光纖傳輸綜合實驗

綜合性實驗
一、實驗?zāi)康?br /> 1、掌握CMI編譯碼的方法。
2、掌握波分復(fù)用技術(shù)及實現(xiàn)方法。
3、掌握變速率/解變速率時分復(fù)用的實現(xiàn)方法。
4、掌握變速率/解變速率波分復(fù)用的實現(xiàn)方法。
5、掌握時分復(fù)用技術(shù)和波分復(fù)用技術(shù)的靈活搭配使用。
二、實驗內(nèi)容
1、CMI碼的光纖傳輸。
2、了解波分復(fù)用原理及實現(xiàn)方法。
3、了解變速率時分復(fù)用的原理及實現(xiàn)方法。
4、實現(xiàn)四臺計算機和語音同時通信
三、實驗儀器
1.光纖通信實驗系統(tǒng)1臺。
2.示波器1臺。
3.光纖跳線1根。
2.波分復(fù)用器2個。
4.光纖活動連接器1個。
5.計算機若干臺串口通信電纜若干根（數(shù)量根據(jù)計算機數(shù)量配置）
四、實驗原理
1.線路碼型
數(shù)字光纖通信與數(shù)字電纜通信一樣，在其傳輸信道中，通常不直接傳送終端機（例如PCM終端機）輸出的數(shù)字信號，而需要經(jīng)過碼型變換，使之變換成為適合于傳輸信道傳輸?shù)拇a型, 稱之為線路碼型. 在數(shù)字電纜通信中, 電纜中傳輸?shù)木€路碼型通常為三電平的“三階高密度雙極性碼”, 即HDB3碼，它是一種傳號以正負(fù)極性交替發(fā)送的碼型。在數(shù)字光纖通信中由于光源不可能發(fā)射負(fù)的光脈沖，因而不能采用HDB3碼，只能采用“0”“1”二電平碼。但簡單的二電平碼的直流基線會隨著信息流中“0”“1”的不同的組合情況而隨機起伏，而直流基線的起伏對接收端判決不利，因此需要進行線路編碼以適應(yīng)光纖線路傳輸?shù)囊蟆?br /> 線路編碼還有另外兩個作用：
其一是消除隨機數(shù)字碼流中的長連“0”和長連“1”碼，以便于接收端時鐘的提取。
其二是按一定規(guī)則進行編碼后，也便于在運行中進行誤碼監(jiān)測，以及在中繼器上進行誤碼遙測。
2.CMI碼
CMI（Coded Mark Inversion）碼是典型的字母型平衡碼之一。CMI在ITU-T G.703建議中被規(guī)定為139 264 kbit/s（PDH的四次群）和155 520 kbit/s（SDH的STM-1）的物理/電氣接口的碼型。其變換規(guī)則如下表所示：

輸入碼字	CMI碼
	模式1	模式2
0	01	01
1	00	11

CMI由于結(jié)構(gòu)均勻，傳輸性能好，可以用游動數(shù)字和的方法監(jiān)測誤碼，因此誤碼監(jiān)測性能好。由于它是一種電接口碼型，因此有不少139 264 kbit/s的光纖數(shù)字傳輸系統(tǒng)采用CMI碼作為光線路碼型。除了上述優(yōu)點外，它不需要重新變換，就可以直接用四次群復(fù)接設(shè)備送來的CMI碼的電信號去調(diào)制光源器件，在接收端把再生還原的CMI碼的電信號直接送給四次群復(fù)用設(shè)備，而無須電接口和線路碼型變換/反變換電路。其缺點是碼速提高太大，并且傳送輔助信息的性能較差。
1. CMI編碼原理框圖
 

圖1 CMI編碼原理框圖
 
2. CMI譯碼原理框圖
 

圖2 CMI譯碼原理框圖
 
4、 變速率時分復(fù)用原理
 

圖3 變速率時分復(fù)用原理圖
 
各組成模塊的功能說明如下：
碼速調(diào)整：　 將輸入信號用128kbit/s的時鐘進行CMI編碼。使輸入信號具有 同碼速。輸出信號的速率為256kbit/s。
復(fù)接器：　   將4個支路已經(jīng)同步的信碼流和四位巴克碼復(fù)接成一個高速率的信號。輸出信號的速率為2048kbit/s。
時鐘源：　　 為整個復(fù)接電路提供穩(wěn)定的時鐘信號。
逐比特復(fù)接也叫逐位復(fù)接。逐位復(fù)接的示意圖如下圖所示。(a)、(b)、(c)、(d)是4個被復(fù)接支路的信號(基群數(shù)字信號)，(e)是復(fù)接后的數(shù)字信號。復(fù)接過程是這樣的：首先取基群的位碼，接著取第二基群的位碼，再取第三基群的位碼，再取第四基群的位碼，輪流將4個支路的位碼取值一次后再進行第二位碼取值，方法仍然是：首先取基群的第二位碼，接著取第二基群的第二位碼，再取第三基群的第二位碼，輪流將4個支路的第二位碼取值一次后再進行第三位碼取值，依此類推，一直循環(huán)下去。這樣得到的圖中(e)序列就是復(fù)接后的二次群序列?？梢钥闯觯瑥?fù)接后每位碼的寬度只是原來支路每位碼寬度的1／4，換言之，容量增加了4倍。復(fù)接時，緩沖存儲器是不可少的，其原因可由圖4-1看出：當(dāng)復(fù)接器在復(fù)接第二、第三和第四基群的位碼時，基群的第二位碼，第三位碼……不斷送來，而這些碼位要等第四基群的位碼復(fù)接完了才能復(fù)接它們。因此，每個基群都需要存儲器先把它們存儲起來。由于是按位復(fù)接，循環(huán)周期不長，存儲器所需的容量不大，制作比較簡單。緩沖存儲器的容量由下式?jīng)Q定：

式中u為復(fù)接單位的比特數(shù)。上圖中每次復(fù)接一位，即u=1；m為被復(fù)接的基群數(shù)，這里m=4。這樣二次群復(fù)接器所需的容量M為：

式中的1bit是先寫進去以便讀出的存儲起始撞，3／4是讀第二、三、四基群的位碼時所需存儲容量?？梢?，緩沖存儲器的容量取2bit就夠了。

圖4  緩沖存儲器波形圖
按位復(fù)接簡易原理框圖：
 
圖5 按位復(fù)接原理框圖
變速率時分復(fù)用和固定速率時分復(fù)用主要區(qū)別在于變速率時分復(fù)用采用了按位復(fù)接的方式而固定速率時分復(fù)用采用的是按碼字復(fù)接。按位復(fù)接設(shè)備簡單，但是信號的完整性比較差。按碼字復(fù)接信號完整性好，但設(shè)備較復(fù)雜，所需緩沖存儲器的容量較大，目前應(yīng)用的很少。
碼速調(diào)整有三種方式：正碼速調(diào)整；正／負(fù)碼速調(diào)整；正／零／負(fù)碼速調(diào)整。
    ITU—T推薦使用正碼速調(diào)整和正／零／負(fù)碼速調(diào)整方式。我國大部分復(fù)用設(shè)備采用正碼速調(diào)整方式，也有采用正／零／負(fù)碼速調(diào)整方式的。
    目前應(yīng)用的多是“脈沖插入同步”方式，這種方式是利用插入脈沖的方法來實現(xiàn)調(diào)整的。
所謂正碼速調(diào)整就是將被復(fù)接的低次群的碼速都提高，使其同步到某一規(guī)定的較高的碼速上。例如在PCM基群的數(shù)碼率標(biāo)稱值都是2 048kb／s，但由于各個獨立的時鐘源總是存在偏差，因此，可根據(jù)復(fù)接幀的要求，確定脈沖的插入數(shù)目，使每個基群的數(shù)碼率均由2 048kb／s填充到所要求的數(shù)碼率，二次群復(fù)接時為2112kb／s。這樣，碼速都提高了，又達到了相互同步的目的。由于是用提高碼速來使其同步，故稱為正碼速調(diào)整。
在系統(tǒng)中，首先對輸入的四路信號按一定速率進行編碼，以便使四路信號速率的標(biāo)稱值相同，編碼方式可以采用多種方式（如CMI、DMI，5B6B，4B1H等等），然后再對編碼后的信號進行脈沖插入同步的正碼速調(diào)整，下面，我們對正碼速調(diào)整中插入脈沖部分的原理作簡單介紹。采用脈沖插入同步的正碼速調(diào)整的原理如圖6所示。該圖只繪出一個支路的碼速調(diào)整插入部分情況，去插入部分和復(fù)接部分沒有繪出。

圖6 脈沖插入同步方式插入部分的原理示意圖
(a) 方框圖；(b)支路輸入數(shù)碼流fi，(c)碼速調(diào)整后的數(shù)碼流fm;
 
    基群輸入的數(shù)字信號先寫入到一個緩沖存儲器，寫入速率是編碼速率，讀出時鐘頻率則是碼速調(diào)整后的速率fm，而fm>fi，所以存儲器是讀得快寫得慢，即存儲器處于“快讀慢寫”狀態(tài)?？熳x慢寫會出現(xiàn)什么結(jié)果呢?從圖(b)和(c)可以看出，第1個脈沖經(jīng)過一段時間后讀出，第2個脈沖的讀出，其經(jīng)過的時間長度比前者要短一些，因讀出速度比寫入速度快，以后的寫入與讀出時間差，即相位差愈來愈小，在第6個脈沖時兩者相位差已很小，即將出現(xiàn)取空狀態(tài)，當(dāng)相位差小到一定程度時，由相位比較器(在緩沖存儲器中)發(fā)出插入請求，要求插入脈沖控制電路發(fā)出一個插入指令，停止一次讀出，同時在此瞬間插入一個脈沖，如圖中虛線位置所示。
插入脈沖是不攜帶信息的，所以在接收端應(yīng)把它去掉，為此，發(fā)送端在插入脈沖的同時，必須發(fā)出一個標(biāo)志信號通知接收端，據(jù)此判別出哪些是插入脈沖，然后把它去掉以恢復(fù)原始信號。
6、變速率時分解復(fù)用原理
分接端的原理如圖7所示。

圖7 分接端原理框圖
各組成模塊的功能說明如下：
分接器：      把輸入信號分接成4咱，分路送入緩沖存儲器。
數(shù)字鎖相環(huán)：  從輸入信號中提取定時信息，為其他模塊提供時鐘。
幀同步碼提?。簽榉纸悠魈峁叫盘?br /> 去插入原理示意圖如圖8所示。
 
圖8 同步脈沖去插入原理示意圖
（a）方框圖；（b）碼速調(diào)整后的數(shù)碼流fm；
（c）扣除插入脈沖后的接收信號；（d）恢復(fù)后的原數(shù)碼流fi
在接收端，當(dāng)收到發(fā)送端的標(biāo)志信號后，它連同信號一起通過一個標(biāo)志信號檢出電路而被檢出，因而產(chǎn)生一個“消插指令”，把寫入脈沖禁掉一個，也就是不使插入脈沖寫入存儲器。如圖(c)所示，即原虛線所示的位置空著了。
這時，數(shù)碼與原來的數(shù)碼次序一樣(因已扣除了插入脈沖)，但時間間隔是不均勻的，中間有間隙。因此，在接收端，要恢復(fù)原數(shù)碼，必須從圖(c)波形中，提取時鐘fi，即是將已去掉插入脈沖的數(shù)碼流均勻化。這一任務(wù)用一個鎖相環(huán)來完成。
鎖相環(huán)框圖如圖9所示。由鑒相器、壓控振蕩器和低通濾波器組成。壓控振蕩器的輸出是讀出時鐘fi，相位為θ0。鑒相器有兩個輸入信號：一個是寫入時鐘fm，它是已扣除插入脈沖的序列，其相位為θi；另一個是壓控振蕩器的輸出fi。鑒相器將兩信號進行相位比較，鑒相器的輸出電壓ud與它們的相差θe成比例，經(jīng)過低通濾波器濾出的直流成分uc，即為其平均值。uc作為VCO的控制電壓，通過環(huán)路的作用，使fi與fm同步，即振蕩器振蕩在平均頻率fi上，使讀出脈沖的間隔均勻了。

圖9 收端讀出脈沖均勻化
(a)  fm(已扣除塞入脈沖)；(b) fm(寫入)；(c) fi(讀出)；(d) ud=kdθe
為了使塞入脈沖的塞入和去塞入更可靠一些，往往采用定位塞入法。而塞入脈沖的標(biāo)志信號往往是與幀同步信號一起傳送，這時數(shù)據(jù)信道與信息信道合成為一個信道。
綜上所述，接收端工作過程要點如下：
1、 定時再生電路再生fm，作為寫入時鐘。
2、 由插入脈沖檢測電路檢測出插入脈沖后，發(fā)出扣除插入脈沖指令，把寫入脈沖禁掉一個，即不使插入脈沖寫入存儲器。
3、 將已扣除塞入脈沖的fm送到鎖相環(huán)鑒相器，通過鎖相環(huán)的作用，獲得讀出時鐘fi，即恢復(fù)為原來支路的頻率fi。
4、 由于鎖相環(huán)的存在，不可避免要產(chǎn)生抖動。
    下面討論正碼速調(diào)整的基本參數(shù)
設(shè)  fb為標(biāo)稱復(fù)接比特率；
fL為標(biāo)稱支路比特率；
m為支路數(shù)；
K為每幀中對應(yīng)每個支路的非信息比特數(shù)；
G為每幀中對應(yīng)每個支路的信息比特數(shù)。
則有：
    (1)、幀長LF
    幀長表示每幀中信息比特與非信息比特的總和為
    LF＝m(G+K)               （式5-1）
(2)、幀頻fF
幀頻fF表示每單位時間內(nèi)的幀數(shù)，   （式5-2）
    (3)、標(biāo)稱碼速調(diào)整速率fs(fi)
    標(biāo)稱碼速調(diào)整速率fs也稱為標(biāo)稱插入速率，是當(dāng)支路速率與復(fù)接速率都等于標(biāo)稱值時，插入的調(diào)整比特的速率。
   （式5-3）
(4)、每支路碼速調(diào)整頻率fsMAX。
  或        （式5-4）
式中IV是每幀每支路可用于碼速調(diào)整的比特數(shù)。
    (5)、標(biāo)稱碼速調(diào)整比S   
     S是標(biāo)稱碼速調(diào)整速率與每支路調(diào)整速率之比：
   （式5-5）
(6)、正碼速調(diào)整的基本關(guān)系式
  由（式5-1）得：
   （式5-6）
  由（式5-5）得：
   （式5-7）
將式(3.7)代入式(3.6)可得：
   (式5-8)
式(5.8)就是正碼速調(diào)整的基本關(guān)系式，其中，支路比特速率fL、復(fù)接比特率fb和支路數(shù)m都是已知量。幀長LF對應(yīng)每個支路的非信息比特數(shù)K及標(biāo)稱碼速調(diào)整比S是基本設(shè)計量。在這三個設(shè)計量中通常取幀長LF做自變量。每取一個LF值即可按基本公式求得左端的數(shù)值，該數(shù)值的整數(shù)部分就是K值，小數(shù)部分就是S值。
五、實驗步驟
A.CMI編譯碼步驟
1.關(guān)閉系統(tǒng)電源。
2.按實驗十七的實驗步驟將1310nm光收發(fā)模塊調(diào)為最傳達輸狀態(tài)。然后，關(guān)閉系統(tǒng)電源，保留光纖跳線的連接，拆除其它連線。
3.將光端FPGA的J700設(shè)置為“外部”。
4.按如下方式連接：

光端FPGA模塊 (PN序列一)	P720--P716	光端FPGA模塊 （CMI編碼模塊信號輸入）
光端FPGA模塊 (PN序列一時鐘)	P719--P714	光端FPGA模塊 （CMI編碼模塊時鐘輸入）
光端FPGA模塊 （CMI編碼輸出）	P715--P100	1310nm光發(fā)模塊 （數(shù)字光發(fā)信號輸入）
1310nm光收模塊 （光收模塊數(shù)字輸出）	P106--P724	光端FPGA模塊 （CMI譯碼信號輸入）

5.打開系統(tǒng)電源，用示波器觀測光端FPGA的TP720和TP715，比較PN序列編碼前后的波形有何變化。再用示波器觀測TP720和TP723的波形，比較編碼前和譯碼后的波形。
B.變速率時分復(fù)用

數(shù)字信號源模塊 (數(shù)字信號源一)	P300—P741 ————→	固定速率時分復(fù)用模塊 （復(fù)用輸入信號一）
數(shù)字信號源模塊 (數(shù)字信號源二 )	P301—P740 ————→	固定速率時分復(fù)用模塊 （復(fù)用輸入信號二）
數(shù)字信號源模塊 (數(shù)字信號源三)	P302—P739 ————→	固定速率時分復(fù)用模塊 （復(fù)用輸入信號三）
數(shù)字信號源模塊 (數(shù)字信號源四)	P303—P738 ————→	固定速率時分復(fù)用模塊 （復(fù)用輸入信號四）
固定速率時分復(fù)用模塊 （復(fù)用輸出）	P742—P603 ————→	電端FPGA （變速率時分復(fù)用輸入信號一）
光端FPGA （PN序列一信號輸出）	P720—P602 ————→	電端FPGA （變速率時分復(fù)用輸入信號二）

1.打開系統(tǒng)電源。用示波器分別觀測TP603和TP608、TP602和TP607、TP601和TP606、TP600和TP605分別為CMI編碼前后的波形。
2.用示波器觀測TP614，觀測復(fù)用后的波形。
C. 變速率時分解復(fù)用

數(shù)字信號源模塊 (輸出一)	P300—P741	固定速率時分復(fù)用模塊 (復(fù)用輸入一)
數(shù)字信號源模塊 (輸出二 )	P301—P740	固定速率時分復(fù)用模塊 (復(fù)用輸入二)
數(shù)字信號源模塊 (輸出三)	P302—P739	固定速率時分復(fù)用模塊 (復(fù)用輸入三)
數(shù)字信號源模塊 (輸出四)	P303—P738	固定速率時分復(fù)用模塊 (復(fù)用輸入四)
固定速率時分復(fù)用模塊 (復(fù)用輸出)	P742—P603	電端FPGA (變速率時分復(fù)用輸入一)
光端FPGA (PN序列一信號輸出)	P720—P602	電端FPGA (變速率時分復(fù)用輸入二)
電端FPGA (變速率時分復(fù)用復(fù)用輸出)	P614—P618	電端FPGA (HDB3編碼信號輸入)
電端FPGA (HDB3編碼信號輸出一)	P617—P800	2M接口一 (電平變換信號輸入一)
電端FPGA (HDB3編碼信號輸出二)	P616—P802	2M接口一 (電平變換信號輸入二)
2M接口一 (電平變換信號輸出)	P801—P803	2M接口一 (電平反變換信號輸入)
2M接口一 (電平反變換信號輸出一)	P805—P622	電端FPGA (HDB3譯碼信號輸入一)
2M接口一 (電平反變換信號輸出二)	P804—P621	電端FPGA (HDB3譯碼信號輸入二)
2M接口一 (電平反變換信號輸出一)	P805—P624	電端FPGA (數(shù)字鎖相環(huán)信號輸入)
電端FPGA (HDB3譯碼信號輸出)	P620—P626	電端FPGA (幀同步提取信號輸入)
電端FPGA (HDB3譯碼信號輸出)	P620—P632	電端FPGA (變速率時分復(fù)用解復(fù)用輸入)
電端FPGA (變速率時分復(fù)用解復(fù)用輸出一)	P636—P745	數(shù)字信號終端 (固定速率時分復(fù)用解復(fù)用輸入)
電端FPGA (速率時分復(fù)用解復(fù)用輸出一)	P636—P744	數(shù)字信號終端 (數(shù)字鎖相環(huán)信號輸入)

1.打開系統(tǒng)電源。用示波器觀察電端FPGA模塊測試點TP635和光端FPGA模塊測試點TP720的波形。比較PN序列一在變速率時分復(fù)用前和解復(fù)用后的波形。
2.將數(shù)字信號源其中的一路撥為幀同步碼（“01110010”），比較數(shù)字信號源模塊和數(shù)字信號源終端模塊的發(fā)光二極管的顯示。
D.波分復(fù)用
1.有三種連線方式分別代表了模擬信號和模擬信號一起傳輸、模擬信號和數(shù)字信號混傳、數(shù)字信號和數(shù)字信號一起傳輸，選擇其中一種：

方式一
模擬信號源模塊 （正弦波輸出）	P410—P104 ————→	1310nm光發(fā)模塊 （模擬光發(fā)輸入）
模擬信號源模塊 （三角波輸出）	P401—P204 ————→	1550nm光發(fā)模塊 （模擬光發(fā)輸入）
方式二
模擬信號源模塊 （正弦波輸出）	P410—P104 ————→	1310nm光發(fā)模塊 （模擬光發(fā)輸入）
光端FPGA （PN序列一）	P720—P200 ————→	1550nm光發(fā)模塊 （數(shù)字光發(fā)輸入）
方式三
光端FPGA （PN序列一）	P720—P100 ————→	1310nm光發(fā)模塊 （數(shù)字光發(fā)輸入）
光端FPGA （PN序列二）	P718—P200 ————→	1550nm光發(fā)模塊 （數(shù)字光發(fā)輸入）

2.在上表中的三種連線方式任選其一連接好波分復(fù)用器。
3.如果傳輸?shù)氖鼓M信號，則按實驗十四來進行實驗。如果傳輸?shù)氖菙?shù)字信號則按實驗十七來進行實驗。
E. 時分復(fù)用技術(shù)和波分復(fù)用技術(shù)組合

圖10 實驗框圖
1.實驗框圖如圖10所示，參考前面的實驗自己設(shè)計連線方式并連接好。
2.打開系統(tǒng)電源。調(diào)節(jié)光收發(fā)模塊的狀態(tài)，使計算機數(shù)據(jù)能夠正常傳輸，圖象能夠正常傳輸。
六、實驗報告
1.簡述CMI編譯碼的原理。
2.記錄各測試點的波形。