实验三十八 数字信号光纤传输技术实验 - 武汉大学

1、数字信号光纤传输技术实验光纤传输技术是现代科学技术发展的一项最新成就，光纤通讯是这项技术应用的重要领域。随着科学技术的不断发展，这一科学技术的应用范围会越来越广。本实验采用微型计算机控制的数字信号的光纤传输技术实验系统，由于该实验系统是集光电子技术、光纤传输技术、模数、数模转换技术及计算机通讯与接口技术等多种技术于一体，所以通过这一实验系统进行的各种实验，对于扩大学生知识面和增强他们综合运用多种知识解决实际问题的能力均具有十分重要的作用。一实验目的1 了解数字光纤通讯的基本原理2 测量电光特性和光电特性，对误码现象及收、发时钟的同步, 数字式光信号发送和接收等问题进行实验研究和观测。3 利用单

2、台计算机进行光纤通讯技术实验。二实验原理 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），该系统由以下四部分组成：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光信号发送器实质上是一电光调制器，它用电端机（发）送来的电信号对光源进行调制，光源一般是半导体激光器和发光二极管，调制方式在目前实用系统中大都采用光强直接调方式，光源器件经调制的光功率耦合到光纤中后把光信号传输到接收端，接收端的光电子检测器件（一般为半导体PIN管和雪崩管）把光信号变成电信号，再经放大、整形处理后送至电端机（收）。以上的系统结构框图对模拟信号和数字信号系

3、统均适用。对模拟信号而言，由电端机（发）送来的是话音或图像信号，要求光信号发送器中的光源器件应具有线性度良好的电光特性，对于数字信号的光纤通讯系统，光源器件的非线性对系统性能影响不大。图2示出了数字信号光纤通讯系统中的光端机（即光信号）的发送器和接收器）的结构示意图。该图中各单元的功能如下：图2 数字信号光纤通讯系统结构示意图极性双单变换单元是把来自电端机的双极性信号变换成单极性码，以便实施对光功率的调制；扰码及线路码变换是为了避免在光纤信道中出现长连的“0”码或长连的“1”码，以利接收端时钟信号的提取和误码率的监测；光发送单元的作用是把数字信号的电脉冲调制成光脉冲，并把光脉冲耦合到光纤信道中

4、去，在接收端经光电检测器和低噪声放大器组成的光信号接收单元是把来自光纤输出端的光脉冲转变成电脉冲，经放大后输出。在长距离高速率的光纤通讯系统中，由于光纤的各种“色散”效应可能使传至接收端的光脉冲波形产生严重的畸变而引起码间干扰，接收端的均衡器就是为克服这一影响而设置的一个单元；再生单元的作用是把经过判决之后的数字信号进行再生。接收端再生单元以后的各单元与发送端它们所对应的单元相比，具有相反的功能。光纤通讯系统中所用的光纤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、传输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

5、能的详细论述见参考文献1。光纤通讯系统中常用光源器件，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1.31.5m），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中或传输码率不高的小容量的数字光纤通讯系统中；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，增加的中间层掺杂浓度

6、之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，形成光电流的倍增，提高了器件的灵敏度，以利于实现远距离的光纤通讯。有关光纤通讯中采用的上述电

7、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。三实验装置实验系统的基本结构如图3所示，它包括了以下几个主要部分：1光讯号发送部分；2传输光纤；3光讯号的接收和再生部分；4计算机和模数、数模转换及数字信号的并串，串并转换接口电路；5时钟系统；图3 数字信号光纤传输系统硬件结构的基本框图6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作光电检测元件，计算机接口卡采用ADC0809和DAC0832集成电路分别完成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

8、并/串和串/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整个实验系统的工作过程如下：被传输的数字信号可以是经键盘输入的数字信号，也可是模拟量经A/D转换后的数字信号，这些数字信号经计算机CPU和8251A的数据发送端（TxD端）输出，对半导体发光二极管LED的光强进行调制，产生数字式的光信号经传输光纤传至接收端。在接收端经光电转换和再生电路把光信号变换成电信号，并经8251A进行数字信号的串/并转换后送入接收端的计算机进行处理，最后根据被传输的数字信号所代表的信息的不同含义，或在屏幕上显示，或经D/A转换后恢复成模拟电压对其他外设实行控制。四实验内容系统单机连接a. 打开PC

9、机并把本实验系统提供的通讯接口板插入计算机内任一空闲的ISA扩展槽内。b. 把20线扁平电缆的两端插入（I）号光端机后面板和计算机通讯接口板的牛角式插座内。c. 用两端带香蕉插头的导线接通（I）号光端机前面板上“TxC”和“RxC”端，使8251芯片的接收时钟和发送时钟具有同一值（注意：如果未接这条导线，8251的接收器因无时钟脉冲而不能正常工作！）。d. 把两端带拾音插头的电缆线的一端插入光纤绕线盘端面上LED的电流插孔内，而电缆线另一端的拾音插头插入（I）号光端机前面板上“LED”的插孔内。e. 把光电探头插入光纤绕线盘端面上的同轴插孔中，并把光电探头的两条引线接入（I）号光端机前面板标有

10、“SPD”标记的插孔内。f. 把音频信号源和小音箱分别插入（I）号光端机后面板的“调制输入”和带喇叭标志符号的相应插孔中。g. 把含有本实验系统控制软件的软盘插入计算机的软驱内。软盘中含有两个可执行文件：DOF1.EXE和DOF2.EXE。运行DOF1.EXE文件时，适合于用单台计算进行实验；运行DOF2.EXE文件时，适合于两台计算机之间进行光纤通讯实验。（注意本实验已将这些文件拷贝到计算机硬盘内）。LED传输光纤电光特性的测定用导线把（I）号光端机前面板的“TxD”端与“GND”短接，把“SPD切换”开关扳向“光功率计”一侧，在LED的工作电流为零的情况下，调节光功率指示器的“调零”电位器

11、（后面板），使其指示为零。 然后，调节“Rc调节”旋钮，使LED的工作电流从050mA的范围内，每增加5mA读取一次光功率指示器的读数-传输光纤电光特性。并描绘LED电光特性曲线。 SPD光电特性的测定把（I）号光端机的“SPD”插孔内的SPD插头拔出，转接到（）号光端机的“SPD”插孔，并将“SPD切换”开关扳向“IV变换电路”一侧。再用导线将“IV变换电路”的输出端接到（）光端机的“数字毫伏表”输出端。 在（I）号光端机LED的工作电流为零时，记下数字毫伏表的初始读数V0，而后调节（I）号光端机“Rc调节”旋钮，使LED的工作电流分别为I 1，I2，I3，I4，I5，并记下这些工作电流对应

12、的（）光端机的“数字毫伏表”的读数V1，V2，V3，V4，V5。 再根据公式： Im=(Vi-V0)/Rf (i=1、2、3、4、5） 可计算出SPD与入射光功率为Pi对应的光电流为I 0i的值，其中“Rf”是在两个光端机都断电的情况下利用数字电表在（）号光端机前面板的“Rf”两端测得。 绘制SPD光电曲线（光功率Pi为横坐标，光电流I 0i为纵坐标）。有曲线求斜率K，即光电转换的响应度R值。 时钟系统的检测将示波器信源CH1接入（I）号光端机后面板的“CLC”或者前面板的“TxC”插孔，开启（I）号光端机后的电源，观察波形，在正常情况下前者的波形周期为0.5s，后者的波形周期为8s。如果不出

13、现这些波形，表明时钟系统有故障，这一故障未排除之前，实验系统不能正常工作。LED驱动电路的检测 用两端带有香蕉插头的导线对光端机前面板上的“TxD”端和地端短接，把“SPD切换”开关倒向光功率计一侧，再开启光端机的电源，调节仪器前面板LED的“Rc调节”旋钮，观察光功率计的示值有无变化，若有变化则表明LED的驱动电路工作正常。最后把“Rc调节”旋钮调至使光功率示值为实验系统允许的最小值10W。 光讯号检测和再生电路的预调 经上一项检测确定LED及其驱动电路工作正常后，把将示波器信源CH1接入（I）号光端机“RxD”端和地端，“SPD切换”开关再生电路一侧，并把示波器的输入方式至于“DC”状态。

14、在前面板“TxD”端对地端断开的情况下，观察“RxD”端在示波器荧光屏上显示的电平状态。当“TxD”对地断开时，相当于系统处于空闲状态，这时要求“RxD”端应呈现高电平，沿顺时针方向转动仪器前面板左侧的“Rb调节”旋钮，直到“RxD”端呈现高电平状态为止，反之旋转可呈现低电平状态。 通讯接口板数字信号发送功能的检测在保持系统原有联接不变的基础上将双踪示波器CH1输入电缆接至光端机前面板的“TxD”端和地端，然后启动PC机电源后，按下F8键不放，当PC机进入DOS状态后运行DOF1.EXE文件，PC机屏幕上将出现以下供用户选择的“菜单”：TESTTING TERMS FOR OPTICAL FI

15、BER TRANSMISSION SYSTEM1Testting and ajustting system work condition2Transmiting Acoutical Signal with one computer3Presse Ctrl + Break，Return to DOSPlease chose 1、2 or strike Ctrl + Break keys！在此之后，键入“1”时，在显示屏上将出现以下信息：Please key in deci. digit for ASCII code transmitted（Deci. digit 255d is for retu

16、rn to testing term chose）意即请敲击键盘数字键三次，在0255d范围内键入任意ASCII字符的十进制数代码，在此之后，计算机将会把这些十进制数转换成八位相应的二进制数存入AL寄存器，并经8251芯片进行数字信号的并/串转换，转换结果经8251的TxD端输出。在8251工作正常的情况下，调节示波器同步旋钮就会在其荧光屏上出现一个与被字符ACSII码的二进制代码对应的稳定波形，这一波形具有11位码元（每位码元持续8s），最左边的第一位码元代表串行数据结构的起始位（S）；后续的8位码元，即第2位至第9位码元是被传ASCII字符所对应的8位二进制代码，从左向右方向数起，分别为D

17、0D1D7；第10位码元是校验位（C），第11位码元为终止位（E）。若在键入各种不同字符的ASCII码的十进制数后示波器显示的由这11位码元组成的数码结构与所论十进制数应具有的数码结构一致，表明通讯接口板的8251的发送功能正常。数字式光信号光电转换及再生电路和8251芯片接收功能的检测在保持系统原有联接不变的基础上把双踪示波器的CH2输入电缆接至光端机前面板的“RxD”端和地端，然后在实验系统控制软件DOF1.EXE的“菜单”目录下，选择“1”项，按上述方法反复传输十进制数为170的二进制代码，并观察示波器上的波形和PC机显示屏上出现的ASCII码字符。十进制数170对应的ASCII码字符为

18、“”，它的八位二进制码经8251并/串转换后的数据结构应为：00101010101SD0D1D2D3D4D5D6D7CE所以系统工作正常情况下，调节示波器同步可在荧光屏上观察到分别代表8251数据发送端和接收端数据结构的两路如图示的稳定波形：图 传输字符“”时的波形图与此同时在PC机显示屏上也将连续不断地出现字符“”。若与“RxD”端相接的示波器CH2电缆对应的光电信号不出现具有上述特征的波形，PC机显示屏上出现的字符也杂乱无章，则表明接收端对光讯号的光电转换和再生功能尚未调节到所要求的正常状态，这时需根据示波器所显示的“RxD”端波形的以下几种情况，分别按下述方式调节：1）若“RxD”的波形

19、始终保持为“1”电平状态，表明再生电路中BG2的饱和深度太深，使得光电二极管的光电流不足以使它脱离深度饱和状态进入适当的放大区。这时需要沿反时针方向缓慢转动“Rb调节”旋钮，减少Rb阻值直到示波器上“RxD”端波形“1”电平的持续时间为8s止。在此以后，观察计算机屏幕上所显示的字符是否为“”。若有些字符不为“”，表明系统抗干扰的能力差，有误码产生。这种情况下，需要进一步增大光信号的幅度（继续沿顺时针方向转动LED“偏流调节”旋钮）并相应增加BG2的饱和深度（沿顺时针方向转动“Rb调节”旋钮），使示波器上的“RxD”端的“1”电平持续时间在新的条件下再次为8s，然后又观察计算机屏幕的字符显示情况

20、，如此反复进行调节，直到示波器上“RxD”端的波形和计算机屏幕上所显示的字符均正常为止；2）若“RxD”端的波形始终保持在“0”电平状态，这表明光电转换电路中BG2的饱和深度不够。这时需要沿顺时针方向旋动“Rb调节” 旋钮，直到示波器上“RxD”端的波形和计算机屏幕所显示的字符正常为止。3）如果“RxD”端的波形虽与图8示波类似，但“1”电平的持续时间偏离8s甚远，这种情况下也会产生误码。若“1”电平持续时间小于8s，需缓慢增加BG1的饱和深度（沿顺时针方向转动“Rb调节”旋钮）；反之若“1”电平持续时间大于8s，对以上操作应作相反方向的调节，直到“RxD”的波形和显示字符正常为止。此后欲传输

21、十进制数0225范围内对应的其它ASCII码字符，只需按计算机键盘任意键即可停止前一字符代码的传输，并等待新字符十进制代码的输入。当然在实验时，短时间内不可能传输0255范围内的所有ASCII码，只需要十进制为1、161、170和219的几个典型代码即可检测接收功能是否正常。在以上实验条件下，接收端产生误码的原因主要是输入给8251A数据接收端RxD再生信号的码元宽度偏离发送端所发送的信号码元的标准宽度（8s）太多所致。如前所述，8251的接收器是在RxC时钟的上升沿进行码值判断（即接收数据），因此在忽略再生信号对原始的发送信号的延迟因素外，从理论上讲再生信号“1”码元的宽度大于12s、小于4

22、s均要产生误码，但实际上再生信号相对于发送信号具有延迟的（延误的时间长短与系统空闲状态BG2的饱和深度有关），所以无误码判决允许再生信号“1”码元宽度的变化范围比以上所说的412s要小。语音信息的光纤传输实验及模数转换采样速率的测定在DOF1.EXE的一级“菜单”目录下，选择“2”后，系统就处于语音信息的单机传输状态。用双踪示波器（注意：CH1必须接光端机的“TxD”端，CH2接光端机的“RxD”，否则示波器的同步调节十分困难）观察“TxD”和“RxD”的波形。由于在声信息的传输状态下，系统传输的数码是随时不断变化的，所以在示波器荧光屏上很难看到一个如像以前反复传输同一ASCII字符时那样的稳

23、定波形。但是，传输的数码无论如何变化，每个数码被传输时，其起始位和终止位的电平（它们分别为“0”电平和“1”电平）总是不变的，因此当示波器被调整至同步状态时，接“TxD”端的CH1的波形中总是会呈现一段稳定的“0”电平，其持续时间为8s，这一特征也可作为示波器是否已经调节至同步状态的判据，也即，当示波器的CH1波形（此时用不着注意CH2的波形状况！）还未出现这一特征时，还需继续调节它的同步旋钮，直到这一特征出现为止，在这以后再去注意接“RxD”端的CH2波形状况。一般说来，经上一项关于光电检测及信号再生调节使得系统传输任一ASCII码字符时均无误码产生以后，“RxD”端波形也应具有上述类似特征，但是代表起始位的“0”电平的宽度（持续时间）会有所变化（不为8s）。与8s相比较，若“RxD”端波形起始位过宽（911s）或过窄（56s）都会使系统产生严重地误码噪声（这表现为既使