RZ8644光纤通信实验系统(实验多媒体)

1、 RZ8644型光 纤 实 验 系 统 南京润众科技有限公司电话用户APCM编译码记发器DTMF检测电话用户BPCM编译码数据发送单元数字信号发生器线路编码器数据复接数据接收单元时钟提取、再生线路译码器数据解复接USB接口RS232串口中央处理器功能扩展口模拟信号源LD光端机工作波长1550nmLD激光/探测器工作波长1310nm 键 盘液晶显示电源模块外套涂敷层包层区纤芯区外护套包带光纤加强心光 电电 光电发射电接收光发射光接收P203P204 光纤 1550nmLD+单模光发射光 电电 光电发射电接收光发射光接收P203P204 光纤 1550nmLD+单模光 电电 光电发射电接收光发射光

2、接收P203P204 光纤 1550nmLD+单模光发射 P204P203 TX光接收输入光发射输出光纤电 光数字序列光发射端 机TX1550 PFC-FC011 0PE X TL gP电 光自编数据序列光发射端 机TX1550 PFC-FC全0全1图2.2.1 平均光功率测试结构示意图pIth I自发辐射受激辐射输入电信号输入光信号图2.3.1 激光器的功率特性示意图 半导体激光器的输出光功率P与驱动电流I的关系如图2.3.1所示，该特性有一个转折点，相应的驱动电流称为门限电流（或称阀值电流），用Ith表示。在门限电流以下，激光器工作于自发辐射，输出荧光，功率很小，通常小于100pw；在门限

3、电流以上，激光器工作于受激辐射，输出激光，功率随电流迅速上升，基本上成直线关系。激光器的电流与电压的关系相似于正向二极管的特性，但由于双异质结包含两个PN结，所以在正常工作电流下激光器两极间的电压为1.2V。电 光测试数据光发射端 机P201 PFC头细尾纤图2.3.2 P-I曲线测试连接示意图IK02TP2020TP203四、实验步骤四、实验步骤1.关闭系统电源，按照图2.3.2将激光/探测器性能测试模块、光功率计、电流表连接好。2将电流表（直流档）接TP202，TP203，正表笔接TP202，负表笔接TP203，将K02跳线器拔掉。用尾纤将光功率计与TX1310法兰输出相连。3用锚孔连接线

4、将P201信号输入口接地。4将K01跳线器拔掉，加电后即可开始实验。5. 按照下表调整W202，达到相应的电流值（顺时针调激光管输入电流减小），测出与电流相对应的光功率。 7以横轴为为电流I，纵轴为功率P，按照上表画出其相应的P-I曲线。另外，如果配置了LED扩展模块（选配），可以测试LED光源的P-I曲线。 8测试完毕后，关闭系统电源，拆除各光器件并套好防尘帽，插好K01、 K02 跳线器。电信号输入接口电路驱动电路APC电路图2.4.1 LD自动功率控制（APC）结构框图光发端机光信号输出光检测器四、实验步骤四、实验步骤1将光功率计与激光器输出TX1310法兰相连。2电流表（直流档）插入T

5、P202，TP203，正表笔接TP202，负表笔接TP203，将K02跳线器拔掉。3加电后即可开始实验。4要测出自动光功率控制（APC）的结果，需要将无APC和有APC进行比较。按照下表进行测试：无APC（K03跳线插入右侧）有APC（K03跳线插入左侧）K01断开（拔掉跳线器），调整W202，使电流指示为:7mA7mA测出K01断开时的功率:接通K01（增加光端机电流），测出此时的电流:测出接通K01时的功率:211 0()iPLL gd BP1310()rPLL gdBP光发射机 P1 P2光发射机光功率计待测活动连接器FCFC-FC（a）（b）图3.1.2 活动连接器插入损耗的测量原理框

6、图 光发射机 P1 P3光发射机光功率计待测活动连接器Y分路器Y分路器（a）（b）遮光帽遮光帽图3.1.3 活动连接器回波损耗的测量原理框图 （2）结构与工作原理可变光衰减器的结构原理图如图3.2.1所示：光纤透镜反射光束可旋转衰耗板图3.2.1 可变光衰减器的原理结构图（二）光固定/可调衰减器测量结构示意图，如下图所示：电 光伪随机码序列光发射端 机TX1550 P光固定/可调衰减器图3.2.2 平均光功率测试结构示意图2110()iPLLgdBP. 起偏器 旋光器 检偏器电 光伪随机码序列光发射端 机TX1550 P光隔离器 A B4545 图3.3.1 光隔离器工作原理示意图光隔离器测量

7、结构示意图，如下图所示：图3.3.2 光隔离器性能测试连接示意图CHn-1合波器/分波器分波器/合波器CH1CH2CHn-1CHnCH1CH2CHnCH1+CH2+CHn 图3.4.1 波分复用原理图光波分复用器一般地分为有源、无源以及集成光学型几类。1. 无源光波复用器无源光波复用器由光滤波器构成。光滤波器一般地分为三种类型，即相干光滤波器、棱镜型滤波器，以及衍射光栅滤波器。2. 有源波分复用器 有关有源光波分复用器主要是多波长激光器（LD），多波长发光二极管（LED）、多波长光检测器以及集成光学型的光波分复用器。合波器/分波器分波器/合波器CH1CH2CHn-1CHnCH1CH2CHnCH

8、1+CH2+CHn1310nm光发1550nm光发合波器分波器TX1310TX1550abcde Pg 图3.4.2 波分复用器常用连接示意图图3.4.2中，c点的1310nm光功率与a点的1310nm光功率的差值为光波分复用器对1310nm光传输的插入损耗，c点的1550nm光功率与b点的1550nm光功率的差值为光波分复用器对1550nm光传输的插入损耗。但由于便携式光功率计不能滤除1310nm光只测1550nm的光功率，同时也不能滤除1550nm光只测1310nm的光功率。所以我们改用下面方法进行插入损耗测量，也可以同时对其隔离度指标进行测量。见图3.4.3：1310nm光发1550nm

9、光发合波器分波器TX1310TX1550abcde Pg1310nm光发1550nm光发合波器分波器TX1310TX1550abcde Pg1310nm光发1550nm光发合波器分波器TX1310TX1550abcde Pg1310nm光发1550nm光发合波器分波器TX1310TX1550abcde Pg1310nm光发1550nm光发TX1310TX1550ab Pg波分复用器dec 图3.4.3 波分复用器测量连接示意图（一）测量测量1310nm1310nm的插入损耗和波长隔离度的插入损耗和波长隔离度如图3.4.3中所示，首先测出1310nm光源的输出光功率，记为Pa。紧接着将波分复用器

10、的c点接1310nm光源a点，用光功率计测出波分复用器的输出d、e两点功率，分别记为Pd 、Pe。代入下面公式得出对应的插入损耗和隔离度。填入表格3.4.1。10aidPLLgP10agePLLgP10biePLLgP10bgdPLLgP功率波长插入损耗： （dB） （式3.4.1） 隔离度： （dB） （式3.4.2）（二）测量（二）测量1550nm1550nm的插入损耗和波长隔离度的插入损耗和波长隔离度如图3.4.3中所示，首先测出1550nm光源的输出光功率，记为Pb。紧接着将波分复用器的c点接1550nm光源b点，用光功率计测出波分复用器的输出e、d两点功率，分别记为Pe 、Pd。代入

11、下面公式得出对应的插入损耗和隔离度。填入表格3.4.1。 插入损耗： （dB） （式3.4.3）隔离度： （dB） （式3.4.4）表（3.4.1）去传输系统光源1310nm1310nm光分路器光功率计尾纤50%50%ab去测试系统c三、基本原理三、基本原理光分路器主要是从光纤传输线路上取出一部分光信号做监测使用，其连接示意图，见图3.5.1。在前面的活动连接器的回波损耗测量实验中，就应用过光分路器的原理。 图3.5.1 1310波长光分路器应用连接示意图本实验系统提供了1310nm、1550nm两个工作波长光源，所以配置的光分路器也必须是这两个工作波长的分路器。中心波长1310nm或者155

12、0nm，分光比建议为50：50。主、支路插入损耗测量（选用1310nm波分复用器）光源1310nm1310nm光分路器光功率计尾纤50%50%ab去测试系统c光源1310nm1310nm光分路器光功率计尾纤50%50%ab去测试系统c光源1310nm1310nm光分路器光功率计尾纤50%50%ab去测试系统c光源1310nm1310nm光分路器光功率计尾纤50%50%ab去测试系统c光源1310nm1310nm光分路器光功率计尾纤50%50%ab去测试系统c光源1310nm1310nm光分路器光功率计尾纤50%50%ab去测试系统c用光功率计首先测量1310nm光源经尾纤输出在“a”点的光功率

13、Pa，然后将信号接入光分路器的输入端口；用光功率计测量支路“b”点光功率Pb。记录测量结果，填入表格表3.5.1，计算光分路器主、支路插入损耗值。表3.5.1 分光比测量分光比测量如图3.5.1所示，在上述测量条件下。再用光功率计测量支路“c”点光功率Pc。记录测量结果，填入表格3.5.2，计算光分路器分光比。表3.5.2光发端机1550nm1310nm光分路器光功率计尾纤50%50%a去传输系统 去测试系统bc 波长特性测量波长特性测量将测量光源改变为1550nm，分路器不变。重复上述第1和第2步实验步骤。见图3.5.2所示。记录测量结果，填入表格3.5.3。分析1310nm波长分路器使用在

14、其它波长时的影响结果。图3.5.2 光分路器性能1550波长测试连接示意图表3.5.3光发射端机发射的光信号，在光纤中传输时，不仅幅度被衰减，而且脉冲的波形被展宽。光接收端机的作用，是探测经过传输的微弱光信号，并放大、再生成原传输信号。对强度调制的数字光信号，在接收端采用直接检测方式时，光接收端机的主要组成如图4.0所示。图4.0 DD数字光接收机框图光电变换前置放大主放大器均衡滤波判决器译码器时钟恢复AGC电路光信号输出实验测量结构示意图如下图所示：光发射 端 机TX1550 P P光接收 端 机误 码测试仪可调衰减器P204图4.1.1 收端机灵敏度的测试结构示意图Pmaxmin10()P

15、DLgdBP图6.0是一个典型的数字光信道传输系统的方框图。数字信号源或A/D转换线路编码光信道传输线路译码抽样判决同步提取码元再生电收端衰耗和干扰 图6.0 数字光信道传输系统的方框图本章节着重介绍数字光纤通信系统中的线路编译码编码规则、优缺点比较，线路编码的作用等问题。线路编码的作用，是将传送码流转换成便于在光纤中传输、接收及监测的线路编码。由于光源不可能有负光能，往往采用“0”、“1”二电平码。但简单的二电平码具有随信息随机起伏的直流和低频成份，在接收端对判决不利，因而需要进行线路编码以适应光纤线路传输的要求。线路编码主要有两个作用：其一是消除随机数字码流中的长连“0”和长连“1”码，以

16、便于接收端时钟的提取。其二是按一定规则进行编码后，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。常用的光线路编码大体可以归纳为三类：字变换码、插入码、和扰码二进制码等。下面将对这几类编码进行介绍、实验。光 电电 光 光纤 CMI线路编码光发射光接收TX1550 P204自编数据判决再生CMI线路译码三、基本原理三、基本原理本实验系统主要由两大部分组成：电端机部分、光信道部分。电端机又分为电信号发射和电信号接收两子部分，光信道又可分为光发射端机、光纤、光接收端机三个子部分。在本实验中，涉及的电发射部分有两个功能模块： 8位的自编数据功能和CMI线路编码功能。涉及的电接收部分就是时钟提取

17、和再生功能、相应的CMI线路译码功能。CMI码光纤通信基本组成结构如下图所示：图6.1.1 CMI码光纤通信基本组成结构1550nmLD+单模0 0 1 0 1 1 1 0 1 0 图6.1.2 CMI码变换规则示例CMI的连“0”连“1”为3，故这种线路码含有丰富的定时信息，便于定时提取。这种码都容许进行不中断业务的误码检测。CMI码在ITU-TG.703建议中被规定为139.264Mbit/s和155.520Mbit/s的物理/电气接口的码型。因此有不少139.264Mbit/s和155.520Mbit/s数字光纤传输系统就用CMI作为光线路码型。除了上述优点外，直接将四次群复用设备送来的

18、CMI码直接调制到光器件上，接收端把还原的CMI码直接送给四次群解复用设备，这样做无需电接口和线路码型的变换/反变换，具有设备简单的优点。三、基本原理三、基本原理本实验系统主要由两大部分组成：电端机部分、光信道部分。电端机又分为电信号发射和电信号接收两子部分，光信道又可分为光发射端机、光纤、光接收端机三个子部分。在本实验中，涉及的电发射部分有两个功能模块： 8位的自编数据功能和5B6B线路编码功能。5B6B码光纤通信基本组成结构如下图所示：光 电光接收 P202电 光 光纤 1310nmLD+单模5B6B线路编码光发射 TP201自编数据判决再生图6.2.1 CMI码光纤通信基本组成结构mB码

19、字到nB码字的变换及逆变换是按预定的码表进行的，不同的码表产生不同的线路码性能。mBnB码中，5B6B码被认为是在编码复杂性和比特冗余度之间最合理的折中。它的线路码速只比原始码速增加20%，而变换、逆变换电路也不复杂。01001111000 图6.3.2 5B6B码变换规则示例本实验中5B数据信息是5位的自编数据（本是8位拨码器，最后5位有效），其自编数据和编码数据输出波形在示波器窗口显示为：高位在左，低位在右。采用编码对照表为5B6B-1。010011110000100111100001001111000表格5B6B编码表三、基本原理三、基本原理本实验系统主要由两大部分组成：电端机部分、光信

20、道部分。电端机又分为电信号发射和电信号接收两子部分，光信道又可分为光发射端机、光纤、光接收端机三个子部分。在本实验中，涉及的电发射部分有两个功能模块：8位的拨码器和5B1P线路编码功能。5B1P码光纤通信基本组成结构如下图所示：图6.3.1 CMI码光纤通信基本组成结构光 电光接收 P202电 光 光纤 1310nmLD+单模5B6B线路编码光发射 TP201自编数据判决再生5B时钟 P1025B数据 P1015B1P时钟 P1045B1P数据 P103 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 P图6.3.2 5B1P码变换规则示例三、基本原理三、基本原理本实验系统主要由两大部分组成：电端机部

21、分、光信道部分。电端机又分为电信号发射和电信号接收两子部分，光信道又可分为光发射端机、光纤、光接收端机三个子部分。在本实验中，涉及的电发射部分有两个功能模块： 8位的自编数据功能和扰码功能。涉及的电接收部分就是时钟提取和再生功能、相应的解扰功能。扰码光纤通信基本组成结构如下图所示： 图6.4.1 CMI码光纤通信基本组成结构解扰线路译码光 电光接收 P202电 光 光纤 1310nmLD+单模加扰线路编码光发射 TP201自编数据判决再生C1C1C1Cn-1an-1an-2an-3a1a0Cn=1C0=1输入数据序列S输出序列GK下面对数字信号加扰码进行分析和讨论：减少连“0”码（或连“”码）

22、以保证位定时恢复质量是数字基带信号传输中的一个重要问题。将二进制数字信息先作“随机化”处理，变为伪随机序列，能限制连“0”码（或连“”码）的长度。这种“随机化”处理常称为“扰码”。扰码虽然“扰乱”了数字信息的原有形式，但这种“扰乱”是有人为规律的，因而是可以解扰的。在接收端这种解“扰乱”的过程叫“解扰”。扰码和解扰原理扰码原理是以线性反馈移位寄存器理论作为基础的。在图6.4.2线性反馈移位寄存器的反馈逻辑输出与第一级寄存器输入之间引入一个模二和相加电路，以输入数据作为图6.4.2 扰码器的一般形式1niiiGSC D0niiiSGCD 模二和的另一个输入端，即可得到图6.4.2所示扰码器一般形

23、式。分析扰码器的工作原理时引入一个运算符号“D”表示将序列延时一位 ，D S表示将序列延时K位。采用延时算符后，可得以下表达式： 这里，求和号也是模二和运算，C 是线性反馈移位寄存器的特征多项式的系数，上式也可表达为： 以4级移位寄存器构成的扰码器为例，在图6.4.2基础上可得到图6.4.3（a）结构形式的扰码器。假设各级移位寄存器的初始状态为全0，输入序列为周期性的101010，则输出序列及各反馈抽头处的序列如下所示；序号S 10101010101010 D3 S 00010110111001 D4 S 00001011011100输出序列 G 10110111001111DDDD输 入 序

24、 列 S输 入 序 列 Gan-1an-2an-3a1a0C1C2C3Cn-1C0=1输 入 扰 码 序 列GCn=1输 出 序 列 R (a) (b) 图6.4.3 （a）四级移位寄存器构成的扰码器； (b)相应的解扰码器0niiiRGC D G0()niiiRGC DRS或由上例可知，输入周期性序列经扰码器后变为周期较长的伪随机序列。不难验证，输入序列中有连“1”或连“0”串时，输出序列也将会呈现出伪随机性。显然，只要移位寄存器初始状态不为全0，则当输入序列为全0时（即无数据输入），扰码器就是一个线性反馈移位寄存器序列发生器，选择合适反馈逻辑即可得到m序列伪随机码。在接收端可以采用图6.4

25、.3（b）所示的解扰码，这是一个前馈移位寄存器结构。采用这种结构可以自动地将扰码后序列恢复为原始的数据序列。我们仍采用延时算符来说明这一点。由图6.4.3 (b)可得如下关系式：因此解扰器输出序列与扰码器输入序列完全相同。光 电电 光 光纤 1310nmLD+单模数字序列光发射光接收TP201P112均衡滤波器+10-111010001(a)无失真时(a)有失真时信号波形T眼图6.5.2 无失真及有失真时的波形及眼图 (a) 无码间串扰时波形；无码间串扰眼图 (b) 有码间串扰时波形；有码间串扰眼图 在图6.5.2中画出两个无噪声的波形和相应的“眼图”，一个无失真，另一个有失真(码间串扰)。图

26、6.5.2中可以看出，眼图是由虚线分段的接收码元波形叠加组成的。眼图中央的垂直线表示取样时刻。当波形没有失真时，眼图是一只“完全张开”的眼睛。在取样时刻，所有可能的取样值仅有两个：+1或-1。当波形有失真时，在取样时刻信号取值分布在小于+1或大于-1附近，“眼睛”部分闭合。这样，保证正确判决所容许的噪声电平就减小了。换言之，在随机噪声的功率给定时，将使误码率增加。“眼睛”张开的大小就表明失真的严重程度。为便于说明眼图和系统性能的关系，我们将它简化成图6.5.3的形状。TUU+U-Ta最佳取样时间(最佳取样点)对定时误差的灵敏度噪声容限取样失真零点位置的失真 6.5.3 眼图的重要性质 4正负极

27、性不对称度 指在最佳抽样点处眼图正、负幅度的不对称程度。无畸变眼图的极性不对称度应为0。最后，还需要指出的是：由于噪声瞬时电平的影响无法在眼图中得到完整的反映，因此，即使在示波器上显示的眼图是张开的，也不能完全保证判决全部正确。不过，原则上总是眼睛张开得越大，误判越小。在图6.5.4中给出从示波器上观察到的比较理想状态下的眼图照片。 (a) 二进制系统 (b) 随机数据输入后的二进制系统 图6.5.4 实验室理想状态下的眼图 PCM编码PCM译码P601P602P603P604TP601用户A：48PCM编码PCM译码TP801/802P801P802P804用户B：49P803图7.1.1

28、电话用户A、B结构示意图P601用户A用户BP804激光/探测器P201P205 光纤 1310nmLD+单模 PCM编译码P201P202 光纤 1550nmLD+单模 电 光 光 电光接收光发射PCM编译码P204P203电话用户接口A电话用户接口B图7.1.2 电话用户A、B模拟光传输结构示意图（A到B单工）图7.1.3数字电话光纤通信基本组成结构示意图光 电电 光光发射光接收 图7.1.4 模拟用户线接口功能框图铃流发生器馈电电源模拟用户线过压保护电路测试开关振铃继电器馈电电路混合电路编码器解码器低通平衡网络低通发送码流接收码流(编码信号)ab测试总线振铃控制信号用户线状态信号PBL

29、387 10 TP3067过压保护电路测试开关摘机检测控制信号1控制信号2状态指示/ 内部电源稳压电路输入控制译码二/四线接口馈电与平衡 电 路话音通道传输振铃控制语音发送支路语音接收支路振铃控制电话接口（2 2）用户线接口电路主要功能）用户线接口电路主要功能 图7.1.5 PBL 387 10内部电路方框图 用户线 用户线 主叫用户被叫用户呼叫信号拨号音信号 号码信号回铃音信号话音信号忙音信号挂机信号振铃信号应答信号通信建立挂机（先挂方）（用户线信号） 摘机挂机摘机（二）正常呼叫接续时传送信号工作流程图7.1.6为一次正常呼叫传送信号流程图，图7.1.7是一次正常呼叫状态分析图。图7.1.6

30、 一次正常呼叫传送信号的流程图当主叫用户电话摘机，话机听筒传来拨号音。开始拨号，拨号音断。拨号完毕，若呼叫存在，话机听筒传来回铃音，被叫用户话机振铃，被叫用户摘机，回铃音断；若呼叫号码不存在，话机听筒传来忙音。在等待拨号、拨号、呼叫等每个状态都有计时，若超过规定时间，则呼叫中断，话机听筒传来忙音，催挂机。通话完毕，一方挂机，另一方送忙音。图7.1.7 一次正常呼叫状态分析图输入振 铃输入信息输入信息中途挂机超时被叫摘机主叫挂机超时主叫先挂被叫先挂停拨号音挂机处理送忙音应答接续挂机处理送忙音主叫先挂处理被叫先挂处理转收号状态转空闲状态转听忙音状态转通话状态转空闲状态转听忙音状态主叫空闲状态锁定状

31、态输入收号通 话收第一位号输入信息输入信息程控程控交换机交换机用户状态信息各种可闻信号 图7.1.8 工作原理框图用户接口电路CPLD信号产生单元EPM240（U105）话音、信号音切换电子开关交换控制单元拨号音回铃音SELA控制信号振铃音RING振铃控制CA语音数据D4DTMF信号语音信号各种可闻信号主处理器89C51（记发器U501）忙音D2D3D1交换控制信号控制信号摘机信号DET12ENDTMF号码检测MT88704.DTMF接收控制电路：主要由EPM240可编程器件和CPU的中断端口组成，当MT8870收到电话号码后，便发出使能信号（12EN或34EN）向CPU(U501芯片)申请中

32、断，接收电话号码数据（D1D4）送给CPU（U501）和EPM240进行处理。然后，CPU（U501）译成交换命令（COMM字节表示）送往交换单元。 图7.1.9 记发器工作过程示意框图输入电路高频带通滤波器过零检测器码变换锁存与缓冲过零检测器低频带通滤波器信号输入（四）双音多频（四）双音多频（DTMFDTMF）检测）检测DTMF接收器包括DTMF分组滤波器和DTMF译码器，其基本原理如图7-1所示。DTMF接收器先经高、低群带通滤器进行fL / fH区分，然后过零检测、比较，得到相应于DTMF的两路fL、fH信号输出。该两路信号经译码、锁存、缓冲，恢复成对应于16种DTMF信号音对的4比特二

33、进制码（D1D4）。图7.1.10 典型DTMF接收器原理框图本实验系统采用MT8870进行号码检测的，MT8870的译码表见7.1.1所示，图7.1.10为双音多频实验系统的电原理框图。其中，数据输出允许端EN和D1D4见平台上记发器模块的左边测试过孔。 表7.1.1 MT8870译码表三、实验原理三、实验原理1 1方框图方框图计算机数据信号从USB的接口进入，送到光发送端机进行电光转换，转换成光信号，光信号经光纤信道传输再由光接收端机完成光电转换和信号恢复，再送回PC机上进行显示，其传输过程的方框图如图7.2.1所示：光 电电 光 光纤 1550nmLD+单模USB发送USB接收光发射光接

34、收TX1550 P204图7.2.1 计算机数据的光纤传输框图2 2实验电路实验电路实验电路中，外接PC机用的USB口为USB701，接口芯片为U702，其型号为CH372。USB模块接收的PC机数据从P701串行送出，发送至PC机的数据由P702输入。图7.2.2为计算机光传输的工作流程图：图7.2.2 计算机数据光传输工作流程图P202P204光发端机1310/1550P701P702尾纤光发单元光收单元USB接口USB701USB接口电路图像入P201/P203光发端机1310/1550图像出 上层软件的使用方法： 上层软件如下图所示 点击“打开图像文件”，弹出对话框： 选择一幅图像，如：Couple,