光纖通信課程設(shè)計

1、課 程 設(shè) 計 報 告課程名稱 光纖通信 課題名稱 通信系統(tǒng)綜合實驗 專 業(yè) 班 級 學(xué) 號 姓 名 指導(dǎo)教師 2015年 12 月 12 日湖南工程學(xué)院課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書課程名稱 光纖通信 課 題 通信系統(tǒng)綜合實驗 專業(yè)班級 學(xué)生姓名 學(xué) 號 指導(dǎo)老師 審 批 任務(wù)書下達(dá)日期 2015年 11 月 26 日任務(wù)完成日期 2015年 12 月 11 日 目 錄1、 實驗?zāi)康?2、 實驗內(nèi)容13、 實驗儀器與設(shè)備14、 實驗原理14.1、多路數(shù)據(jù)多路電話光纖綜合傳輸系統(tǒng)總體框圖1 4.1.1 Pcm編碼模塊3 4.1.2光波分復(fù)用模塊3 4.1.3變速率時分復(fù)用模塊3 4.1.4 HDB

2、3編碼模塊44.2、多路數(shù)據(jù)多計算機(jī)單路圖像圖像/語音全雙工光纖綜合傳輸系統(tǒng)5 4.2.1固定速率時分復(fù)用模塊6 4.2.2視頻信號源模塊64.3多路計算機(jī)雙路圖像/語音全雙工光纖綜合傳輸系統(tǒng)74.3.1位時鐘提取模塊94.3.2解固定速率時分復(fù)用模塊95、 所實現(xiàn)的系統(tǒng)功能描述、相關(guān)數(shù)據(jù)測試結(jié)果等實驗報表以及實驗數(shù)據(jù)分析115.1多路數(shù)據(jù)多路電話光纖綜合傳輸系統(tǒng)115.1.1接線步驟115.1.2測試結(jié)果125.2多路數(shù)據(jù)多計算機(jī)單路圖像圖像/語音全雙工光纖綜合傳輸系統(tǒng)155.2.1接線步驟155.2.2 實驗結(jié)果165.3多路計算機(jī)雙路圖像/語音全雙工光纖綜合傳輸系統(tǒng)185.3.1接線步驟

3、185.3.2 測試結(jié)果196、心得體會197、評分表201、實驗?zāi)康恼莆兆兯俾蕰r分復(fù)用的原理、實現(xiàn)方法。學(xué)習(xí)并掌握計算機(jī)RS232通信技術(shù)。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。實現(xiàn)數(shù)字和語音同時通信2、實驗內(nèi)容多路數(shù)據(jù)多路電話光纖綜合傳輸系統(tǒng)的實現(xiàn)多路數(shù)據(jù)多計算機(jī)單路圖像/語音全雙工光纖綜合傳輸系統(tǒng)的實驗多路計算機(jī)雙路圖像/語音全雙工光纖綜合傳輸系統(tǒng)的實現(xiàn)3、實驗儀器與設(shè)備1.光纖通信實驗系統(tǒng)2臺。 2.示波器1臺。3.波分復(fù)用器2個。 4.電話2部。5.示波器2臺。 6.計算機(jī)若干臺串口通信電纜若干根。7.1310nm/1550nm波長波分復(fù)用器2個。8.FC/FC光纖跳線2根。

4、9.攝像頭1個。10.監(jiān)視器1個（或用電話代替）。4、實驗原理4.1 多路數(shù)據(jù)多路電話光纖綜合傳輸系統(tǒng)多路數(shù)據(jù)多路電話光纖綜合傳輸系統(tǒng)綜合了固定速率時分復(fù)用、解固定速率時分復(fù)用、PCM編譯碼、波分復(fù)用等幾個子系統(tǒng)。WDM1550nm光收模塊1310nm光發(fā)模塊PCM編碼解復(fù)用模塊電話甲電話乙PCM解碼模塊一PCM解碼模塊二CMI譯碼模塊解擾碼模塊HDB3編碼模塊DPLL光端HDB3譯碼模塊解變速率時分復(fù)模塊用模塊四路輸出DPLL電端電話甲電話乙PCM編碼模塊一PCM編碼模塊二PCM編碼復(fù)用模塊1550nm光發(fā)模塊數(shù)字信號源變速率時分復(fù)用模塊1310nm光發(fā)模塊HDB3編碼模塊HDB3譯碼模塊擾

5、碼模塊DPLLCMI編碼模塊電端光端WDM 圖1 多路數(shù)據(jù)多路電話光纖綜合傳輸系統(tǒng)框圖4.1.1 Pcm編碼模塊PCM主要包括抽樣、量化與編碼三個過程。抽樣是把連續(xù)時間模擬信號轉(zhuǎn)換成離散時間連續(xù)幅度的抽樣信號；量化是把離散時間連續(xù)幅度的抽樣信號轉(zhuǎn)換成離散幅度的數(shù)字信號；編碼是將量化后的信號編碼形成一個二進(jìn)制碼組輸出。脈碼調(diào)制的過程如下圖所示：光接收機(jī)重建濾波器抽樣保持、x/sinx低通模擬終端波形解碼器模擬信源預(yù)濾波器抽樣器波形編碼器量化、編碼光發(fā)射機(jī)4.1.2光波分復(fù)用模塊光波分復(fù)用是將兩種或多種不同波長的光載波信號（攜帶有各種類型的信息），在發(fā)送端經(jīng)復(fù)用器（也叫合波器，multiplexe

6、r）把這些光載波信號匯合在一起，并耦合到光線路中同一根光纖中進(jìn)行傳輸；在接收端經(jīng)分波器（也叫解復(fù)用器，demultiplexer）將各種波長的光載波進(jìn)行分離，然后由光接收機(jī)做相應(yīng)的處理恢復(fù)原信號。這種復(fù)用方式稱作波分復(fù)用?？梢詥蜗騻鬏?，也可以雙向傳輸。如下圖所示： 4.1.3變速率時分復(fù)用模塊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(jìn)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。碼速調(diào)

7、整按位復(fù)接時鐘源4.1.4 HDB3編碼模塊1）、二進(jìn)制序列中的“0”碼在HDB3碼中仍編為“0”碼，但當(dāng)出現(xiàn)四個連“0”碼時，用取代節(jié)000V或B00V代替。取代節(jié)中V碼、B碼均代表“1”碼，它們可正可負(fù)（即V+=1，V-=1，B+=1，B-=1）。2）、取代節(jié)的安排順序是：先用000V，當(dāng)它不能用時，再用B00V，000V取代節(jié)的安排要滿足以下兩個要求：各取代節(jié)之間的V碼要極性交替出現(xiàn)（為了保證傳號碼極性交替出現(xiàn)，不引入直流成份）。V碼要與前一個傳號碼的極性相同（為了在接收端能識別出哪個是原始傳號碼，哪個是V碼和B碼，以恢復(fù)成原二進(jìn)制碼序列）。當(dāng)上述兩個要求能同時滿足時，用000V代替原二

8、進(jìn)制碼序列中的4個“0”（用000V+或000V-）；而當(dāng)上述兩個要求不能同時滿足時，則改用B00V（B+00V+或B-00V-，實質(zhì)上是將取代節(jié)000V中第一個“0”碼改成B碼）。3）、HDB3碼序列中的傳號碼（包括“1”碼、V碼和B碼）除V碼外要滿足極性交替出現(xiàn)的原則。下面我們舉個例子來具體說明一下，如何將二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成HDB3碼。二進(jìn)制碼序列: 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1HDB3碼序列:V+ -1 0 0 0 V- +1 0 1 B+ 0 0 V 0 1 +1 1 0 0 0 V- B+ 0 0 V+ 0 14.

9、2多路數(shù)據(jù)多計算機(jī)單路圖像圖像/語音全雙工光纖綜合傳輸系統(tǒng)多路數(shù)據(jù)多計算機(jī)單路圖像圖像/語音全雙工光纖綜合傳輸系統(tǒng)擬實現(xiàn)模擬圖像、數(shù)據(jù)在同一光纖中傳輸。即在光纖中同時傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)和模擬信號。固定速率時分復(fù)用模塊計算機(jī)一計算機(jī)二計算機(jī)三數(shù)字信號源變速率時分復(fù)用模塊HDB3編碼模塊HDB3編碼模塊擾碼模塊CMI編碼模塊WDM電話甲/視頻信號源1550nm光發(fā)模塊1310nm光發(fā)模塊WDM1310nm光收模塊1550nm光收模塊CMI譯碼模塊電話乙/視頻終端解擾碼模塊解變速率時分復(fù)用模塊計算機(jī)一計算機(jī)二計算機(jī)三固定速率時分復(fù)用解復(fù)用模塊數(shù)字信號源終端HDB3譯碼模塊HDB3譯碼模塊電端光端光端電端圖

10、2多路數(shù)據(jù)多計算機(jī)單路圖像圖像/語音全雙工光纖綜合傳輸系統(tǒng)框圖在實際應(yīng)用中，通?？偸前褦?shù)字復(fù)接器和數(shù)字分接器裝在一起做成一個設(shè)備，稱為復(fù)接分接器。數(shù)字復(fù)接器的作用是把兩個或兩個以上的支路數(shù)字信號按時分復(fù)接方式合并成為單一的合路數(shù)字信號。復(fù)接器是由FPGA實現(xiàn)的，其框圖為：4.2.1 固定速率時分復(fù)用模塊 定時復(fù)接調(diào)整四路輸入其中，在固定速率時分復(fù)用時，先要對四路輸入信號進(jìn)行時隙的調(diào)整，調(diào)整前后波形如下圖所示：調(diào)整前調(diào)整后最后，將四路數(shù)據(jù)相與就得到復(fù)接信號了。四路數(shù)據(jù)輸出的幀結(jié)構(gòu)是：其中，幀同步碼可以是數(shù)字信號源四路輸出中的任意一路。改變幀同步碼的位置，數(shù)字信號源終端的顯示位置也將改變。4.2.

11、2視頻信號源模塊視頻信號的帶寬為06Mhz相對于語音信號的03Khz來說寬了許多，因此光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)的要求更加嚴(yán)格。在實驗中應(yīng)該認(rèn)真仔細(xì)的調(diào)整才能得到滿意的圖像傳輸效果。 光纖攝像頭光發(fā)模塊模擬信號輸入端激光器光檢測器光收模塊模擬信號輸出端監(jiān)視器光纖圖像傳輸框圖4.3多路計算機(jī)雙路圖像/語音全雙工光纖綜合傳輸系統(tǒng)多路計算機(jī)雙路圖像/語音全雙工光纖綜合傳輸系統(tǒng)綜合了固定速率時分復(fù)用、解固定速率時分復(fù)用、變速率時分復(fù)用、解變速率時分復(fù)用、位時鐘提?。〝?shù)字鎖相環(huán)DPLL）原理及實現(xiàn)五個實驗電話甲/視頻信號源1550nm光發(fā)模塊計算機(jī)一計算機(jī)二計算機(jī)三變速率時分復(fù)用模塊HDB3編碼模塊擾碼模塊CM

12、I編碼模塊1310nm光發(fā)模塊HDB3譯碼模塊電端光端計算機(jī)四HDB3編碼模塊1310nm光收模塊CMI譯碼模塊電話乙/視頻終端解擾碼模塊解變速率時分復(fù)用模塊計算機(jī)一計算機(jī)二計算機(jī)三HDB3譯碼模塊光端電端計算機(jī)四HDB3編碼模塊WDM1310nm光收模塊CMI譯碼模塊電話甲/視頻終端解擾碼模塊解變速率時分復(fù)用模塊計算機(jī)八計算機(jī)七計算機(jī)六HDB3譯碼模塊光端電端計算機(jī)五1550nm光收模塊WDMWDMWDM1550nm光收模塊1550nm光發(fā)模塊電話乙/視頻信號源1310nm光發(fā)模塊CMI編碼模塊擾碼模塊HDB3譯碼模塊HDB3編碼模塊變速率時分復(fù)用模塊計算機(jī)八計算機(jī)七計算機(jī)六計算機(jī)五光端電端

13、圖3多路計算機(jī)雙路圖像/語音全雙工光纖綜合傳輸系統(tǒng)框圖4.3.1位時鐘提取模塊數(shù)字鎖相環(huán)(DPLL)是一種相位反饋控制系統(tǒng)。它根據(jù)輸入信號與本地估算時鐘之間的相位誤差對本地估算時鐘的相位進(jìn)行連續(xù)不斷的反饋調(diào)節(jié)，從而達(dá)到使本地估算時鐘相位跟蹤輸入信號相位的目的。DPLL 通常有三個組成模塊： 數(shù)字鑒相器(DPD)、數(shù)字環(huán)路濾波器(DLF)、 數(shù)控振蕩器(DCO)。根據(jù)各個模塊組態(tài)的不同， DPLL 可以被劃分出許多不同的類型。根據(jù)設(shè)計的要求，本實驗系統(tǒng)采用超前滯后型數(shù)字鎖相環(huán)(LLDPLL)作為解決方案， 圖1是其實現(xiàn)結(jié)構(gòu)。在LL DPLL中，DLF 用雙向計數(shù)邏輯和比較邏輯實現(xiàn)，DCO 采用加

14、扣脈沖式數(shù)控振蕩器。這樣設(shè)計出來的DPLL具有結(jié)構(gòu)簡潔明快，參數(shù)調(diào)節(jié)方便，工作穩(wěn)定可靠的優(yōu)點。DPLL實現(xiàn)框圖如下：鑒相器濾波器數(shù)控振蕩器4.3.2解固定速率時分復(fù)用模塊解固定速率時分復(fù)用部分包括分解器、數(shù)字鎖相環(huán)和幀同步碼提取三個部分，其框圖如下：分解器因為一路數(shù)字信號源用做幀同步碼，因此，只顯示了三路數(shù)據(jù)。下面介紹一下幀同步碼：目前已經(jīng)找到的最常用的群同步碼字，就是“巴克碼”。巴克碼是一種具有特殊規(guī)律的二進(jìn)制碼字。它的特殊規(guī)律是：若一個n位的巴克碼，每個碼元只可能取值+1或-1，則它必然滿足條件式（25-1）中，R（j）稱為局部自相關(guān)函數(shù)。從巴克碼計算的局部自相關(guān)函數(shù)可以看到，它滿足作為群

15、同步碼字的第一條特性，也就是說巴克碼的局部自相關(guān)函數(shù)具有尖銳單峰特性，從后面的分析同樣可以看出，它的識別器結(jié)構(gòu)非常簡單。目前人們已找到了多個巴克碼字，具體情況如下表所示。表中+表示+1，示1。位數(shù)n巴克碼字2+ +；+3+ +4+ + +；+ +5+ + +7+ + +11+ + + +13+ + + + + +以n = 7的巴克碼為例，它的局部自相關(guān)函數(shù)計算結(jié)果如下當(dāng)j = 0時：當(dāng)j = 1時：當(dāng)j = 2時：同樣可以求出j = 3、4、5、6、7，以及j = -1、-2、-3、-4、-5、-6、-7時R（j）的值為j=0 R(j)=7j=±1, ±3, ±5

16、, ±7, R(j)=0j=±2, ±4, ±6 R(j)=-1根據(jù)上式計算出來的這些值，可以作出7位巴克碼關(guān)于R（j）與j的關(guān)系曲線，如下圖所示?？梢钥闯?，自相關(guān)函數(shù)在j0時具有尖銳的單峰特性。局部自相關(guān)函數(shù)具有尖銳的單峰特性正是連貫式插入群同步碼字的主要要求之一。幀同步碼識別后的波形如圖所示：分解器主要由移位寄存器構(gòu)成，框圖如下：八位移位寄存器八位鎖存器數(shù)字信號源顯示終端5 測試結(jié)果及分析5.1多路數(shù)據(jù)多路電話光纖綜合傳輸系統(tǒng)用示波器在1310nm光發(fā)模塊的數(shù)字信號輸入端口TP103的信號和1310nm光收模塊的數(shù)字信號輸出端口TP109。調(diào)節(jié)131

17、0nm光收端電位器RP106、RP108和1310nm光發(fā)端電位器RP100得到最佳數(shù)字信號。甲乙兩路電話同時摘起，按其中一路電話的數(shù)字鍵，在另一部電話的聽筒聽是否有撥號音。5.1.1接線步驟電話甲連線方式電話甲（模擬語音信號輸出）P514P500PCM編譯碼模塊一（PCM編碼數(shù)據(jù)輸入端）PCM 編碼復(fù)用解復(fù)用模塊（位時鐘輸出）P644P505PCM編譯碼模塊一（PCM譯碼位時鐘）PCM 編碼復(fù)用解復(fù)用模塊（提取的幀同步信號）P637P504PCM編譯碼模塊一（PCM譯碼幀同步信號）PCM 編譯碼模塊一（PCM 碼輸出）P503P643PCM編碼復(fù)用解復(fù)用模塊（PCM編碼復(fù)用輸入端）PCM編碼

18、復(fù)用解復(fù)用模塊（PCM編碼復(fù)用輸出端）P638P506PCM 編譯碼模塊一（PCM 譯碼輸入）PCM 編譯碼模塊一（PCM 譯碼輸出）P501P515電話甲（模擬語音信號輸入）電話乙連線方式電話乙（模擬語音信號輸出）P516P512PCM編譯碼模塊二（PCM編碼數(shù)據(jù)輸入端）PCM 編碼復(fù)用解復(fù)用模塊（位時鐘輸出）P644P510PCM編譯碼模塊二（PCM譯碼位時鐘）PCM 編碼復(fù)用解復(fù)用模塊（提取的幀同步信號）P637P511PCM編譯碼模塊二（PCM譯碼幀同步信號）PCM 編譯碼模塊二（PCM 碼輸出）P507P642PCM編碼復(fù)用解復(fù)用模塊（PCM編碼復(fù)用輸入端）PCM編碼復(fù)用解復(fù)用模塊（

19、PCM編碼解復(fù)用輸出端）P639P509PCM 編譯碼模塊二（PCM 譯碼輸入）PCM 編譯碼模塊二（PCM 譯碼輸出）P513P517電話甲（模擬語音信號輸入）光端連線方式PCM編碼復(fù)用解復(fù)用模塊（PCM編碼復(fù)用輸出端）P641P1001310nm光發(fā)模塊（數(shù)字光發(fā)數(shù)據(jù)輸入）1310nm 光收模塊（數(shù)字信號輸出端）P106P640PCM編碼復(fù)用解復(fù)用模塊（PCM編碼解復(fù)用數(shù)據(jù)輸入端） 表一 實驗一接線步驟 5.1.2測試結(jié)果 兩臺電話機(jī)可以進(jìn)行通話，測試結(jié)果如下圖所示： 圖4 線路連線圖圖5 光端HDB3譯碼圖6 光端HDB3編碼信號輸出 圖7 光端擾碼信號輸出 圖8 光端CMI編碼信號輸出

20、 圖9 光端CMI譯碼輸出5.2 多路數(shù)據(jù)多計算機(jī)單路圖像圖像/語音全雙工光纖綜合傳輸系統(tǒng)用串口線連接計算機(jī)上的串口和實驗系統(tǒng)中計算機(jī)接口模塊一的J402，在計算機(jī)上運行軟件“串口調(diào)試助手v2.2”，將波特率設(shè)置為600，其他保持默認(rèn)設(shè)置。調(diào)節(jié)光接收端電位器rp106、rp107、rp108，使計算機(jī)能正常接收到發(fā)送的數(shù)據(jù)。5.2.1接線步驟數(shù)字信號源模塊(數(shù)字信號源一)P300P741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 )P301P740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)P302P739固定速率時分復(fù)用模塊（復(fù)用輸入信號三）數(shù)

21、字信號源模塊(數(shù)字信號源四)P303P738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）P742P603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）P720P602電端FPGA（變速率時分復(fù)用輸入信號二）電端FPGA（變速率時分復(fù)用復(fù)用信號輸出）P614P618電端FPGA（HDB3編碼信號輸入）電端FPGA（HDB3編碼信號輸出一）P617P8002M接口一（電平變換信號輸入一）電端FPGA（HDB3編碼信號輸出二）P616P8022M接口一（電平變換信號輸入二）2M接口一（電平變換信號輸出）P801P8032M接口一（電平反變換信號輸

22、入）2M接口一（電平反變換信號輸出一）P805P622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）P804P621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）P805P624電端FPGA（數(shù)字鎖相環(huán)信號輸入）電端FPGA（HDB3譯碼信號輸出）P620P626電端FPGA（幀同步提取信號輸入）電端FPGA（HDB3譯碼信號輸出）P620P632電端FPGA（變速率時分復(fù)用解復(fù)用信號輸入）電端FPGA（變速率時分復(fù)用信號輸出一）P636P745數(shù)字信號終端（固定速率時分復(fù)用解復(fù)用信號輸入）電端FPGA（變速率時分復(fù)用信號輸出一）P636-P

23、744數(shù)字信號終端(數(shù)字鎖相環(huán)信號輸入) 表二 實驗二接線步驟 5.2.2 實驗結(jié)果圖10 串口實物連接圖 圖11 實驗二測試結(jié)果（1） 圖12 實驗二測試結(jié)果（2）在調(diào)節(jié)那三個旋鈕的時候，rp108主要是控制是否會接收，只有把rp108調(diào)節(jié)好后才能去調(diào)節(jié)rp107以達(dá)到能正確的接收到個數(shù)，然后再調(diào)節(jié)rp106。以達(dá)到能正確接收到對方計算機(jī)發(fā)來的信息。5.3多路計算機(jī)雙路圖像/語音全雙工光纖綜合傳輸系統(tǒng)用示波器觀測1310nm模擬信號輸出端口P105。通過調(diào)節(jié)光收端電位器RP106、RP108及1310nm光發(fā)模塊模擬部分電位器RP104得到最佳傳輸?shù)哪M信號。拆除P410-P104之間的連接

24、線，用視頻連接線連接攝像頭和1310nm光發(fā)端模擬信號輸入口P104。再用視頻連接線連接1310nm模擬輸出和監(jiān)視器。調(diào)節(jié)1310nm光收模塊的電位器RP106、RP108使電視機(jī)的圖像效果達(dá)到最好。5.3.1接線步驟數(shù)字信號源模塊(數(shù)字信號源一)P300P741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 )P301P740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)P302P739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)P303P738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）P742P603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）P720P602電端FPGA（變速率時分復(fù)用輸入信號二）電端FPGA（變速率時分復(fù)用復(fù)用信號輸出）P614P618電端FPGA（HDB3編碼信號輸入）電端FPGA（HDB3編碼信號輸出一）P617P8002M接口一（電平變換信號輸入一）電端FPGA（HDB3編碼信號輸出二）P616P8022M接口一（電平變換信號輸入二）2M接口一（電平變換信號輸出）P801P8032M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）P805P