[光纤通信]实验指导书

北方民族大学

Beifang University of Nationalities

《光纤通信》实验指导书

主编 王金山

校对 王金山

北方民族大学电气信息工程学院

二0一五年八月

目 录

中央处理控制器单元综合设计实验……………………………………2

码型变换综合设计实验…………………………………………………4 实验一 实验二

实验三

实验四

光纤发收系统综合设计实验……………………………………………6 PCM编码光传输系统综合设计实验……………………………………11

实验一 CPU中央处理控制单元系统综合设计实验

（综合设计性实验）

一、实验目的

1.了解单片机在光纤通信系统中的应用。

2.了解该单元电路对整个光纤实验系统的管理与控制过程。

3.熟悉本系统中进行各种信号传输实验的电路连接与键盘操作方法。

二、实验仪器与器材

1、光纤通信实验箱一个

2、20MHz示波器一台

3、万用表一台

三、实验基本原理及电路

中央处理控制器单元电路方框图如图6-1所示，它由AT89C51单片机，显示接口电路、数字接口电路，模拟接口电路与键盘电路等五个部分组成。该控制单元是综合实验系统中的中心控制部分，它控制着其他各部分实验电路的工作，采用MCS-51单片机技术对全系统实验集中管理与控制，学生上机作某项实验或综合实验时，通过键进行操作，可选择各种方式的实验，通过发光管指示，可了解实验系统的工作状态。

从实验系统的输入键盘可看出，共有12个功能键，其中“脉冲波”、“方波”、“CMI”、“PN”、“数字电话”、“PCM” 键为数字信号功能键。在做数字信号光传输实验时，用此6个功能，若再做数字信号与模拟信号的光传输实验时，则再加上“三角波”、“正弦波”、“外输入”、“模拟电话”4个模拟信号功能键。具体操作为：若做数字电话光传输实验时，则按一下“数字电话”键后，再按下“确认”键，这时，CPU接通与数字电话有关的数字电路、光发系统与光收系统等单元电路。实验结束后，再按一下“复位”键，使系统复位重新启动。

四、实验内容及步骤

内容：

1. 熟悉CPU单元电路模块工作过程。

2. 熟悉CPU单元电路对实验系统的管理与控制。

3. 熟悉键盘的功能键和操作方法。

4. 测量并分析TP101、TP102、TP103、TP104、TP105、TP107、TP109、TP110

各测量点波形及数据。

步骤：

1.接好电源，打开交流电源，打开开关K1、K2，发光管D5-D14循环发亮，使电路开始工作。按下复位键使系统复位，便于程序重新开始工作。

2.用示波器测量AT89C51单片机的工作状态。GND为接地点，测量各点波形时示波器应接地，示波器探头的地线与GND要保持接触良好。

TP1：TP1为晶振输出端即AT89C51单片机的18引脚，f=12MHz。

若有波形，则AT89C51单片机工作正常。

若没有波形，则AT89C51单片机工作不正常。

TP2：TP2为晶振输出端即AT89C51单片机的ALE信号，即30引脚。

若有波形，则AT89C51单片机与接口电路工作正常。

若没有波形，则AT89C51单片机与接口电路工作不正常。

各测量点波形如下

TP101：2.048MHz的方波信号，作为PCM编译码电路的主时钟信号。

TP102：1.024MHz的方波信号

TP103：128KHz的窄脉冲信号

TP104：8KHz的窄脉冲信号，作为PCM编译码电路的帧同步信号和脉冲波产生电路的波形。

TP105：2KHz或1KHz的方波信号，作为正弦波产生电路的输入信号。

TP107：8KHz或4KHz的方波信号，作为三角波产生电路的输入信号。

TP109：64KHz的方波信号。

TP110：伪随机码产生电路输出波形，码型为[**************]。

3.用示波器测出测量点TP1、TP2的波形，并对测量点的波形加以分析。

4.用万用表测量直流电压值，其测量点为TP3、TP4、TP5、TP6,并做记录。

5.关掉K1、K2开关，关闭交流电源，拔下交流电源插头。

五、实验要求

（1）分析CPU中央处理控制器单元方框图的工作原理，叙述其工作过程。

（2）根据实验测试记录，写出分析的结果与实测的是否一致，画出各测量点正常工作时的波形。

（3）依据实验结果分析存在的偏差或误差。

六、实验思考题

试一试能否写出该实验系统的软件程序流程图？

实验二 码型变换综合设计实验

（综合设计性实验）

一、实验目的

l.了解光纤通信采用的线路码型

2.掌握CMI码的特点

3.了解CMI的编解码实现方法

二、实验仪器与器材

1、光纤通信实验箱一个

2、20MHz示波器一台

3、万用表一台

三、实验基本原理及电路

CMI码即为传号翻转码，“1”交替地用“00”和“11”表示，而“0”则固定用“01”表示，因此1bit变为2bit，故属于二电平的NRZ的1B2B码型，这种码的特点是有一定的纠错能力，易于实现，易于定时提取，因此在低速系统中选为传输码型，图7—1 为CMI码与NRZ的关系

a、编码部分

编码电路接收来自信号源的单极性非归零码（NRZ）码，并把这种码型变换为CMI码送至光发送单元，本实验中CMI编码电路的设计思路是利用并串变换电路来产生CMI码，即分别产生CMI传号码和空号码，再按照输入单极性信码的电平高低来选通传号码或空号码，用合路器把两者串行输出成为CMI码。编码后用两位码来代表一位码，并行码变成串行码，其码速增加了一倍。编码电路的组成方框图如图7-2所示。它由时钟分频器和01码产生器U102：B、控制电路U113：A、传号翻转电路U115：A、传号开关电路U114：B、空号开关电路U114：A、合成电路U116：A、输出电路U113：B七部分组成。

时钟分频器将64KHz的时钟分成同相的和反相的两路32KHz时钟，同相时钟供给控制电路，反相时钟供给翻转电路，并作为输出空号“01”码的信号源。控制电路监测输入信号，如果是传号则接通传号开关电路，是空号则接通空号开关电路。传号翻转电路是一个用反相时钟下降沿触发的JK触发器，当JK端同时输入高电平时，它输出端的电平就会在时钟下降沿触发时翻转一次。利用此功能它监测信码的传号与空号，来一个传号就将Q端的电平翻转一次，当Q端为高电平时输出“11”码，低电平时输出“00”；来空号时Q端电平不翻转。两个开关电路分别控制传号码、空号码的输出。合成电路将两路输入信号合成一路输出。输出电路也是一个移位寄存器，用64KHz时钟的上升沿触发，采样后使输出信码与输入信码的相位一致，它同时给输出信码整形，使脉冲顶部平整，上升沿和下降沿陡峭，除去各个逻辑器件由于时序的不一致而引起输出信号产生的“毛刺”（叠加在输出信号上的尖脉冲）。

当一序列32Kb/s的单极性的信码进入编码电路后，同时送到控制电路与传号翻转电路检测，输入信码若是一个传号，则从U114：B输出一组“00”（或“11”）码；如果再来一个传号则是“11”（或“00”）码，以后轮流变化；若是一个空号，则从U114：A输出一组“01”码。两路信码合成后经U113：B采样移存，输出一序列的64Kb/s的CMI码。

b、解码部分

CMI解码器接收光接收器送来的CMI码，把这种码型变换为单极性非归零码。 CMI解码器的组成方框图、电原理图如图7-5、图7-6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码的每一组00、11、获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U503：A、U503：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。偶数码提取电路由U504：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U505：A和反相器U506：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）。串并变换之后两位码变回一位码，码速也随之降低一半，从输入的64Kb/s恢复为输出的32Kb/s。

当一序列64Kb/s的CMI码进入解码器后，奇数码经过两级移位寄存器与只经过一级移位寄存器的偶数码同时到达判决电路，判决器根据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。

四、实验内容及步骤

实验思路（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

步骤：

1.接好电源，打开交流电源，按下直流电源开关K1、K2，发光管D5-D14循环点亮，电路即正常工作。按下“复位”键令系统复位，使程序重新开始工作。

2.按下“CMI”键后再按下“确认”键，向系统下达进行CMI编解码器实验的命令，并将K702跳线置于CMI处。用CLK时钟送入NRZ码到CMI编码，用示波器测出编码电路测量点TP109、TP110、TP111、TP112、TP113、TP114和TP115的波形。测量各点波形时示波器应接地，示波器探头的接地线要与GND接地点保持接触良好。

3.用示波器测出解码电路各测量点TP504、TP505、TP506、TP507的波形。

4.关掉开关K1、K2，关闭交流电源，拔下电源插头。

六、实验要求

（1）预习理论课上光纤通信采用的线路码型及CMI码的特点。

（2）对实验过程，记录编码部分TP110、TP111、TP112、TP113、TP114的波形和解码部分TP504、TO505、TP506、TP507的波形。

（3）说明综合性实验的原理、方案。

七、实验思考题

1.为什么要进行线路编码，什么叫做线路码型，光纤能否传HDB3码？

2.比较CLK时钟、NRZ码及CMI码的异同

实验三 光纤发收系统综合设计实验

（综合设计性实验） 一、实验目的

l.了解光源的发光特性。

2.掌握光发端机所完成的电光变换原理。

3.了解模拟光发端机和数字光发端机的区别。

二、实验仪器与器材

1、光纤通信实验箱一个

2、20MHz示波器一台 3、万用表一台

三、实验基本原理及电路

1.数字光发送系统

数字光发送系统由数字信号源、数字信号选择开关、数字接口电路、数字驱动电路和光发送模块五部分组成，如图8-1所示

数字信号源提供8KHz脉冲波、16KHz方波、64Kb/sCMI码、32Kb/s15位PN码、PCM码和数字电话六种信号输入。数字信号选择开关采用8选1数字开关集成电路74LS51。它的控制信号由CPU输出3位码送到ABC三个引脚，通过软件编程实现其工作模式。数字接口电路为电平转换器MC10116。它把TTL电平转换为ECL电平，以适应驱动电路的要求。数字驱动电路微一差分电路，它是一个电流源电路，用来把电压脉冲转换成电流脉冲去驱动半导体发光二极管。光发送模块把电流脉冲变成光脉冲注入光纤，完成对光载波的调制。

2.模拟光发送系统

模拟光发送系统由模拟信号源、模拟信号选择开关、模拟接口电路、模拟驱动电路和光发送模块五部分组成，如图8-2所示

模拟信号源提供正弦波、三角波、外输入、模拟电话四种模拟信号。模拟信号选择开关采用4路模拟开关4066。其控制信号由CPU输出，送到相对应的开关控制端，控制信号为高电平时，模拟开关接通，其输出波形可从TP404测量。模拟接口电路为一级射随器，用作阻抗匹配把高阻抗输入变成低阻抗输出，以适应模拟驱动电路的要求。模拟驱动电路为一级电流放大器，用来把电压控制信号变成电流控制信号去驱动半导体发光二极管。光发送模块把注入电流强度的变化转换成光强度的变化，实现对光载波的强度调制。

3.光收发送系统方框图

光发送系统实验电路的方框图如图8-4所示， 数字信号光传输实验时，其测试点为TP401、TP402。

模拟信号光传输实验时，其测试点为TP404、TP405、TP406。

其波形测试点有TP701、TP702、TP703、TP704

。TP705为接收伪随

机码输出，TP706为接收PCM信号输出。

光接收电路方框图如图5-1所示。

图5-1 光接收电路方框图

4、实验说明

TP401为数字信号输入到光发端机的测试点，可为脉冲波、方波、PN码、CMI码、数字电话等。

TP402为驱动半导体光源的数字信号。

TP404为模拟信号输入到光发端机的测试点，可为正弦波、三角波、模拟电话等。

TP405为驱动半导体光源的模拟信号。

TP402、TP405的信号由自锁开关PC切换后送入高性能的半导体模块HFBR-1414T中，将电信号转换成光信号输出。

四、实验内容及步骤 实验思路（内容）：

1. 测量并分析数字光发送的波形及数据 2. 测量并分析模拟光发送的波形及数据 3. 对应光发送，试测量光收端的波形及数据

步骤：

1.接好电源，打开交流电源，按下直流电源开关K1、K2，发光管D5-D14循环点亮，电路即正常工作。按下“复位”键令系统复位，使程序重新开始工作。 2.按下“数字电话”后“确认”，并将K702跳线置于“数字电话”处。按下自锁开关PA401接通数字信号光传输系统，用示波器观察发送端测量点TP201、TP202、TP203、TP204;TP401、TP402、TP406波形，并且记录TP401、TP402信号的幅度变化。再用示波器观察接收端测量点TP301、TP302、TP303、TP304;TP701、TP702、TP703、TP704、TP706波形。

3.按下“PN”后“确认”，并将K702跳线置于“PN ”处。按下自锁开关PA401接通数字信号光传输系统，用示波器观察发送端测量点TP401、TP402、TP406波形，并且记录TP401、TP402信号的幅度变化。再用示波器观察接收端测量点TP701、TP702、TP703、TP704、TP705波形。

4.按下“方波”后“确认”，并将K702跳线置于“方波”处。按下自锁开关PA401断开数字信号光传输，用示波器观察发送端测量点TP401、TP402、TP406波形，并且记录TP401、TP402信号的幅度变化。再用示波器观察接收端测量点TP701、TP702、TP703、TP704波形。

5. 按下“模拟电话”后“确认”，并将K702跳线置于“模拟电话”处。抬起自锁开关PA401接通数字信号光传输系统，用示波器观察发送端测量点TP201、TP205;TP403、TP404、TP405波形，并且记录TP404、TP405信号的幅度变化。再用示波器观察接收端测量点TP301、TP305;TP701、TP702、TP703、TP704波形。 6. 按下“正弦波”后“确认”，并将K702跳线置于“正弦波”处。抬起自锁开关PA401接通数字信号光传输系统，用示波器观察发送端测量点TP403、TP404、TP405波形，并且记录TP404、TP405信号的幅度变化。再用示波器观察接收端测量点TP701、TP702、TP703、TP704波形。

实验提示：光发送模块有保护套，使用时逆时针旋松并拉出，注意旋转方向并保管好保护套，在实验做完后立即重新套上。各三端跳线设置：1-2为数字电话，2-3为模拟电话。

五、参考实验接线图及实验结果

TP401为数字脉冲信号输入到光发端机的测试点，可为数字电话、方波、PCM码、PN码、CMI码。

TP402为驱动半导体光源的数字信号。

TP404为模拟信号输入到光发端机的测试点，可为方波、三角波、正弦波、模拟话 TP405为位驱动半导体光源的模拟信号

TP403 、TP406由自锁开关PA401切换后送光发送模块。

六、实验要求

（1）预习理论课上光发送的电光变换原理。

（2）对实验过程，记录光发端TP401、TP402、TP406、TP403、TP404、TP405及接收端 TP701、TP702、TP703、TP704、TP705的波形。 （3）说明综合性实验的原理、方案。

七、实验思考题

比较数字信号发送端与模拟信号发端机的区别。

实验五 PCM编码光传输系统综合设计实验

（综合设计性实验）

一、实验目的

l.通过电话接入话音信号掌握电话通信经过光纤信道的全过程。

2.了解话音质量的高低与系统的哪些指标有关。

二、实验仪器与器材

1、光纤通信实验箱一个

2、20MHz示波器一台 3、万用表一台 4、电话机两个

三、实验基本原理及电路

1.话音信号经过PCM编码后送入光发送端机，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，再送到PCM解码电路恢复成原始话音信号，框图如图10-1所示

2.话音信号先经防混叠低通滤波器，进行脉冲抽样，变成8KHz重复频率的抽样信号（即离散的脉冲调幅PAM信号），然后将幅度连续的PAM信号用四舍五入的办法量化为有限个幅度取值的信号，再经编码，转换成二进制码。如图10-2所示，对于电话，CCITT规定抽样频率为8KHz,每抽样值编8位码，即共有28=256个量化值，因而每话路PCM编码后的标准数码率是64Kb/s。

实验电路中，用户模块为U201、U301，其型号为SJ0612，PCM编译码电路选用集成电路TP3067，标号为U202、U302，电话机从A201、A301接入，摘机时发光二极管D201、D301亮，挂机时不亮。

四、实验内容及步骤 实验思路（内容）：

1. 熟悉光传输系统电话通信全过程 2. 了解电话通信过程中的PCM编解码

3. 观察并分析通话过程中的话音信号波形及其影响因素

步骤：

1.接好电源，打开交流电源，按下直流电源开关K1、K2，发光管D5-D14循环点亮，电路即正常工作。按下“复位”键令系统复位，使程序重新开始工作。 2.分别从A201、A301处接好电话机，按下“PCM”后“确认”，并将K702跳线置于“PCM”处。用示波器测出语音信号输出TP201、TP301，帧同步信号TP202、TP302的波形。GND为接地点，测量各点波形时示波器应接地。

3.用示波器测出PCM编码的数字信号输出TP203、TP303的波形。 4.用示波器测出PCM译码的数字信号输入TO204、TP304的波形，观察它与TP203、TP303是否一致、有无失真。

5.用示波器测出语音信号模拟输入TP205、TP305的波形，观察其与初始信号是否相同，评估话音传输的质量。

6.关掉开关，关闭交流电源，把下交流电源插头。

五、参考实验接线图及实验结果

TP201、TP301为语音信号的模拟输出。 TP202、TP302为8KHz帧同步信号。

TP203、TP303为PCM编码的数字信号输出。

TP204、TP304为PCM译码的数字信号输入。 TP205、TP305为语音信号的模拟输入。

六、实验要求

（1）预习光传输系统电话通信全过程。

（2）对实验过程，记录TP201、TP301、TP202、TP302、TP203、TP303、TP204、TP304、TP205、TP305的波形。

（3）说明综合性实验的原理、方案。

七、实验思考题

影响话音信号的因素有哪些？