数字信号光纤通信技术实验报告

数字信号光纤通信技术实验的报告

预习要求

通过预习应理解以下几个问题：

1．数字信号光纤传输系统的基本结构及工作过程；

2．衡量数字通信系统有那两个指标？；

3．数字通信系统中误码是怎样产生的？；

4．为什么高速传输系统总是与宽带信道对应？；

5．引起光纤中码元加宽有那些因素？；

6．本实验系统数字信号光-电/电-光转换电路的工作原理；

7．为什么在数字信号通信系统中要对被传的数据进行编码和解码？；

8．时钟提取电路的工作原理。

目的要求

1.了解数字信号光纤通信技术的基本原理

2.掌握数字信号光纤通信技术实验系统的检测及调试技术

实验原理

一、数字信号光纤通信的基本原理

数字信号光纤通信的基本原理如图8-2-1示（图中仅画出一个方向的信道）。工作的基本过程如下：语音信号经模/数转换成8位二进制数码送至信号发送电路，加上起始位（低电平）和终止位（高电平）后,在发时钟TxC的作用下以串行方式从数据发送电路输出。此时输出的数码称为数据码，其码元结构是随机的。为了克服这些随机数据码出现长0或长1码元时,使接收端数字信号的时钟信息下降给时钟提取带来的困难，在对数据码进行电/光转换之前还需按一定规则进行编码，使传送至接收端的数字信号中的长1或长0码元个数在规定数目内。由编码电路输出的信号称为线路码信号。线路码数字信号在接收端经过光/电转换后形成的数字电信号一方面送到解码电路进行解码,与此同时也被送至一个高Q值的RLC谐振选频电路进行时钟提取. RLC谐振选频电路的谐振频率设计在线路码的时钟频率处。由时钟提取电路输出的时钟信号作为收时钟RxC,其作用有两个：1.为解码电路对接收端的线路码进行解码时提供时钟信号；2.为数字信号接收电路对由解码电路输出的再生数据码进行码值判别时提供时钟信号。接收端收到的最终数字信号，经过数/模转换恢复成原来的语音信号。

图8-2-1 数字信号光纤通信系统的结构框图

在单极性不归零码的数字信号表示中,用高电平表示1码元，低电平表示0码元。码元持续时间（亦称码元宽度）与发时钟TxC的周期相同。为了增大通信系统的传输容量，就要求提高收、发时钟的频率。发时钟频率愈高码元宽度愈窄。

由于光纤信道的带宽有限,数字信号经过光纤信道传输到接收端后，其码元宽度要加宽。加宽程度由光纤信道的频率特性和传输距离决定。单模光纤频带宽，多模光纤频带窄。因为按光波导理论[1]分析:光纤是一种圆柱形介质波导，光在其中传播时实际上是一群满足麦克斯韦方程和纤芯—包层界面处边界条件的电磁波，每个这样的电磁波称为一个模式。光纤中允许存在的模式的数量与纤芯半径和数字孔径有关。纤芯半径和数字孔径愈大，光纤中参与光信号传输的模式也愈多，这种光纤称为多模光纤（芯径50或62.5μm）。多模光纤中每个模式沿光纤轴线方向的传播速度都不相同。因此，在光纤信道的输入端同时激励起多个模式时，每个模式携带的光功率到达光纤信道终点的时间也不一样，从而引起了数字信号码元的加宽。码元加

宽程度显然与模式的数量有关。由多模传输引起的码元加宽称为模式色散。当光纤纤芯半径减小到一定程度时，光纤中只允许存在一种模式（基模）参与光信号的传输。这种光纤称为单模光纤（芯径5—10μm）。单模光纤中虽然无模式色散存在,但是由于光源器件的发光光谱不是单一谱线、光纤的材料色散和波导效应等原因，光信号在单模光纤中传输时仍然要引起码元加宽。这些因素产生的码元加宽称为材料色散和波导色散。材料色散和波导色散比起模式色散要小很多。

当码元加宽程度超过一定范围，就会在码值判别时产生误码。通信系统的传输率愈高，码元宽度愈窄，允许码元加宽的程度也就愈小。所以，多模光纤只适用于传输率不高的局域数字通信系统。在远距离、大容量的高速数字通信系统中光纤信道必须采用单模光纤。

长距离、高速数字信号光纤通信系统中常用的光源器件是发光波长为1﹒3μm和1﹒5μm 的半导体激光器LD。在传输速率不高的数字信号光纤通信系统中也可采用发光中心波长为0﹒86μm的半导体发光二极管LED。光电探测器件，主要有PIN光电二极管和雪崩光电二极管。有关光纤通信中采用的上述电光和光电器件的结构、工作原理及性能的详细论述见参考文献[2]。

二、实验系统的硬件结构及工作原理

为了使非通讯专业的理工科学生在近代物理实验中学习到有关数字信号光纤通信的基本原理，我们在《数字信号光纤通信实验》中着重于对光信号的发送、接收和再生；数字信号的并串/串并转换；模拟信号的AD/DA转换以及误码现象和原因等问题加以论述。有关编码、时钟提取和解码问题先不作为本实验的基本要求。有必要时，做完这一实验后，可作为设计性实验对这些问题进行深入研究。（一）实验系统的硬件结构

实验系统的结构如图8-2-2示。其中,光讯号发送部分采用中心波长为0.86μm

图8-2-2 数字信号光纤通信实验系统的基本结构

的半导体发光二极管（LED）作光源器件。传输光纤采用多模光纤。光讯号接收部分采用硅光电二极管（SPD）作光电检测元件。计算机通过RS-232串口控制单片机。单片机再去控制模数转换电路ADC0809、数模转换电路DAC0832和数字信号并串/串并转换电路8251，实现A/D、D/A转换和数字信号的并串/串并转换。以上器件和集成电路工作原理及性能的详细说明见文献[3]。图8-2-2中的单片机、ADC0809、DAC0832及8251等部分是集中在实验系统的电端机内，而LED的调制和驱动电路、SPD的光电转换部分是集中在实验系统的光端机内。

（二）工作过程

实验系统传输的数字信号可以是ASCII字符的2进制代码，也可是语音信号经ADC0809集成芯片进行A/D转换后的数字信号。在实验内容基本要求阶段（避开编、译码和收时钟提取问题，此时图8-2-2中的开关K1、K2和K3均应打在“1”位）,实验系统的工作过程如下: