通信系统综合实验设计

1、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。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/1

2、550nm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

3、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

4、并装订； 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11、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(6)解固定速率时分复用原理及实现122、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22五、总体设计方案的选定23六、相关数据测试结果等实验报表以及实验数据分

5、析25七、收获及体会31一、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

6、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。(1)pcm编译码原理及数字电话光纤传输子系统光接收机重建滤波器抽样保持、x/sinx低通模拟终端波形解码器模拟信源预滤波器抽样器波形编码器量化、编码光发射机本实验系统中的是a律pcm编译码集成电路tp3067其引脚及内部框图如图所示。tp3067引脚定义tp3067由发送和接收两部分组成，其功能

7、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

8、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

9、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

10、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250

11、00ghz（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）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，

12、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

13、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

14、增加n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h

15、db3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

16、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）。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:

17、 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 1hdb3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

18、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。

19、根据设计的要求，本实验系统采用超前滞后型数字锁相环(lldpll)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：鉴相器滤波器数控振荡器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 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。lldpd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

20、性， 而相位误差的绝对大小固定不变。lldpd通常有两种实现方式： 微分型lldpd和积分型lldpd。积分型lldpd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lldpd， 但是结构简单，硬件实现比较容易。本实验采用微分型lldpd， 将环路抗噪声干扰的任务交给dlf模块负责。lldpd模块内部结构与对外接口信号如图2所示，lldpd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clkes

21、t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lldpd模块的仿真波形图。lldpd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。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lldpd模块送来的相位误差phsd

22、if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lldpd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

23、，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

24、，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

25、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

26、，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

27、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”，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

28、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。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其中74ls151的真值表如下：cbaz0000x00010x10100x20110x31000x41010x51100x61110x710其中，a、b、c的信号由光端fpga给出，波形如下图所示：、始终为“0”，保持四片74151始终用信号输出：2.复

29、接器复接器是由fpga实现的，其框图为：定时复接调整四路输入其中，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：调整前调整后最后，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。(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：分解器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

30、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当j = 0时：当j = 1时：当j =

31、 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)=7j=1, 3, 5, 7, r(j)=0j=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j0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数字信号源显示终端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

32、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

33、。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rs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：

34、dddd输出pn序列的波形如下：clkpn序列光端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。(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：码速调整按位复接时钟源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

35、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14，换言之，容量增加了4倍。复接时，缓冲存储器是不

36、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：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：式中的1bit是先写进去以便读出的存储起始撞，34是读第二、三、四基群的第一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

37、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。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

38、基群的数码率标称值都是2 048kbs，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 048kbs填充到所要求的数码率，二次群复接时为2112kbs。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

39、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

40、冲时两者相位差已很小，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。分接器cmi译码单元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

41、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（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

42、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

43、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，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

44、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 lfm(g+k) （式5-1）b、帧频ff帧频ff表示每单位时间内的帧数， （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。 （式5-3）d、每支路最大码速调整频率fsmax。 或 （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： （式5-5）f、正码速调整的基本关系式 由（式5-1）得： （式5-6） 由（式5-

45、5）得： （式5-7）将式(3.7)代入式(3.6)可得： (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

46、视器1个（或用电话代替）。五、总体设计方案的选定wdm1550nm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dpllcmi编码模块电端光端wdm图1、多路数据多路电话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

47、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wdm1310nm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算机一计算机二计算机三固定速率时分复用解复用模块数字信号源终端hdb3译码模块hdb3译码模块电端光端光端电端图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六、相关数据测试结果等实验报表以及实验数据分析1. 两路语音信号的波形从电话甲和乙模块输入与输出的信号都是模拟信号，波形大致如下：没有通话波形：通话状态波形：经过pcm编码后的波形成了脉冲信号，波形大致如下：

48、分析：通过使用示波器测量各个点的信号可以知道，在电话的通信过程中，电话模块中输出和输入的模拟信号的幅度会伴随着通话波动，而经过pcm调制后，脉冲信号伴随通话有一些颤动，波形亮度会有一点点的变化。pcm通信系统发送端通常由抽样、量化和编码三部分组成,其中量化和编码共同完成模拟到数字信号的转换。模拟信号进过pcm编码后就成了脉冲信号，也就是数字信号了，在接收端进过pcm解码，又将数字信号转换到模拟信号，然后送到电话机中。2. 4路数字信号源波形图：4路数字信号通过变速率的时分复用，然后进行hdb3的编译码和扰码和cmi的编译码，最终进入到接收端，可以看到接收端收到了发送端所发送的数据，下面是4路数

49、字信号的波形图： 图 2-1 第一路数字信号的波形 图 2-2 固定时分复用后的波形 图 2-3 hdb3编码后波形 图 2-4 扰码编码输出波形图 2-5 cmi编码后信号波形分析：四路数字信号通过固定速率的时分复用后进入hdb3编码模块，然后进入光端的hdb3译码，再经过扰码编码和cmi编码，送光纤发送端发送。然后经过发送端响应的译码模块译码，就能够解复用出原始信号。 3.由于有些波形不好读取，采用手工绘制如下：固定速率时分复用波形图： （111110001010101011100010010110） hdb3编码波形图：（+1-1+1-10+10-10+1-1+1-100+100-1+1

50、-1000+10v+-100-v0）hdb3译码波形图： （1111110101011110010011100010100000） 分析：hdb3编码是改进型的ami编码，码是用交替极性的脉冲表示码元“”，用无脉冲表示码元“”。而hdb3编码就是为了防止信号中出现长时间的饿无脉冲状态，hdb3是一种4零取代法编码，当出现4个或以上的零时，则视情况将第一个零变为“0”或“1”来，同时保证数据电平仍然就有翻转的特性。在接收端，如果相继接收到两个极性相同的“”它的前面有个连续的“”则将后一个“”改为“”如果它的前面有个连续的“”，则将前后两个“”改为“”，这样就恢复了原来的数据信号。从上面波形中可以

51、看出，译码后的数据波形相对于编码后的波形有几个周期的滞后，这是由于硬件上的处理所导致的，但可以看出经过译码后的波形与编码前的波形相同，说明信号可以被完全恢复出来。4.图像信号的传输 通过摄像头采集的图像数据通过光纤传输到监视器，所看到的画面如下：分析：通过调节实验箱上模拟信号输入端旋钮，控制模拟信号的输入，同时调节信号接收端的旋钮使视频信号达到最清晰。从画面的质量可以看出，发送端发送的图像信号在接收端被很好的恢复出来了。从上面的图像中可以看出，图像信号（模拟信号）能够很好的通过光纤传送到接收端，同时4路数字信号也通过波分复用在在光纤中传输。6.两台计算机之间的rs232通信： 图 7-1 计算

52、机甲（左）和乙（右）的数据传送图 分析：从上面两幅图中，可以看到两台计算机的数据能够通过正常进行。发送端发送的数据能够在接收端很好的恢复回来。说明数字信号能够在实验系统中经过一系列的编码、译码，然后通过光纤进行波分复用传送到接收端，再经过一系列的译码，进入计算机串口，通过串口助手显示出来。七、收获及体会通信系统课程设计成功的完成了，课程设计的任务是实现数据的在光纤总的混合传输， 虽然只有两个星期的时间，但在这个短短的时间内我确实学到了很多的知识，深刻的巩固了前面对与光纤通信的理论学习。同时我要感谢x老师，李老师的细心指导，没有这两位老师的知道我想我肯定不能够完成这次课程设计。现在社会科学技术告

53、诉发展，特别是在虚拟数据处理中显得尤为突出，在这些数据传输和处理的过程中，人们一直都在研究，如何才能利用有限的线路和带宽资源来传送尽可能多的数据，来降低数据传输和处理的成本，满足人们的日常生活需要。在不断研究的过程中，人们发现光纤具有很高的出传输带宽，同时还能够抗电磁干扰，防窃听的有点。同时在信息高速公路的快速发展引导下，对网络带宽的要求越来越高，光纤的搞带宽正好能够满足图像和视频数据对网络带宽的要求，随着光纤通信技术的不断发展，所以相信在以后的信息发展道路上，光纤通信有这空前的成果。 在本次课程设计的过程中，整个过程都是很困难的，原因就是因为先前对光纤通信的原理学习得不够深入，没有能够从真正意义上了解光纤通信，同时也反应了自己对通信原理方面的知识不够了解，很多的编码的实现以及功能，和有点都不知道，而且连基本的实现方法都忘记掉了，所以说这条路上是一路艰辛，困难重重。不懂原理就不会知道一