實驗三十八 數(shù)字信號光纖傳輸技術實驗 - 武漢大學

1、數(shù)字信號光纖傳輸技術實驗光纖傳輸技術是現(xiàn)代科學技術發(fā)展的一項最新成就，光纖通訊是這項技術應用的重要領域。隨著科學技術的不斷發(fā)展，這一科學技術的應用范圍會越來越廣。本實驗采用微型計算機控制的數(shù)字信號的光纖傳輸技術實驗系統(tǒng)，由于該實驗系統(tǒng)是集光電子技術、光纖傳輸技術、模數(shù)、數(shù)模轉換技術及計算機通訊與接口技術等多種技術于一體，所以通過這一實驗系統(tǒng)進行的各種實驗，對于擴大學生知識面和增強他們綜合運用多種知識解決實際問題的能力均具有十分重要的作用。一實驗目的1 了解數(shù)字光纖通訊的基本原理2 測量電光特性和光電特性，對誤碼現(xiàn)象及收、發(fā)時鐘的同步, 數(shù)字式光信號發(fā)送和接收等問題進行實驗研究和觀測。3 利用單

2、臺計算機進行光纖通訊技術實驗。二實驗原理 圖1中表示了一個目前實用的光纖通訊系統(tǒng)的結構框圖（圖中僅畫出一個方向的信道），該系統(tǒng)由以下四部分組成：光信號發(fā)送器、傳輸光纜、光信號接收器和收、發(fā)端的電端機。圖1 光纖通訊系統(tǒng)的結構框圖光信號發(fā)送器實質上是一電光調制器，它用電端機（發(fā)）送來的電信號對光源進行調制，光源一般是半導體激光器和發(fā)光二極管，調制方式在目前實用系統(tǒng)中大都采用光強直接調方式，光源器件經(jīng)調制的光功率耦合到光纖中后把光信號傳輸?shù)浇邮斩耍邮斩说墓怆娮訖z測器件（一般為半導體PIN管和雪崩管）把光信號變成電信號，再經(jīng)放大、整形處理后送至電端機（收）。以上的系統(tǒng)結構框圖對模擬信號和數(shù)字信號系

3、統(tǒng)均適用。對模擬信號而言，由電端機（發(fā)）送來的是話音或圖像信號，要求光信號發(fā)送器中的光源器件應具有線性度良好的電光特性，對于數(shù)字信號的光纖通訊系統(tǒng)，光源器件的非線性對系統(tǒng)性能影響不大。圖2示出了數(shù)字信號光纖通訊系統(tǒng)中的光端機（即光信號）的發(fā)送器和接收器）的結構示意圖。該圖中各單元的功能如下：圖2 數(shù)字信號光纖通訊系統(tǒng)結構示意圖極性雙單變換單元是把來自電端機的雙極性信號變換成單極性碼，以便實施對光功率的調制；擾碼及線路碼變換是為了避免在光纖信道中出現(xiàn)長連的“0”碼或長連的“1”碼，以利接收端時鐘信號的提取和誤碼率的監(jiān)測；光發(fā)送單元的作用是把數(shù)字信號的電脈沖調制成光脈沖，并把光脈沖耦合到光纖信道中

4、去，在接收端經(jīng)光電檢測器和低噪聲放大器組成的光信號接收單元是把來自光纖輸出端的光脈沖轉變成電脈沖，經(jīng)放大后輸出。在長距離高速率的光纖通訊系統(tǒng)中，由于光纖的各種“色散”效應可能使傳至接收端的光脈沖波形產(chǎn)生嚴重的畸變而引起碼間干擾，接收端的均衡器就是為克服這一影響而設置的一個單元；再生單元的作用是把經(jīng)過判決之后的數(shù)字信號進行再生。接收端再生單元以后的各單元與發(fā)送端它們所對應的單元相比，具有相反的功能。光纖通訊系統(tǒng)中所用的光纖分多模光纖和單模光纖兩種，多模光纖主要用于模擬信號傳輸系統(tǒng)或傳輸距離不太遠、傳輸數(shù)碼率不高的數(shù)字信號光纖傳輸系統(tǒng)中；單模光纖用于高速的光纖通訊系統(tǒng)中，有關以上兩類光纖的結構、性

5、能的詳細論述見參考文獻1。光纖通訊系統(tǒng)中常用光源器件，主要是半導體發(fā)光二極管LED（發(fā)光中心波長0.86m）和半導體激光器LD（波長1.31.5m），前者具有線性度良好的電光特性，適用于模擬信號光纖傳輸系統(tǒng)中或傳輸碼率不高的小容量的數(shù)字光纖通訊系統(tǒng)中；后者出光功率較大，波譜窄，發(fā)光中心波長能與光纖信道理論上的“零色散”所要求的波長匹配，故常用于以單模光纖作為信道的高速系統(tǒng)中。光纖通訊系統(tǒng)中常用的光電探測器件，主要有PIN光電二極管和雪崩光電二極管，PIN光電二極管與普通的PN結光電二極管相比，不同之處就在于在普通光電二極管P層和N層之間有一層低摻雜的N型半導體，且尺寸較寬，增加的中間層摻雜濃度

6、之低以致可把該層近似為本征半導體，故用“I”表示，在結構上的以上改進就使得PIN結構的光電二極管具有較寬的耗盡區(qū)和較小的結電容，從而提高了它的光電轉換效率和對高速碼率數(shù)字信號的響應能力，由硅材料制做的PIN光電二極管響應波譜為0.51.0m范圍，中心響應波長為0.9m，這與光纖的一個低損耗波長對應。雪崩光電二極管APD在結構上使它所用的偏壓能夠達到較高的值，在這一高反壓作用下，使APD內形成一個高電場區(qū)，當光信號照射在APD上，光子激發(fā)出電子空穴對之后，受高電場區(qū)內的電場加速，可以碰撞出二次電子空穴對，形成光電流的倍增，提高了器件的靈敏度，以利于實現(xiàn)遠距離的光纖通訊。有關光纖通訊中采用的上述電

7、光和光電器件的結構、工作原理及性能的詳細論述見參考文獻2。三實驗裝置實驗系統(tǒng)的基本結構如圖3所示，它包括了以下幾個主要部分：1光訊號發(fā)送部分；2傳輸光纖；3光訊號的接收和再生部分；4計算機和模數(shù)、數(shù)模轉換及數(shù)字信號的并串，串并轉換接口電路；5時鐘系統(tǒng)；圖3 數(shù)字信號光纖傳輸系統(tǒng)硬件結構的基本框圖6模擬信號源。其中光訊號發(fā)送部分采用中心波長為0.85m的半導體發(fā)光二極管作光源器件，傳輸光纖采用芯徑50m，包層125m的多模光纖、光訊號接收部分采用硅光電二極管作光電檢測元件，計算機接口卡采用ADC0809和DAC0832集成電路分別完成A/D和D/A轉換，用8251集成芯片按異步方式進行數(shù)字信號的

8、并/串和串/并轉換。以上器件和集成電路工作原理及性能的詳細說明見文獻3，4整個實驗系統(tǒng)的工作過程如下：被傳輸?shù)臄?shù)字信號可以是經(jīng)鍵盤輸入的數(shù)字信號，也可是模擬量經(jīng)A/D轉換后的數(shù)字信號，這些數(shù)字信號經(jīng)計算機CPU和8251A的數(shù)據(jù)發(fā)送端（TxD端）輸出，對半導體發(fā)光二極管LED的光強進行調制，產(chǎn)生數(shù)字式的光信號經(jīng)傳輸光纖傳至接收端。在接收端經(jīng)光電轉換和再生電路把光信號變換成電信號，并經(jīng)8251A進行數(shù)字信號的串/并轉換后送入接收端的計算機進行處理，最后根據(jù)被傳輸?shù)臄?shù)字信號所代表的信息的不同含義，或在屏幕上顯示，或經(jīng)D/A轉換后恢復成模擬電壓對其他外設實行控制。四實驗內容系統(tǒng)單機連接a. 打開PC

9、機并把本實驗系統(tǒng)提供的通訊接口板插入計算機內任一空閑的ISA擴展槽內。b. 把20線扁平電纜的兩端插入（I）號光端機后面板和計算機通訊接口板的牛角式插座內。c. 用兩端帶香蕉插頭的導線接通（I）號光端機前面板上“TxC”和“RxC”端，使8251芯片的接收時鐘和發(fā)送時鐘具有同一值（注意：如果未接這條導線，8251的接收器因無時鐘脈沖而不能正常工作?。. 把兩端帶拾音插頭的電纜線的一端插入光纖繞線盤端面上LED的電流插孔內，而電纜線另一端的拾音插頭插入（I）號光端機前面板上“LED”的插孔內。e. 把光電探頭插入光纖繞線盤端面上的同軸插孔中，并把光電探頭的兩條引線接入（I）號光端機前面板標有

10、“SPD”標記的插孔內。f. 把音頻信號源和小音箱分別插入（I）號光端機后面板的“調制輸入”和帶喇叭標志符號的相應插孔中。g. 把含有本實驗系統(tǒng)控制軟件的軟盤插入計算機的軟驅內。軟盤中含有兩個可執(zhí)行文件：DOF1.EXE和DOF2.EXE。運行DOF1.EXE文件時，適合于用單臺計算進行實驗；運行DOF2.EXE文件時，適合于兩臺計算機之間進行光纖通訊實驗。（注意本實驗已將這些文件拷貝到計算機硬盤內）。LED傳輸光纖電光特性的測定用導線把（I）號光端機前面板的“TxD”端與“GND”短接，把“SPD切換”開關扳向“光功率計”一側，在LED的工作電流為零的情況下，調節(jié)光功率指示器的“調零”電位器

11、（后面板），使其指示為零。 然后，調節(jié)“Rc調節(jié)”旋鈕，使LED的工作電流從050mA的范圍內，每增加5mA讀取一次光功率指示器的讀數(shù)-傳輸光纖電光特性。并描繪LED電光特性曲線。 SPD光電特性的測定把（I）號光端機的“SPD”插孔內的SPD插頭拔出，轉接到（）號光端機的“SPD”插孔，并將“SPD切換”開關扳向“IV變換電路”一側。再用導線將“IV變換電路”的輸出端接到（）光端機的“數(shù)字毫伏表”輸出端。 在（I）號光端機LED的工作電流為零時，記下數(shù)字毫伏表的初始讀數(shù)V0，而后調節(jié)（I）號光端機“Rc調節(jié)”旋鈕，使LED的工作電流分別為I 1，I2，I3，I4，I5，并記下這些工作電流對應

12、的（）光端機的“數(shù)字毫伏表”的讀數(shù)V1，V2，V3，V4，V5。 再根據(jù)公式： Im=(Vi-V0)/Rf (i=1、2、3、4、5） 可計算出SPD與入射光功率為Pi對應的光電流為I 0i的值，其中“Rf”是在兩個光端機都斷電的情況下利用數(shù)字電表在（）號光端機前面板的“Rf”兩端測得。 繪制SPD光電曲線（光功率Pi為橫坐標，光電流I 0i為縱坐標）。有曲線求斜率K，即光電轉換的響應度R值。 時鐘系統(tǒng)的檢測將示波器信源CH1接入（I）號光端機后面板的“CLC”或者前面板的“TxC”插孔，開啟（I）號光端機后的電源，觀察波形，在正常情況下前者的波形周期為0.5s，后者的波形周期為8s。如果不出

13、現(xiàn)這些波形，表明時鐘系統(tǒng)有故障，這一故障未排除之前，實驗系統(tǒng)不能正常工作。LED驅動電路的檢測 用兩端帶有香蕉插頭的導線對光端機前面板上的“TxD”端和地端短接，把“SPD切換”開關倒向光功率計一側，再開啟光端機的電源，調節(jié)儀器前面板LED的“Rc調節(jié)”旋鈕，觀察光功率計的示值有無變化，若有變化則表明LED的驅動電路工作正常。最后把“Rc調節(jié)”旋鈕調至使光功率示值為實驗系統(tǒng)允許的最小值10W。 光訊號檢測和再生電路的預調 經(jīng)上一項檢測確定LED及其驅動電路工作正常后，把將示波器信源CH1接入（I）號光端機“RxD”端和地端，“SPD切換”開關再生電路一側，并把示波器的輸入方式至于“DC”狀態(tài)。

14、在前面板“TxD”端對地端斷開的情況下，觀察“RxD”端在示波器熒光屏上顯示的電平狀態(tài)。當“TxD”對地斷開時，相當于系統(tǒng)處于空閑狀態(tài)，這時要求“RxD”端應呈現(xiàn)高電平，沿順時針方向轉動儀器前面板左側的“Rb調節(jié)”旋鈕，直到“RxD”端呈現(xiàn)高電平狀態(tài)為止，反之旋轉可呈現(xiàn)低電平狀態(tài)。 通訊接口板數(shù)字信號發(fā)送功能的檢測在保持系統(tǒng)原有聯(lián)接不變的基礎上將雙蹤示波器CH1輸入電纜接至光端機前面板的“TxD”端和地端，然后啟動PC機電源后，按下F8鍵不放，當PC機進入DOS狀態(tài)后運行DOF1.EXE文件，PC機屏幕上將出現(xiàn)以下供用戶選擇的“菜單”：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，鍵入“1”時，在顯示屏上將出現(xiàn)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）意即請敲擊鍵盤數(shù)字鍵三次，在0255d范圍內鍵入任意ASCII字符的十進制數(shù)代碼，在此之后，計算機將會把這些十進制數(shù)轉換成八位相應的二進制數(shù)存入AL寄存器，并經(jīng)8251芯片進行數(shù)字信號的并/串轉換，轉換結果經(jīng)8251的TxD端輸出。在8251工作正常的情況下，調節(jié)示波器同步旋鈕就會在其熒光屏上出現(xiàn)一個與被字符ACSII碼的二進制代碼對應的穩(wěn)定波形，這一波形具有11位碼元（每位碼元持續(xù)8s），最左邊的第一位碼元代表串行數(shù)據(jù)結構的起始位（S）；后續(xù)的8位碼元，即第2位至第9位碼元是被傳ASCII字符所對應的8位二進制代碼，從左向右方向數(shù)起，分別為D

17、0D1D7；第10位碼元是校驗位（C），第11位碼元為終止位（E）。若在鍵入各種不同字符的ASCII碼的十進制數(shù)后示波器顯示的由這11位碼元組成的數(shù)碼結構與所論十進制數(shù)應具有的數(shù)碼結構一致，表明通訊接口板的8251的發(fā)送功能正常。數(shù)字式光信號光電轉換及再生電路和8251芯片接收功能的檢測在保持系統(tǒng)原有聯(lián)接不變的基礎上把雙蹤示波器的CH2輸入電纜接至光端機前面板的“RxD”端和地端，然后在實驗系統(tǒng)控制軟件DOF1.EXE的“菜單”目錄下，選擇“1”項，按上述方法反復傳輸十進制數(shù)為170的二進制代碼，并觀察示波器上的波形和PC機顯示屏上出現(xiàn)的ASCII碼字符。十進制數(shù)170對應的ASCII碼字符為

18、“”，它的八位二進制碼經(jīng)8251并/串轉換后的數(shù)據(jù)結構應為：00101010101SD0D1D2D3D4D5D6D7CE所以系統(tǒng)工作正常情況下，調節(jié)示波器同步可在熒光屏上觀察到分別代表8251數(shù)據(jù)發(fā)送端和接收端數(shù)據(jù)結構的兩路如圖示的穩(wěn)定波形：圖 傳輸字符“”時的波形圖與此同時在PC機顯示屏上也將連續(xù)不斷地出現(xiàn)字符“”。若與“RxD”端相接的示波器CH2電纜對應的光電信號不出現(xiàn)具有上述特征的波形，PC機顯示屏上出現(xiàn)的字符也雜亂無章，則表明接收端對光訊號的光電轉換和再生功能尚未調節(jié)到所要求的正常狀態(tài)，這時需根據(jù)示波器所顯示的“RxD”端波形的以下幾種情況，分別按下述方式調節(jié)：1）若“RxD”的波形

19、始終保持為“1”電平狀態(tài)，表明再生電路中BG2的飽和深度太深，使得光電二極管的光電流不足以使它脫離深度飽和狀態(tài)進入適當?shù)姆糯髤^(qū)。這時需要沿反時針方向緩慢轉動“Rb調節(jié)”旋鈕，減少Rb阻值直到示波器上“RxD”端波形“1”電平的持續(xù)時間為8s止。在此以后，觀察計算機屏幕上所顯示的字符是否為“”。若有些字符不為“”，表明系統(tǒng)抗干擾的能力差，有誤碼產(chǎn)生。這種情況下，需要進一步增大光信號的幅度（繼續(xù)沿順時針方向轉動LED“偏流調節(jié)”旋鈕）并相應增加BG2的飽和深度（沿順時針方向轉動“Rb調節(jié)”旋鈕），使示波器上的“RxD”端的“1”電平持續(xù)時間在新的條件下再次為8s，然后又觀察計算機屏幕的字符顯示情況

20、，如此反復進行調節(jié)，直到示波器上“RxD”端的波形和計算機屏幕上所顯示的字符均正常為止；2）若“RxD”端的波形始終保持在“0”電平狀態(tài)，這表明光電轉換電路中BG2的飽和深度不夠。這時需要沿順時針方向旋動“Rb調節(jié)” 旋鈕，直到示波器上“RxD”端的波形和計算機屏幕所顯示的字符正常為止。3）如果“RxD”端的波形雖與圖8示波類似，但“1”電平的持續(xù)時間偏離8s甚遠，這種情況下也會產(chǎn)生誤碼。若“1”電平持續(xù)時間小于8s，需緩慢增加BG1的飽和深度（沿順時針方向轉動“Rb調節(jié)”旋鈕）；反之若“1”電平持續(xù)時間大于8s，對以上操作應作相反方向的調節(jié)，直到“RxD”的波形和顯示字符正常為止。此后欲傳輸

21、十進制數(shù)0225范圍內對應的其它ASCII碼字符，只需按計算機鍵盤任意鍵即可停止前一字符代碼的傳輸，并等待新字符十進制代碼的輸入。當然在實驗時，短時間內不可能傳輸0255范圍內的所有ASCII碼，只需要十進制為1、161、170和219的幾個典型代碼即可檢測接收功能是否正常。在以上實驗條件下，接收端產(chǎn)生誤碼的原因主要是輸入給8251A數(shù)據(jù)接收端RxD再生信號的碼元寬度偏離發(fā)送端所發(fā)送的信號碼元的標準寬度（8s）太多所致。如前所述，8251的接收器是在RxC時鐘的上升沿進行碼值判斷（即接收數(shù)據(jù)），因此在忽略再生信號對原始的發(fā)送信號的延遲因素外，從理論上講再生信號“1”碼元的寬度大于12s、小于4

22、s均要產(chǎn)生誤碼，但實際上再生信號相對于發(fā)送信號具有延遲的（延誤的時間長短與系統(tǒng)空閑狀態(tài)BG2的飽和深度有關），所以無誤碼判決允許再生信號“1”碼元寬度的變化范圍比以上所說的412s要小。語音信息的光纖傳輸實驗及模數(shù)轉換采樣速率的測定在DOF1.EXE的一級“菜單”目錄下，選擇“2”后，系統(tǒng)就處于語音信息的單機傳輸狀態(tài)。用雙蹤示波器（注意：CH1必須接光端機的“TxD”端，CH2接光端機的“RxD”，否則示波器的同步調節(jié)十分困難）觀察“TxD”和“RxD”的波形。由于在聲信息的傳輸狀態(tài)下，系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)碼是隨時不斷變化的，所以在示波器熒光屏上很難看到一個如像以前反復傳輸同一ASCII字符時那樣的穩(wěn)

23、定波形。但是，傳輸?shù)臄?shù)碼無論如何變化，每個數(shù)碼被傳輸時，其起始位和終止位的電平（它們分別為“0”電平和“1”電平）總是不變的，因此當示波器被調整至同步狀態(tài)時，接“TxD”端的CH1的波形中總是會呈現(xiàn)一段穩(wěn)定的“0”電平，其持續(xù)時間為8s，這一特征也可作為示波器是否已經(jīng)調節(jié)至同步狀態(tài)的判據(jù)，也即，當示波器的CH1波形（此時用不著注意CH2的波形狀況?。┻€未出現(xiàn)這一特征時，還需繼續(xù)調節(jié)它的同步旋鈕，直到這一特征出現(xiàn)為止，在這以后再去注意接“RxD”端的CH2波形狀況。一般說來，經(jīng)上一項關于光電檢測及信號再生調節(jié)使得系統(tǒng)傳輸任一ASCII碼字符時均無誤碼產(chǎn)生以后，“RxD”端波形也應具有上述類似特征，但是代表起始位的“0”電平的寬度（持續(xù)時間）會有所變化（不為8s）。與8s相比較，若“RxD”端波形起始位過寬（911s）或過窄（56s）都會使系統(tǒng)產(chǎn)生嚴重地誤碼噪聲（這表現(xiàn)為既使