域测试法第一章 光纤通信实验入门实验一 光纤通信实验概述实 验 内 容1.实验系统总体介绍2.光纤传输的种类3.光纤活动连接器的类型一、总体介绍本实验系统根据光纤通信系统原理的主要知识点进行实验，结合光纤技术、电子技术和可编程器件技术，针对光纤通信系统的典型应用可进行多项实验或示教，实验内容重点突出，内容丰富，有重点有层次的培养实验者的动手能力。实验系统总方框图如图1-1所示，实验系统分布图如图1-2所示，它由以下7个部分单元电路组成：1.cpld可编程器件2.模拟接口单元3.数字接口单元4.信号处理单元5.光发端机单元6.光接收机单元

6、7.光纤信道传输单元每个单元电路的详细说明将在后面的实验中逐一介绍。st型光纤连接器数字接口电路模拟接口电路模拟接口电路数字接口电路半导体光检测器半导体光源 cpld可编程器件 发 信 号 处 理 单 元 收 信 号 处 理 单 元光纤光收端机光发端机图1-1 实验系统总方框图二、光纤传输系统介绍光纤是由高纯度的sio2（俗称玻璃）制成的良好的通信媒介，其优点是尺寸小、质量轻，其纤芯典型尺寸多模光纤为50m或62.5m，比人的头发丝还小。抗电磁干扰保密性好，节省了大量的金属。最主要的优点有两点：1损耗小传输距离远，其损耗典型值为0.1db/km，而与之对应的同轴电缆则为5db/km。2. 容量

7、大，目前一根光纤的传输容量达到320gbps。光纤通信是以光为载波，以光纤为传输媒介的一种通信方式。光载波是由半导体光源产生的，与我们日常生活中熟悉的光源如白炽灯、日光灯、发光二极管（如红色、绿色、黄色的）不同，它属于红外光源。半导体光源的体积小，寿命长，常温下可连续工作，尤其是半导体激光源的特性更好，它的发光功率大，传送距离远。光源的发光波长应与光纤的三个低损耗窗口相对应，它们分别以0.85m、1.30m、1.55m为中心，1.30m为零色散窗口，1.55m为最低损耗窗口。光纤传输系统的基本框图如图1-3所示图1-3 光纤传输系统方框图由图1-3 知光纤传输系统由光发端机，光收端机，光纤组成

8、。光发端机完成将电信号调制到光载波上去，采用强度调制（im），光收端机完成光信号的解调，采用直接检测（dd）属于非相干解调，光载波由半导体光源产生，直接检测由半导体光检测器将光信号转换成电流信号。光纤由光纤连接器与光发端机或光收端机相连，其连接关系如图1-4 所示。注意：在连接过程中不能使用蛮劲，仔细将方向、缺口对准，把插头插入底座然后旋紧保护套环即可。光纤的弯曲弧度不能太小，以免折断光纤。插头前端为陶瓷芯子很易碰碎，注意切勿弄脏、碰碎。(c) 图1-4 光发、收端机与光纤连接器连接示意图三、光纤通信的优越性1.最小的传输损耗2.极宽的传输带宽3.光缆外形直径很小4.光缆重量很轻5.与常规同轴

9、电缆相比，光缆在安装时更易弯曲6.极不易受电磁场的干扰7.光缆材料更易获得8.最低的泄漏，最高的安全性9.对高温和化学物品的最大承受力四、光纤的类型1.多模光纤多模光纤是允许多于一个模式光波传输的光纤。模式的数目取决于芯径、数值孔径（接收角）、折射率分布特性和波长。2.单模光纤当入射光波长大于截止波长时，光纤将只能传输一个基模的光波。这种只允许一种模式光波的传输的光纤叫做单模光纤。一般芯径小于10m。光纤的类型如图1-5所示。 折射率 光纤芯直径50-200m包层渐变折射率多模光纤传输带宽1000mhz 折射率 光纤芯单模光纤传输带宽10ghz直径5-10m 包层 折射率 光纤芯图1-5 光纤

10、的类型五、光纤活动连接器的类型及操作注意1光纤通信产品中使用的活动连接器类型一般可分为： fc/pc型 fc/apc型 sc或st型上述三种类型的光纤活动连接器均可作为光输入/输出端口。2光纤活动连接器操作注意事项： 连接器应放置于清洁场地，不用时应盖好保护帽。 在插拔连接器时，严禁用力拉扯光缆、光纤，应手握端头操作。 插针体和套筒要保持干净，如发现有污物，应用无水乙醇将其清洁干净。 本实验箱中所使用的光纤活动连接器是st型。3光纤通信产品中使用的活动连接器外形如图1-6所示。图1-6 活动连接器外形图六、实验内容1熟悉光纤通信系统的总体电路与结构。2识别光纤活动连接器。3熟悉本系统中的光发送

11、模块与光接收模块的型号。 实验二 尾纤波长识别实验实 验 内 容1.我国采用的光纤光缆型号的表示方法2.从光纤的规格代号中识别尾纤波长3.用测量法识别尾纤波长一、实验目的1.了解我国采用的光纤光缆型号的表示方法 2.学会从光纤的规格代号中识别尾纤波长 3.了解用测量光纤损耗来识别尾纤波长的方法二、实验电路工作原理光纤线路的两端一般是通过一段短光纤把线路与光端机连接起来的。这一段短光纤长度为3米或5米、10米，因其位置处于光纤线路的尾部，故称为尾纤。尾纤的传输特性有工作波长、信号传输模式、带宽与损耗等，通常这些通过光纤光缆的型号标志来识别，也可以用仪表来测试。1.光纤光缆的型号标志光纤光缆的型号

12、，各个国家标志的方法不尽相同。我国光纤光缆的型号由光缆型式代号和光纤规格代号两部分组成，举例说明如下： 光缆型式代号的构成 光纤规格代号的构成12345abbcc （1）光缆型式代号由五部分组成，各部分均用代号表示。分类及代号例如：gy通信用室（野）外光缆gr通信用软光缆gj通信用室（局）内光缆gs通信设备内光缆gh通信用海底光缆gt通信用特殊光缆加强构件及代号无符号金属加强构件f非金属加强构件c金属重型加强构件h非金属加强构件派生特征及代号b扁平形状z自承式结构t填充式结构护套及代号y聚乙烯护套v聚氯乙烯护套u聚氨酯护套a铝-聚乙烯粘接护套l铝护套g钢护套q铅护套s钢-铝-聚乙烯综合护套外护

13、层及代号外护层型号用数字代号表示材料的含义，并按铠装层和外被层结构顺序编列，见表2-1。表2-1：第一位数字标记铠装层材料第二位数字标记外被层材料0无0无11纤维层2双钢带2聚氯乙烯套3细圆钢丝3聚乙烯套4粗圆钢丝4例如：03聚乙烯外护层33钢丝铠装聚乙烯外护层（2）光纤规格代号也由五部分组成，各部分均用代号表示。1光纤数光纤数表示缆内同类型光纤的实际有效数。2光纤类别及代号 j二氧化硅系多模渐变型光纤 t二氧化硅系多模阶跃型光纤 z二氧化硅系多模准阶跃型光纤 d二氧化硅系单模光纤 x二氧化硅系塑料包层光纤 s塑料光纤3光纤主要尺寸参数多模光纤：芯径/包层直径（m）单模光纤：模场直径/包层直径

14、（m）4光纤传输特性及代号 a：使用波长的代号，是一位数。规定如下：1使用波长在850nm区域2使用波长在1300nm区域3使用波长在1550nm区域bb：衰减系数的代号，是二位数。其数字依次为光缆中光纤衰减常数分类数值（db/km）的个位和十分位数字。cc：模式带宽的代号，是二位数。其数字依次为光缆中光纤模式带宽分类数值（mhzkm）的千位和百位数字。单模光纤无此项。例1：传输特性代号（13002）表示使用波长在850nm区域；光缆中光纤衰减常数不大于3.0 db/km；模式带宽不小于200mhzkm的多模光纤。例2：传输特性代号（208）表示使用波长在1300nm区域；光缆中光纤衰减常数不

15、大于0.8 db/km的单模光纤。5允许适用范围及代号表2-2：代 号 适 用 温 度 范 围 （）a- 40 + 40b- 30 + 50c- 20 + 60d- 5 + 60举例：金属加强构件、油膏填充、钢-铝-塑料综合护套、钢丝铠装、聚乙烯外护层的通信用室外光缆，其中包括12根模场直径/包层直径为10/125m的二氧化硅系单模光纤，在1300nm波长上衰减常数不大于0.5db/km，光缆的适用温度为-20+60的光缆型号表示为gyts3312d10/125（205）c本实验系统使用国外厂商生产的尾纤，其型号表示方法与上述的不同，在尾纤的外套上印有许多数字、代码，其中有关光纤规格的代号有“

16、1fiber 62.5/125”。第一位数字代表工作波长，1型工作波长为850nm，2型工作波长为1300nm，3型工作波长为1550nm。后面的分式中分子表示纤芯的直径为62.5m，分母表示包层的直径为标准的125m。 2.尾纤波长的识别 由上可知，尾纤的波长可通过查找光纤的规格代号来识别，另外供货商还随尾纤附有型号规格和插入损耗测试报告。如本实验系统所用尾纤生产厂家molex提供的说明书上写有三项文字：型号编码885234404；型号规格st/pcst/pc/mm/3mm/l5m；插入损耗：a（0.05db）、b（0.1db）。其中st/pc表示尾纤两端使用的是st型活动连接器，连接器内部

17、光纤的端面抛光成圆凸形；3mm/l 5m表示尾纤包层外径为3mm,尾纤长度为5米。3.尾纤波长的测试 每种光纤都有特定的工作波长，当注入光信号的波长等于工作波长时，光纤损耗最小，反之光纤损耗增大。因此把不同波长的光信号注入光纤，测量光纤损耗，当光纤损耗最小时，该光信号的波长即为尾纤的工作波长。三、实验内容1阅读光纤光缆型号的表示方法2.从观察光纤规格代号中识别尾纤波长3（*）用测量法识别尾纤波长注：*表示实验需要稳定光源配合，如果实验条件不具备，学生可只做阅读学习四、实验步骤及注意事项1.识别本实验系统尾纤波长小心松开尾纤的扎带，阅读尾纤外套上的标识，从其规格代号中判断它的波长，纤芯直径与包层

18、直径，尾纤长度。阅读完毕，用扎带照原样扎好尾纤。2.（*）测量尾纤的波长 a如图2-1所示，由光源发出的稳定光功率以一定波长（例=0.85m）注入到尾纤，尾纤的输入端前要接入扰模器，使模功率分布在注入尾纤时就达到稳定状态。用光功率计测量输出端的光功率作为p2，然后去掉尾纤，测出扰模器输出端的光功率作为p1。则尾纤损耗 式2-1b用同样方法测另一个信号波长，例如=1.3m的尾纤损耗。 尾纤光 源扰模器光功率计图2-1 尾纤测量示意图c.变换几个波长得出不同波长的尾纤损耗，其中尾纤损耗最小光信号波长即为尾纤波长。五、实验报告要求1.怎样从光纤型号中识别尾纤的工作波长。2.（*）怎样用测量方法识别尾

19、纤的工作波长。实验三 活动连接器观察识别实验实 验 内 容 1.光纤通信对活动连接器的基本要求2.常用的活动连接器的基本结构3.st型、sc型、fc型、pc型、sma型连接器的特点一、实验目的1.了解光纤通信对活动连接器的基本要求2.熟悉常用的活动连接器的结构特点3.了解st型、sc型、fc型、pc型、sma型连接器的特点二、光纤活动连接器的分类与结构1.光纤通信对活动连接器的要求光纤通信对活动连接器的基本要求是：插入损耗小，受周围环境变化的影响小，易于连接和拆卸，重复性、互换性好，可靠性高，价格低廉。2.光纤活动连接器的分类活动连接器按纤芯插针、插孔的数目不同分有单芯活动连接器和多芯活动连接

20、器两类；按结构不同分有fc型、st型、sc型、sma型、d4型等类；按光纤插孔端面形状不同分有pc型、apc型两种；按功能分有插头、插座、转接器三类。下面我们主要介绍单芯活动连接器。3.光纤活动连接器的结构单芯活动连接器的基本结构是插针和插孔。由光纤连接损耗的计算可知，影响损耗的主要外在因素是相互连接的两根光纤的纤芯之间的错位和倾斜，所以在连接器的结构中，要求插针中的纤芯与插孔有很高的同心度，相连的两根插针在插孔中能精确的对准。(1)st型活动连接器过去一般连接器是螺纹接口，连接费时，使用不很方便。在光纤网络中，由于大量使用连接器，要求采用非螺纹接口连接器，st型连接器是一种卡口式的连接器，它

21、采用带键的卡口式紧锁机构，确保每次连接均能准确对中。插针直径为2.5mm，其材料可为陶瓷或金属。它可在现场安装，也可在工厂预装成光纤组件。在本实验系统中，st插座就与半导体发光二极管组装在一起构成光发送组件或与光检测管、放大器等组件组装成光接收组件，组件用双列直插的8针插头向外连接。电路板上再装上双列直插的8孔插座，使用时把组件的8针插头插入电路板的8针插座内即实现了光纤与光收发组件再与电路板线路的连接。图3-1为st型连接器的结构图，图3-2为本实验系统中的带st型插座的光发送/光接收组件的几何尺寸图。组件与st连接器的插座连成一体，既减少了插入损耗，又易于连接和拆卸，重复性、互换性好，可靠

22、性高，还降低了总体成本。目前st型活动连接器的插入损耗典型值为0.3db，最大值为0.5db；其后向反射损耗在一般情况下为-31db，但在端面作精细处理后，可-40db。图3-1 st型连接器的结构图图3-2 带双列直插插头的st型插座的光发送/光接收组件的几何尺寸图(2)sc型活动连接器这是一种推拉式的连接器，外壳为矩形，采用模塑工艺制成，适用于多芯光缆的高密度封装。其插入损耗很低，仅0.07db，后向反射损耗为-32.5db，寿命为1000次。3m公司生产的这种连接器有两种不同的尺寸，适用于单模或多模，其插针为pc型的氧化锆陶瓷。两类连接器的平均插入损耗为0.25db，寿命为1000次，单

23、模连接器的典型的后向反射损耗为-45db。sc型活动连接器的结构见图3-3，其中（a）图为标准的单根插头，（b）为sc/sc转接器，（c）为sc/fc转接器。图3-4为hfbr-0400 sc系列连接器插座的几何尺寸图，该图表示的为带双列直插插头的sc连接器插座组件结构。图3-3 sc型活动连接器的结构图图3-4 hfbr-0400 sc系列连接器插座的几何尺寸图(3)fc型活动连接器fc型活动连接器的插头、插座结构如图3-5所示。插座由c型插孔和插座体等零件组成。它主要使用在光缆线路与传输设备间的连接，可以方便地进行光路的调度或线路的测试。连接器具有很高的精度。图3-5 fc型活动连接器的插

24、头、插座结构图3-6是hfbr-0400 fc系列连接器插座几何尺寸图。该图表示的为带双列直插插头的fc连接器插座组件结构。图3-6 hfbr-0400 fc系列连接器插座几何尺寸图(4)sma型活动连接器sma型光纤活动连接器为区别于sma电气连接器，有时又称为fsma型连接器。它又分两种型号，一种是905型，另一种是906型，如图3-7和图3-8所示。905型的插针直径为3.18mm。906型的插针直径为2.154mm，这是第二代产品，插针的对中精度优于905型，外形有一凸台，凸台直径为3.05mm。sma型连接器主要用于多模光纤。905型是为光纤束和大芯径光纤设计的，大多用于光纤（缆）与

25、有源器件的耦合。906型是为标准的多模短途通信或传感光纤（50/125、62.5/125、100/140）而设计的。但目前已开始应用于单模光纤。图3-7 sma型光纤活动连接器结构图图3-8 sma型光纤活动连接器几何尺寸图(5)pc型和超pc型活动连接器为改进catv、调幅视频传输以及长途通信中高速激光器的传输质量，要求光纤连接器具有低后向反射，因此出现了光纤的端面不是采用垂直研磨端面，而是采用球面研磨端面的pc型连接器或者倾斜研磨端面的超pc型连接器。pc是physical contact（物理接触）的缩写。a.pc型连接器这种连接器是将光纤插针的端面研磨抛光成圆凸形（r60），使两根光纤

26、在插孔中达到物理接触状态，不仅降低了连接器的插入损耗，而且减少了连接处的后向反射。一般的pc型连接器，其典型的插入损耗为0.2db，后向反馈损耗为-35db。3m公司的fc/pc型连接器采用fc型的结构，光纤插针的端面作圆凸形抛光，在现场安装时，典型的后向损耗为-38db，而在工厂安装时平均的后向损耗可达-40db。b.超pc型连接器这种连接器不仅对光纤端面进行圆凸形（r20）的研磨和抛光，而且有的端部具有一定的角度。按后向反射损耗的分布状况，超pc型连接器又可分为spc型和apc型（angle pc）型两种。spc型的后向反射损耗可达-45db，apc型的后向反射损耗可达-55db。如bic

27、c公司的超pc型连接器，光纤端面有6的倾斜，其后向反射损耗达-55db，插入损耗为0.77db。一般而言，端面角度增大，插入损耗也增大，所以必须选择一个适中的角度。spc型和apc型连接器的光纤端面示意图如图3-9所示。图 3-9 spc型和apc型连接器的光纤端面示意图4. 本实验选用的活动连接器本实验选用的是st型活动连接器，其它几种类型的活动连接器没有选用。因此，在选用测量仪表如光功率计时，应注意选配st型活动连接器才能做本次实验。三、实验内容1.光纤通信对活动连接器的基本要求2.常用的活动连接器的基本结构3. st型、sc型、fc型、pc型、sma型连接器的特点4.进一步熟悉st型活动

28、连接器四、实验步骤及注意事项1.仔细阅读前面关于活动连接器的讲述。2.将本实验系统尾纤所用st插头及光收发组件中的st插座，对照图3-1、图3-2，熟悉st活动连接器的结构。3.观察st活动连接器的结构。五、实验报告要求1.列出活动连接器的分类及对它的基本要求。2.列出st、sc、fc、sma、pc活动连接器的结构特点。3.说明光纤端面有哪几种研磨方式，为何要采用球面研磨与倾斜研磨端面。实验四 单模与多模光纤信号传输方式识别实验实 验 内 容1.从光纤的规格代号中识别光纤信号的传输模式2.从光纤的外套颜色识别光纤信号的传输模式一、实验目的1.了解单模光纤与多模光纤的特点2.了解识别单模光纤与多

29、模光纤的常用方法二、实验电路工作原理光纤按其传输光波的模式来分，有单模光纤与多模光纤两大类。它们的结构不同，因而各具不同的特性与用途。1.单模光纤用来传输单一基模光波的光纤称为单模光纤，它要求入射光的波长大于光纤的截止波长，单模光纤的纤芯直径很小，一般为5-10m。单模光纤对于光的传输损耗将是最小的，因为光场只在光纤的中心传导。但是由于纤芯直径很小，对于光纤与光源的耦合及光纤之间的接续 将带来明显困难。单模光纤可彻底消除模间色散，在波长为1.27m时，材料色散趋近于零，或者可以使得材料色散与波导色散相抵消。因此，长距离大容量的长途通信干线及跨洋海底光缆线路全部采用单模光纤。由于1.55m波长时

30、单模光纤的损耗更低，人们已研究了使光纤的零色散波长移到1.55m的技术和使激光器（ld）的频谱更窄的技术，以求同时达到最低的损耗及最宽的带宽，从而最大限度地增大中继距离及信息容量。2.多模光纤用来传输多种模式光波的光纤称为多模光纤，模式的数目取决于芯径、数值孔径（接收角）、折射率分布特性和波长。将单模光纤的纤芯增大，光纤将成为多模光纤。多模光纤的纤芯直径远远大于单模光纤，一般为50-200m。在临界角内，各个模式的入射光波分别以不同角度，在光纤内的纤芯与包层的的界面处发生全反射而沿光纤全长传输。突变型多模光纤的纤芯部分折射率保持不变，而在纤芯与包层的界面折射率发生突变。这种光纤模间群时延时差大

31、，一般传输带宽为100mhzkm。常做成大芯径（例如100m）、大数值孔径（例如na大于0.3）光纤，提高光源与光纤的耦合效率，适用于短距离、小容量的系统。这种光纤的使用相当广泛。 3.识别单模光纤与多模光纤的方法识别单模光纤与多模光纤的基本方法是从光纤的产品规格代号中去了解。如我国光纤光缆型号的规格代号的第二部分用j代表多模渐变型光纤，用t代表多模阶跃型光纤，用z代表多模准阶跃型光纤，用d代表单模光纤。其次是从光纤的纤芯直径去识别。单模光纤的芯径很细，通常芯径小于10m；多模光纤的芯径比单模光纤大几倍。例如本实验系统的尾纤外套上标出它的芯径为62.5m，故可识别出它是多模光纤。第三种方法是从

32、光纤外套的颜色上识别。通常黄色表示单模光纤，橙色表示多模光纤。本实验系统用的光纤外套是橙色的，故为多模光纤。三、实验内容1.从光纤的规格代号中识别光纤信号的传输模式2.从光纤的外套颜色识别光纤信号的传输模式四、实验步骤及注意事项1.认真阅读我国采用的光纤光缆型号的表示方法（见本书实验二），了解单模、多模光纤的表示方法。2.从本实验系统所用尾纤上查找外套上的标记，看从哪些标记能帮助识别它是单模或多模光纤。3.从尾纤外套的颜色去识别它是单模或多模光纤。五、实验报告要求1.简单归纳单模光纤与多模光纤的特点。2.有哪些方法可以识别光纤是单模或多模光纤。3.写出你根据哪些特征识别本实验系统的尾纤是单模或

33、多模光纤。第二章 光纤通信基础实验实验五 cpld可编程信号产生及成形实验 实 验 内 容 1.熟悉光纤通信原理实验系统电路组成2.熟悉cpld可编程信号发生器各测量点信号波形 3.测量并分析各测量点波形及数据 4.学习cpld可编程器件的编程操作 一、实验目的1.熟悉光纤通信原理实验系统的电路组成。2.熟悉光纤通信系统发送端信号产生的方法。3.掌握cpld可编程器件的开发应用及二次开发。二、实验电路工作原理光纤通信实验系统中需要用到各种信号，除了不同频率、不同脉冲宽度的时钟信号、同步脉冲信号之外，还有正弦波、方波、伪随机序列码、cmi码、pcm码等测试信号，本实验要求参加实验者了解这些信号的

34、产生方法、工作原理以及测量方法，并可通过cpld可编程器件的二次开发生成这些信号，理论联系实际，提高实际操作能力。1电路组成信号发生器电路的功能是供给各实验系统的各种时钟信号、测试信号和其他有用信号，它由以下电路组成：（1)cpld可编程器件xilinx公司的xc95108（2)伪随机序列码产生电路（3)正弦信号发生器电路（4)外加模拟与数字信号输入电路（5)cmi编码电路（6)模拟电话与数字电话输入电路（7)误码测试输入/输出电路（8)hdb3编解码电路 2电路工作原理（1) cpld可编程器件xilinx公司的xc95108图5-1是xc95108的结构图，图5-2是可编程信号发生器管脚定

35、义图。通过cpld可编程器件xilinx公司的xc95108进行编程，可实现下列输出波形：a2.048mhz主频时钟信号b64khz方波信号c8khz的帧同步成形信号d伪随机序列码信号，其码形为：000011101100101（十五位），码元速率为32khzecmi码（1b2b码）f32khz方波信号g5b6b码图5-1 xc95108cpld结构图 tp01 tp04 32khz tp02 tp05 tp03 tp06 32khz伪随机码xc951082048khz主频时钟8脚 5脚7脚 9脚3脚 4脚 cmi码64khz方波32khz方波8khz窄脉冲 图5-2可编程信号发生器管脚定义图（

36、2)伪随机码发生器电路众所周知，伪随机序列也称作m序列，它的显著特点是：a.随机特性；b.预先可确定性；c.可重复实现。三、实验内容1.熟悉光纤通信原理实验系统电路组成2.熟悉信号发生器各测量点信号波形tp01、tp02、tp03、tp04、tp05、tp063.测量并分析各测量点波形及数据4.熟悉cpld可编程器件的编程操作具体步骤与实验方法见本公司提供的通信实验装置二次开发指南四、实验步骤及注意事项1.接好电源，打开交流电源，打开开关k01、k02，使电路工作。2.用示波器测出各测量点波形，并对每一测量点的波形加以分析。gnd为接地点，测量各点波形时示波器探头的地线应接地良好。五、测量点说

37、明1.tp01:由cpld可编程器件编程产生的的主频时钟信号2.tp02:由cpld可编程器件编程产生的64khz的方波信号3.tp03:由cpld可编程器件编程产生的8khz的窄脉冲（帧同步信号）4.tp04:由cpld可编程器件编程产生的32khz的伪随机码5.tp05:由cpld可编程器件编程产生的为cmi码6.tp06:由cpld可编程器件编程产生的32khz的方波信号各测试点具体波形tp01: 2048khztp02: 64khztp03: 8khz的窄脉冲tp0432khz的伪随机码 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 tp05cmi码 tp0632khz时

38、钟 六、实验报告要求1.分析电路的工作原理，叙述其工作过程。2.根据测试的实验数据、现象与波形，写出分析的结果，与实测的比较两者是否一致。3.写出本次实验的心得体会，以及对本次实验的改进意见。实验六 码型变换及眼图观察测试实验实 验 内 容1.光纤通信采用的线路码型及cmi码的特点2. cmi码的编解码实现方法3. 分析 cmi编解码的电路及各测量点波形4.熟悉眼图一、实验目的1.了解光纤通信采用的线路码型2.掌握cmi码的特点及编解码实现方法3.掌握在光纤信道测量眼图的方法二、实验电路工作原理1.线路码型数字光纤通信与数字电缆通信一样，在其传输信道中，通常不直接传送终端机（例如pcm终端机）

39、输出的数字信号，而需要经过码型变换，使之变换成为适合于传输信道传输的码型, 称之为线路码型. 在数字电缆通信中, 电缆中传输的线路码型通常为三电平的“三阶高密度双极性码”, 即hdb3码，它是一种传号以正负极性交替发送的码型。在数字光纤通信中由于光源不可能发射负的光脉冲，因而不能采用hdb3码，只能采用“0”“1”二电平码。但简单的二电平码的直流基线会随着信息流中“0”“1”的不同的组合情况而随机起伏，而直流基线的起伏对接收端判决不利，因此需要进行线路编码以适应光纤线路传输的要求。线路编码还有另外两个作用：其一是消除随机数字码流中的长连“0”和长连“1”码，以便于接收端时钟的提取。其二是按一定

40、规则进行编码后，也便于在运行中进行误码监测，以及在中继器上进行误码遥测。数字光纤通信传输信道中，对于低速率系统采用cmi(coded mark inversion) 码,传号翻转码，即“1”码交替地用“00”和“11”表示，而“0”码则固定用“01”表示，因此在1个时钟周期内，cmi编码器输入1bit的时间内输出变为2bit。cmi码属于二电平的不归零（nrz）的1b2b码型，图6-1 为cmi码与nrz的关系，这种码的特点是:（1)不出现连续4个以上的“0”码或“1”，易于定时提取。（2)电路简单，易于实现。（3)有一定的纠错能力。当编码规则被破坏后，即意味着误码产生，便于中继监测。（4)有

41、恒定的直流分量，且低频分量小，频带较宽。（5)传输速率为编码前的2倍，适用于低速率的光纤传输系统。定时（clk）1 1 1 0 1 0 0 1nrz1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 cmi图6-1 cmi码与nrz码的转换关系2.cmi编码电路（1)cmi编码电路的功能cmi编码电路的方框图见图6-2。它接收来自伪随机码产生器产生的15位的伪随机码，把它变换为cmi码送至光发送单元。伪随机码产生器及cmi编码电路均由cpld可编程信号发生器xc95108内的逻辑电路组成。cmi码pn码32khz时钟tp05tp06tp04可编程信号发生器cmi编码电路图6-2 可

42、编程信号发生器cmi编码电路方框图（2)cmi编码电路的输入输出波形 cmi编码电路输入的伪随机码、32khz时钟、输出的cmi码可分别在tp04、t06、tp05测量，其波形见图6-3所示pn码32khz时钟cim tp05图6-3 cmi编码电路的输入输出波形3.cmi解码电路（1）cmi解码电路的功能cmi解码器将光收端机送来的cmi码还原为单极性非归零码，在本实验中为15位伪随机码。（2)电路组成cmi解码器由u902a、u902b、u903a、u904a、u905a等组成，其组成方框图、电原理图如图6-4、6-5所示。它的设计思路是采用串并变换电路把串行码变成并行码，即把cmi码的每

43、一组00、11、或01码中的奇数码与偶数码分离开来，变成奇偶分列的、时序一致的码序列，再用判决电路逐一加以比较，判决输出传号还是空号，从而解出单极性信码。cmi解码电路中，奇数码提取电路由u902:a、u902:b组成，它是两级移位寄存器，第一级用同相时钟触发，第二级用反相时钟触发，使奇数码延迟了一个64kb/s码元的时间, 从而与偶数码同时出现于判决电路输入端，见图6-6中 tp904、tp905的波形。偶数码提取电路由u903:a组成，它是一级移位寄存器，用反相时钟触发。判决电路由异或门u904:a和反相器u905:a组成，异或门作逻辑比较器用，两个输入端电平相同时输出低电平，相反时输出高

44、电平。反相器用来实现判决器所要求的逻辑关系，它将异或门输出信号反相，从而使判决器在奇偶数码相同时输出传号(高电平)，相异时输出空号(低电平)。 串并变换之后码速也随之降低一半，从输入的64kb/s恢复为输出的32kb/s。奇数码提取电路pn码（单极性信号）cmi码信号判决电路 奇数码偶数码提取电路 偶数码图6-4 cmi解码器方框图图6-5 cmi解码器电路及眼图观察电路15位cmi码0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 115位pn码0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 图6-6 cmi解码电路各点波形（3)工作过程当一序列64kb/s的cmi码进入解

45、码器后，奇数码经过两级移存器与只经过一级移存器的偶数码同时到达判决电路，判决器u904a与u905a根据cmi码的编解码规则解码：奇偶数码相同者判为传号、相反者判为空号。输出一序列32kb/s的单极性码，本实验为15位伪随机码。(可从tp906测量)4眼图观察电路眼图观察电路由u901c及一些阻容元件组成，详见图6-5所示。眼图是在同步状态下，各个周期的随机信码波形重叠在一起所构成的动态波形图，其形状类似一个眼睛故名眼图，它是观察是否存在码间干扰的最简单直观的方法。将时钟输入示波器的通道1、伪随机码的输出接示波器的通道2，缓慢调整示波器的同步旋钮即可在示波器上观察到眼图，实际上眼图就是随机信号

46、在反复扫描的过程中叠加在一起的综合反应。眼图的垂直张开度表示系统的抗噪声能力，水平张开度反映过门限失真量的大小。眼图的张开度受噪声和码间干扰的影响，当光收端机输出端信噪比很大时眼图的张开度主要受码间干扰的影响，因此观察眼图的张开度就可以估算出光收端机码间干扰的大小。如图6-7所示，其中垂直张开度 水平张开度v1 v2t1t2 图6-7 模型化眼图j301tp302甲方光发端机光发单元tp402数字信号选择开关（手工操作）数字信号选择开关（手工操作）s401tp906光收单元发端眼图测试信号tp04pn码cpld可编程逻辑电路k901312tp903tp907眼图观察电路甲方乙方图6-8 (a)

47、 pn码眼图观察方框图tp401乙方光收端机尾纤tp301图6-8(b) cmi码眼图观察方框图光发单元j301数字信号选择开关（手工操作）s401数字信号选择开关（手工操作）眼图观察电路tp907tp906tp402光收单元发端眼图测试信号cmi编码cpld可编程逻辑电路tp05k901312tp903甲方乙方tp401tp302乙方光收端机尾纤甲方光发端机tp301三、实验内容1.了解光纤通信采用的线路码型及cmi码的特点2.了解cmi码的编解码实现方法3.分析cmi编解码器电路的各个测量点的波形4.比较clk时钟、nrz码及cmi码的异同5.观察眼图四、实验步骤及注意事项1将k301按下，为数字光纤传输信号，接通数字通道。此时，发光二极管d301不亮；2将j301跳线设置在cmi位置，j401跳线设置在cmi位置。3.用示波器测出cmi编解码电路各测量点tp04、tp05、tp301、tp302、tp401、tp402、tp903、tp906的波形。4.用示波器观察眼图测量点tp907的波形。测试方法如下：若用示波器的一根探头放在tp907，另一根探头放在tp06，调整好示波器使输出波形同步，才能观察到眼图的波形。五、测量点说明1.tp04