1、1实验七 数字信号光纤传输技术实验光纤是光纤传输线的简称，是一种传导光波的介质传输线，其核心部分是由圆柱形玻璃纤芯和玻璃包层构成，最外层是一种弹性耐磨的塑料护套，整根光纤呈圆柱形。以光纤作为传输媒质传送光载信息的通信方式，称为光纤通信。光纤通信具有容量大、传输距离远、抗干扰、抗核辐射、抗化学侵蚀、重量轻、节省有色金属等优点。随着科学技术的不断发展，这一科学技术的应用范围越来越广。数字信号的光纤传输技术实验系统集光电子技术，光纤传输技术、模数、数模转换技术及计算机通信与接口技术等多种技术于一体，所以通过这一实验系统进行的各种实验，对于扩大学生知识面和增强他们综合运用多种知识解决实际问题的能力均具
2、有十分重要的作用。【实验目的】 1.了解数字信号光纤传输系统的基本结构；2.熟悉半导体电光/光电器件的基本性能及其主要特性的测试方法；3.掌握运用光电变换和电流电压变换技术测量光功率的方法；4.学习数字信号光纤传输系统的调试技术。【实验原理】一、数字光纤通信的基本原理图 1 中表示了一个目前实用光纤通信系统的结构框图(图中仅画出一个方向的信道)，该系统由以下四部分组成；光信号发送器；传输光缆、光信号接收器和收、发端的电端机。光信号发送器实质上是一个电光调制器，它用电端机(发)送来的电信号对光源进行调制变成光信号，光源一般是半导体激光器和发光二极管，调制方式在目前实用系统中大都采用光强直接调制方
3、式，经调制的光耦合到光纤中后传输到接收端，接收端的光电子检测器件(一般为半导体 PIN 管和雪崩管)把光信号变成电信号，再经放大、整形处理后送至电端机(收)。以上的系统结构框图对模拟信号和数字信号系统均适用。对模拟信号而言，由电端机(发)送来的是语音或图象信号，要求光信号发送器中的光源器件应具有线性度良好的电光特性，对于数字信号的光纤通信系统，光源器件的非线性对系统性能影响不大。图 2 示出了数字信号光纤通信系统中的光端机(即光信号)的发送器和接收器的结构示意图。该图中各单元的功能如下：图 1 光纤通讯系统的结构框图2极性双单变换单元是把来自电端机的双极性信号变换成单极性码，以便实施对光功率的
4、调制：扰码及线路码变换是为了避免在光纤信道中出现长连的“0”码或长连的“1”码，以利接收端时钟信号的提取和误码率的监测，光发送单元的作用是把数字信号的电脉冲调制成光脉冲，并把光脉冲耦合到光纤信道中去，在接收端经光电检测器和低噪声放大器组成的光信号接收单元把来自光纤输出端的光脉冲转变成电脉冲，经放大后输出。在长距离高速率的光纤通信系统中，由于光纤的各种“色散”效应可能使传至接收端的光脉冲波形产生严重的畸变而引起码间干扰，接收端的均衡器就是为克服这一影响而设置的一个单元；再生单元的作用是把经过判决之后的数字信号进行再生。接收端再生单元以后的各单元与发送端它们所对应的单元相比，具有相反的功能。光纤通
5、信系统中所用的光纤分多模光纤和单模光纤两种，多模光纤主要用于模拟信号传输系统或传输距离不太远、传输数码率不高的数字信号光纤传输系统中；单模光纤用于高速的光纤通信系统中，有关以上两类光纤的结构、性能的详细论述见参考文献。光纤通信系统中常用光源器件，主要是半导体发光二极管 LED(发光中心波长 0.86)和半导体激光器 LD(波长 1.3-1.5 )，前者具有线性度良好的电光特性，适用mm于模拟信号光纤传输系统中或传输码率不高的小容量的数字光纤通信系统中；后者出光功率较大，波谱窄，发光中心波长能与光纤信道理论上的“零色散”所要求的波长匹配，故常用于以单模光纤作为信道的高速系统中。光纤通信系统中常用
6、的光电探测器件，主要有 PIN 光电二极管和雪崩光电二极管，PIN 光电二极管与普通的 PN 结光电二极管相比，不同之处就在于在普通光电二极管 P层和 N 层之间有一层低掺杂的 N 型半导体，且尺寸较宽，增加的中间层掺杂浓度之低以致可把该层近似为本征半导体，故用“I”表示，在结构上的以上改进就使得 PIN 结构的光电二极管具有较宽的耗尽区和较小的结电容，从而提高了它的光电转换效率和对高速码率数字信号的响应能力，由硅材料制做的 PIN 光电二极管响应波谱为0.51.0 范围，中心响应波长为 0.9 ；这与光纤的一个低损耗波长对应。mm雪崩光电二极管 APD 在结构上使它所用的偏压能够达到较高的值
7、,在这一高反压作用下，使 APD 内形成一个高电场区，当光信号照射在 APD 上，光子激发出电子空穴对之后，受高电场区内的电场加速，可以碰撞出二次电子空穴对，形成光电流的倍增，图 2 数字信号光纤通讯系统结构示意图3提高了器件的灵敏度，以利于实现远距离的光纤通信。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。数字信号光纤传输技术实验系统的基本结构如图 3 所示，它包括了以下几个主要部分：1.光讯号发送部分； 2传输光纤；3光讯号的接收和再生部分；4计算机和模数、数模转换及数字信号的并串，串并转换接口电路；5时钟系统；6模拟信号源其中光讯号发送部分采用中心波长
8、为 0.85 的半导体m发光二极管作光源器件，传输光纤采用芯径 50 ，包层125 的多模光纤、光讯号接收部分采用硅光电二极管作光电检测元件、计算机接口卡采用 ADC0809 和 DAC0832 集成电路分别完成 AD 和 DA 转换：用 8251 集成芯片按异步方式进行数字信号的并串和串并转换。以上器件和集成电路工作原理及性能的详细说明见参考文献.整个实验系统的工作过程如下： 被传输的数字信号可以是经键盘输入的数字信号，也可是模拟量经 AD 转换后的数字信号，这些数字信号经计算机 CPU 和 825lA 的数据发送端(TxD 端)输出，对半导体发光二极管 LED 的光强进行调制，产生数字式的
9、光信号经传输光纤传至接收端。在接收端经光一电转换和再生电路把光信号变换成电信号，并经 8251A 进行数字信号的串并转换后送入接收端的计算机进行处理，最后根据被传输的数字信号所代表的信息的不同含义，或在屏幕上显示，或经 DA 转换后恢复成模拟电压对其他外设实行控制。二、主要单元电路及其工作原理1LED 的驱动和调制单元该单元具有把数字式的电信号转换成数字式的光信号的功能，其电路结构如图 4 所示，它的输入端是接 8251 的数据发送(TxD)端。由于光纤数字传输系统在空闲状态下8251 芯片的 TxD 端始终保持高电平状态，为了增加发光二极管 LED 的使用寿命，在空闲图 3 数字信号光纤传输
10、系统硬件结构框图图 4 驱动和调制电路4状态下应使它无驱动电流流过，为此，在其驱动调制电路输入端设置了一个由 ICl组成的反相器。因此，LED 尾纤中有光，表示电信号的“0”态，无光则表示“1”态。BG l集电极电路中的电阻 R2起限流作用，其阻值应保证 Kw1=0 和 BG1饱和情况下，流过 LED的电流不得超过其最大允许值，Rw 1是为模拟光讯号在不同长度的传输光纤中引起不同损耗而设置的可调电位器，以适应接收端测量数字信号光电检测和再生电路灵敏度的需要。2光电检测及再生电路该单元具有把数字式光讯号转换成数字式电信号的功能，其电路结构如图 5 所示。它的输入信号是来自传输光纤的光信号，输出信
11、号至 8251A 数据接收端(RxD)。该电路的工作原理如下：当系统处于空闲状态即传输光纤中无光时，硅光电二极管无光电流流过，这时只要 R3和 Rw2的阻值适当，晶体管 BG2就有足够大的基极电流 Ib注入，使 BG2处于深度饱和状态；因此它的集电极和发射极之间的电压极低，既使经过后面的放大电路高倍放大后也会使反相器 IC2的输出电压维持在高电平状态，满足了集成芯片 8251A 数据接收端在空闭状态时应为高电平的要求。当系统进行数据传输时，由于本实验系统设定 8251 芯片为异步传输工作方式，所传数据流的结构是由起始位(S)、被传数据(D 0-D7)、偶校验位(C)和终止位(E)等共11 位码
12、元组成，第一位是起始位，为低电平、偶校验位 C 的电平状态与被传数据 D0-D7中的“1”电平个数的奇偶数有关，奇数时，该位为高电平，偶数时为低电平、终止位 E 为高电平。当传输“0”码元时，发送端的 LED 发光，光电二极管有光电流产生，它是从 SPD 的负极流向正极，对 BG2 的基极电流具有拉电流作用，使 BG2的基极电流减小。由于 SPD 结电容、其出脚联接线的线间电容以及 BG2基射极间杂散电容的存在(在图 5 中用 Ca 表示以上三种电容的总效应)，使得 BG2基极电流的这一减小过程不是突变的，而是按某一时间常数的指数规律变化。随着 BG2基极电流的减小，BG 2逐渐脱离深度饱和状
13、态，向浅饱和状态和放大区过渡，其集电极发射极间的电压Vce 也开始按指数规律逐渐上升，由于后面的放大器放大倍数很高，故还未等到 Vce 上升到其渐近值，放大器输出电压就达到使反相器 IC2状态翻转的电压值，这时 IC2输出端(即 825lA 的数据接收端)为低电平，这一低电平一直持续到被传数据流中下一个“1”码元到来为止。在下一个“1”码元到来时，接收端的 SPD 无光电流，BG 2的基极电流 Ib又按指数规律逐渐增加，因而使 BG2原本按指数规律上升的 Vce 在达到某一值图 5 数字式光电信号的检测和再生电路5时就停止上升，并在以后按指数规律下降，Vce 下降到某一值后，IC 2由低电平翻
14、转成高电平。适当调节发送端 LED 的工作电流(即改变 LED 发光时的光强)和接收端 SPD 无光照射时 BG2 饱和深度间的配匹状况，既使在被传数据流中“1”码和“0”码随机组合的情况下，也能使光电检测和再生电路输出的数字信号的码元宽度(即持续时间)与发送端所发送的数字信号的码元宽度相等或相差在无误码判决所允许的范围内有关数字信号光电检测和再生电路更为详尽的理论分析见参考文献。3时钟电路它的功能是为 825lA 提供工作时所需的时钟信号。由于该实验系统具有语音信号的传输功能，而语音信号的频率在 300-3400Hz 的范围内，为了使接收端能较准确地恢复语音信号，根据抽样定理，抽样频率 应大
15、于 6800 次S，sf通常选取 =8000 次S。在用 8s位数字对每次抽样值进行数字化时，加上 825lA 异步传输方式时的起始位、校验位和终止位，该实验系统的传输率至少不得低于88kbs。因此，我们用 2MC 晶振电路产生的时钟作为 8251 的 CLC时钟，16 分频后的 125kcs 的时钟作为 8251 的 TxC 和 RxC 的时钟。在编写程序对8251A 进行初始化时选取波特率因子为 1 的情况下，采用以上时钟系统就能完全满足要求。具体电路结构如图 6 所示，该电路图中 C3 是半可变电容器，调节它的数值可使晶振电路的振荡频率略有改变。4.计算机通信接口板 8251 进行数据发
16、送的物理过程如下：首先接收来自计算机数据总线的并行数据，并把这一数据暂存在 8251 内部的发送数据缓冲器，在发送时钟 TxC 的下降沿作用下，数据可以从低位开始逐位依次从移位寄存器中移出变成一组串行的数据。在进行数据的并串转换时，按对 8251 芯片初始化的要求还要加上起始位、校验位和终止位等信息。当 8251 的发送数据缓冲器内的暂存数据逐位移出完毕之后，将发出发送器准备好 TxRDY(TransmiterReady)信号，表示准备好接收新的数据。8251 发送数据的速率等于 TxC/n，其中 TxC 为发送时钟频率，本实验系统的TxC=125Kc/s：n 为对 8251 初始化时所设定的
17、波特率因子，它可选为 1，16 和 64 等三个数值，本实验系统软件中所选定的 8251 的工作方式控制字为 7dh，表示波特率因子设定为 n=l。当把 8251 的工作方式控制字改为 7eh 时，波特率因子 n=16，实验系统的图 6 传输系统中的时钟电路6数据传输率为 7.8125kb/s，在此情况下传输字符或其他数据可以，但不能传输语音信息。8251 进行数据接收的物理过程为：空闲状态时，8251 的数据接收端 RxD 为高电平，在异步工作方式时，数据接收端 RxD 被 8251 内部的电平检测电路监视着，一旦发现RxD 端由空闲的高电平降为低电平时，则启动内部计数器，当计数到一个数据位
18、宽度的一半时，又重新采样 RxD 线，若其仍为低电平，则确认为起始位，而不是干扰信号。此后，就在接收时钟 RxC 上升沿的作用下不断采样 RxD 线的输入信号，并把结果串行地送到移位寄存器，经过移位、奇偶检验和去除终止位后就得到了转换为并行的数据，该数据经 8251 内部的数据总线送至接收数据缓冲寄存器，同时发出RxRDy(Receiver，Ready-接收器准备好)信号，通知计算机的 CPU 可以读入这一数据。【实验仪器】YOF-C 型数字信号光纤传输技术实验仪（光纤信道，发送器、接收器又称光端机） ，双踪示波器，信号发生器（或电声源） ，音箱，计算机【实验内容和步骤】一、利用单台计算机进行
19、实验（一）若只需要对数字信号光纤传输系统的基本原理、误码现象及收、发时钟的同步等问题进行实验研究和观测，只需利用一台计算机，并按以下要求联接好实验系统：1打开 PC 机并把本实验系统提供的通信接口板插入计算机内任一空闲的 ISA 扩展槽内； 2把 20 线扁平电缆的两端分别插入（I）号光端机后面板和计算机通信接口板的对应插座内；3用两端带香蕉插头的导线接通（I）号光端机前面板上“TxC”和“RxC”端，使 8251 芯片的接收时钟和发送时钟具有同一值(注意：如果未接这条导线，8251 的接收器因无时钟脉冲而不能正常工作!)； 4.把两端带拾音插头的电缆线的一端插入光纤绕线盘端面上 LED 的电
20、流插孔内，而电缆线另一端的拾音插头插入（I）号光端机前面板上“LED”的插孔内；5把光电探头插入光纤绕线盘端面上的同轴插孔中，并把光电探头的另一端插入（I）号光端机前面板标有“SPD”标记的插孔内（插入时应注意红、黑色的对应关系！）：6把音频信号源和小音箱分别插入（I）号光端机后面板的“调制输入”和带喇叭标志符号的相应插孔中。 7把含有本实验系统控制软件的软盘插入计算机的软驱 A 内。软盘中含有两个可执行文件：DOFlEXE，和 DOF2EXE。运行 DOFlEXE 文件时，适合于用单台计算进行实验；运行 DOF2EXE 文件时，适合于两台计算机之间进行光纤通信实验。（二）按以上要求完成系统的
21、连接后，便可进行以下各项内容的检测、调试和实验：1LED 电光特性的测定7保持以前接线状态不变的情况下，用导线把(I)号光端机前面板的“TxD”端与“GND”短接，把“SPD 切换”开关倒向“光功率计”一侧，在 LED 的工作电流为零的情况下，调节光功率指示器的“调零” ，电位器(在仪器后面板上)，使其指示为零，然后调节仪器前面板的“Rc 调节”旋纽使指示 LED 的工作电流从 050mA 的范围内改变，每增加 5mA 读取一次光功率指示器的读数，即可获得 LED 电光特性数据。在直角坐标纸上描绘 LED 电光特性曲线，根据 LED 电光特性曲线，在 LED 的从 050mA 的工作电流范围内
22、，查出光功率从 0最大值间均分的 5 个工作点，并把对应的工作电流和光功率标为 I1、I 2、I 3、I 4、I 5和 Pl、P 2、P 3、P 4、P 5。2SPD 光电特性的测定保持以前联线状态不变的情况下，把 SPD 的插头从（I）号端机的“SPD”插孔中拔出，转插到(II)号端机的“SPD”插孔中，并把(II)号端机的“SPD 切换”开关倒向“I-V 变换电路”一侧，并用导线把“IV 变换电路”的输出端接至(II)号光端机的“数字毫伏表”的输入端，在(I)号端机 LED 的工作电流为零的情况下，记下数字毫伏表的初始读数 Vo，然后调节(I)号光端机“Rc 调节”旋纽，使 LED 的工作
23、电流分别为 I1、I 2、I 3、I 4、I 5并记下与 LED 这些工作电流对应的(II)号光端机“数字毫伏表”的读数 V1、V 2、V 3、V 4、V 5。然后根据公式：(1)51(/)(00 iRVIfii便可算出 SPD 与入射光功率为 Pi对应的光电流为 I0i的值，其中的 可在(I)，(II)fR号光端机断电的情况下用数字万用表从()号光端机前面板标有“ ”记号的两端测f得。根据测得的实验数据在直角坐标纸上描绘 SPD 的光电特性曲线(以光功率 Pi为横坐标，光电流 I0i为纵坐标)根据该曲线按公式：(2)/0WAPIR计算出表征 SPD 的光电转换效率的响应度 R 值。3时钟系统
24、的检测开启（I）号光端机的电源，用示波器观测光端机后面板的“CLC”和前面板的“TxC”插孔的波形，正常情况下“CLC” 的波形周期应为 0.5 , “TxC”的波形周s期为 8 ,如果不出现这些波形，表明时钟系统有故障，这一故障未排除之前，实验s系统不能正常工作!4LED 驱动电路的检测 开启（I）号光端机的电源，用两端带香蕉插头的导线对光端机前面板上的“TxD”端和地短接，把“SPD 切换”开关倒向光功率一侧，调节光端机前面板 LED 的“Rc 调节”旋钮，观察光功率计的示值有无变化，若有变化则表明 LED 的驱动电路工8作正常。最后把“Rc 调节”旋钮调至使光功率示值为实验系统允许的最小
25、值 10W。5光讯号检测和再生电路的 预调 经上一步检测确定了 LED 及其驱动电路工作正常后，把双踪示波器的 CHl 输入电缆接至光端机的“RxD”端和地端并把示波器的输入方式置于“DC”状态。在前面板“TxD”对地端断开的情况下，观察“RxD”端在示波器荧光屏上显示的电平状态。“TxD”对地断开时，LED 不发光，相当于系统处于空闲状态，这时要求“RxD”端应呈现高电平，若示波器上观测到“RxD”端的电平为低电平，沿顺时针方向转动仪器前面板左侧的“Rb 调节”旋钮使 LED 驱动电路中 BG2 的基极电流增加，直到“RxD”端呈现出高电平状态为止；然后再次接通“TxD”与地的连线，并从示波
26、器上观察“RxD”端是否呈现低电平状态。如果仍保持高电平，沿反时钟方向转动“Rb 调节”旋纽使“RxD”端为低电平状态。如果能顺利完成以上两项调节，表明光讯号检测和再生电路能正常工作。6通信接口板数字信号发送功能的 检测 在保持系统原有联接不变的基础上将双踪示波器 CHl 输入电缆接至光端机前面板的“TxD”端和地端，然后启动 PC 机，当 PC 机进入 DOS 状态后运行 DOFlEXE 文件，PC 机屏幕上将出现以下供用户选择的“菜单”：在此之后，键入“1”时，在显示屏上将出现以下信息：意即请敲击键盘数字键三次，在 0-255 范围内键入任意 ASCII 字符的十进制数代码，在此之后，计算
27、机将会把这些十进制数转换成八位相应的二进制数存入 AL 寄存器，并经 8251 芯片进行数字信号的并串转换，转换结果经 8251 的 TxD 端输出。在 8251 工作正常的情况下，调节示波器同步旋纽就会在其荧光屏上出现一个与被传字符 ACSII码的二进制代码对应的稳定波形，这一波形具有 11 位码元(每位码元持续 8 )，最s左边的第一位码元代表串行数据结构的起始位(S)；后续的 8 位码元，即第 2 位至第 9位码元是被传 ASCII 字符所对应的 8 位二进制代码，从左向右方向数起，分别为D0、D 1-D7；第 10 位码元是奇偶校验位(C)，第 11 位码元为终止位(E)。若在键入各种
28、不同字符的 ASCII 码的十进制数后示波器显示的由这 11 位码元组成的数码结构与所输十进制数应具有的数码结构一致，表明通信接口板的 8251 的发送功能正常。 7数字式光信号光电转换及再生 龟路和 8251 芯片接收功能的 检测在保持系统原有联接不变的基础上把双踪示波器的 CH2 输入电缆接至光端机前面板的“RxD”端和地端，然后在实验系统控制软件 DOFl,EXE 的“菜单”目录下，选择“1”项，按上述方法反复传输十进制数为 170 的二进制代码，并观察示波器上的波形和 PC 机显示屏上出现的 ASCII 码字符。十进制数 170 对应的 ASCII 码字符为“” ，TESTING TE
29、RMS FOR OPTICAL FIBER TRANSMISSION SYSTEM1. Testing and adjusting system work condition2. Transmitting Acoutical Signal with one computer3. Press Ctrl + Break, Return to DOSPlease chose 1, 2 or strike Ctrl + Break keys !Please key decidigit for ASCII code transmitted(Decidigit 255d is for return to
30、testing term chose)9它的八位二进制码经 8251 并串转换后的数据结构应为：所以系统工作正常情况下，调节示波器同步可在荧光屏上观察到分别代表 8251 数据发送端和接收端数据结构的两路如图 7 示的稳定波形。与此同时在 PC 机显示屏上也将连续不断地出现字符“” 。若与“RxD”端相接的示波器 CH2 电缆对应的光电信号不出现具有上述特征的波形，PC 机显示屏上出现的字符也杂乱无章，则表明接收端对光讯号的光电转换和再生功能尚未调节到所要求的正常状态，这时需根据示波器所显示的“RxD”端波形的以下几种情况，分别按下述方式调节：1)若“RxD”的波形始终保持为“l”电平状态，表
31、明再生电路中 BG2 的饱和深度太深，使得光电二极管的光电流不足以使它脱离深度饱和状态进入适当的放大区，这时需要沿反时针方向缓慢转动；“Rb 调节”旋钮，减少 Rb 阻值直到示波器上“RxD”端波形“1”电平的持续时间为 8 止。在此以后，观察计算机屏幕上所显示的字符s是否为“” 。若有些字符不为“” ，表明系统抗干扰的能力差，有误码产生。这种情况下，需要进一步增大光信号的幅度(继续沿顺时针方向转动 LED“Rb 调节”旋钮)并相应增加 BG2 的饱和深度(沿顺时针方向转动“Rc 调节”旋纽)，使示波器上的“RxD”端的“1”电平持续时间在新的条件下再次为 8 ，然后再观察计算机屏幕的s字符显
32、示情况，如此反复进行调节，直到示波器上“RxD”端的波形和计算机屏幕上所显示的字符均正常为止； 2)若“RxD”端的波形始终保持在“0”电平状态，这表明光电转换电路中 BG2 的饱和深度不够。这时需要沿顺时针方向旋动“Rc 调节”旋钮，直到示波器上“RxD”端的波形和计算机屏幕所显示的字符正常为止。3)如果“RxD”端的波形虽与图 7 示波类似，但“1”电平的持续时间偏离 8 甚s远，这种情况下也会产生误码。若“1”电平持续时间小于 8 需缓慢增加 BGl 的饱s和深度(沿顺时针方向转动“Rb 调节”旋钮)；反之若“1”电平持续时间大于 8 ，对以上操作应作相反方向的调节，直到“RxD”的波形
33、和显示字符正常为止。此后欲传输十进制数 0-225 范围内对应的其它 ASCII 码字符，只需按计算机键盘图 7 传输字符时“”的波形图10任意键即可停止前一字符代码的传输，并等待新字符十进制代码的输入。当然，在实验时短时间内不可能传输 0255 范围内的所有 ASCII 码，只需要十进制为 1、161、 170 和 219 的几个典型代码即可检测接收功能是否正常。在以上实验条件下，接收端产生误码的原因主要是输入给 825lA 数据接收端 RxD再生信号的码元宽度偏离发送端所发送的信号码元的标准宽度(8 )太多所致。如前s所述，8251 的接收器是在 RxC 时钟的上升沿进行码值判断(即接收数
34、据)，因此在忽略再生信号对原始的发送信号的延迟因素外，从理论上讲再生信号“1”码元的宽度大于12 ,小于 4 均要产生误码，但实际上再生信号相对于发送信号是具有延迟的(延ss误的时间长短与系统空闲状态 BG2 的饱和深度有关)，所以无误码判决允许再生信号“1”码元宽度的变化范围比以上所说的 4-12 要小。s8语音光纤传输实验及模数转换采样速率的测定在 DOFlEXE 的一级“菜单”目录下，选择“2”后，系统就处于语音信息的单机传输状态；用双踪示波器(注意：CHl 必须接光端机的“TxD” ，端，CH2 接光端机的“RxD”，否则示波器的同步调节十分困难)观察：“TxD”和“RxD”的波形。由
35、于在声信息的传输状态下，系统传输的数码是随时不断变化的，所以在示波器荧光屏上很难看到一个如像以前反复传输同一 ASCII 字符时那样的稳定波形。但是，传输的数码无论如何变化，每个数码被传输时，其起始位和终止位的电平(它们分别为“0”电平和“1”电乎)总是不变的，因此当示波器被调整至同步状态时，接“TxD”端的 CHl 的波形中总是会呈现一段稳定的“0”电平，其持续时间为：8 ,这一特征也可作为示波s器是否已经调节至同步状态的判据，也即，当示波器的 CHl 波形(此时用不着注意 CH2的波形状况!)还未出现这一特征时，还需继续调节它的同步旋钮，直到这一特征出现为止，在这以后再去注意接“RxD”端
36、的 CH2 波形状况一般说来，经上一项关于光电检测及信号再生调节使得系统传输任一 ASCII 码字符时均无误码产生以后， “RxD”端波形也应具有上述类似特征，但是代表起始位的“0”电平的宽度(持续时间)会有所变化(不为 8 )。与 8 相比较，若“RxD”端波形起始位过宽(9-11 )或过窄(5-6ss s)都会使系统产生严重地误码噪声(这表现为既使语音信号的幅度为 0 时，在音箱里也会有“咯咯”的声音出现)，这时需要适当调节光端机前面板上“Rb 调节”旋钮，使“RxD”端波形中起始位的宽度维持在 8 附近，并用耳听方式考查调节效果(注意，s在考查调节效果时，操作人员的手切勿触及光端机的有关
37、旋钮，否则人体引入的干扰可能会使误码噪声变得更为严重!) 为了测定本实验系统的 AD 转换的采样速率，把双踪示波器的 CHl 和 CH2 分别接光端机仪器前面板的“RxD”端和“TxC”端，适当选择示波器的时间分度值，并调节其同步旋钮使“RxD”波形稳定，并出现有两个清晰的起始位，然后以 TxC 作为时标，测出“RxD“端相邻两组数据起始位之间的时间间隔，然后根据测量结果计算 AO 转换的采样速率，并与本实验系统要求的 Nyquist 频率比较，看它是否满足语音信号的11传输要求：把 DOFlASM 源文件中有关 825lA 初始化的工作方式控制字由 7dh 改为7eh(意即把 8251 的波
38、特率因子 n 选为 16)，对 DOFIASM 文件进行重新汇编和连接后，运行 DOFlEXE 重复以上实验，考察语音信息的传输效果，并用 Nyquist 抽样定理说明实验结果。二、两台计算间的光纤通信技术实验（选做）（一）准备工作：1把两块通信接口板分别插入两台 PC 机各自的扩展槽内；2用 20 线扁平电缆把两台 PC 机的通信接口板与两台光端机进行连接，为以后实验时调节方便起见，建议前面板上具有“时钟微调”电位器的(II)号光端机用于接收端； 3.把 LED 插头插入(I)号光端机的 LED 插孔中,带光电二极管的插头插入(II)号光端机标有“SPD”符号相应插孔中；4用导线把收、发端机
39、各自的“TxC”和“RxC”联接在一起；5.音源接至(I)号光端机后面板的“调制输入”插孔，扬声器接至(II)号光端机后面板的“外接音箱”插孔。 （二）按以上要求完成系统联接后，便可进行以下各项内容的检测、调试及实验：1收、发时钟 RxD 和 TxD 的同步调节：把双踪示波器的 CHl 输入电缆接至（I）号光端机的“TxC”和 GND 插孔，CH2 输入电缆接至()号光端机的“TxC和 GND 插孔。然后调节示波器的同步旋钮，使示波器荧光屏上出现清晰的、周期为 8 的两路时钟波形。若 CH2 的时钟波形相对于 CHls的时钟波形有左、右移动，这表明收、发端时钟频率有差异，这种差异在对 8251
40、A 进行初始化时选取波特率因子为 1 的情况下，会对接收方的 8251 接收器对码值的判决造成误码，所以在本实验系统中用 125Kbs 的传输率传送数字式声信息时，必须把收、发双方的 RxC 和 TxC 的频率调节成一致。这可通过调节(I)、(II 号光端机前面板或仪器底部的“时钟微调”电位器和微调电容来实现。2检测和调节系统的工作状态把存有 DOF2EXE 文件的两张启动软盘分别插入两台 PC 机的 A 驱动器内，开启收、发光端机的电源后，再启动收、发端的两台计算机，当两台 PC 机进入 DOS 状态后，各自运行 DOF2EXE 文件，此时 PC 机显示屏上将显示出如下“菜单”：选择“1”后
41、，对于发送端的 PC 机再选“1” ，接收端的 PC 机再选”2” ，双机系统就处于 ASCII 字符信息反复传输的等待状态,此后就可按单机实验的方式根据“菜单”TESTING TERMS FOR OPTICAL FIBER TRANSMISSION SYSTEM1. Testing and adjusting system work condition2. Transmitting Acoutical Signal with one computer3. Press Ctrl + Break, Return to DOSPlease chose 1, 2 or strike Ctrl + B
42、reak keys !12的提示检测系统各环节功能是否正常，并根据检测结果进行以下两项的调节，使系统工作正常：1)光讯号的检测和再生电路信号再生功能的调节(见单机实验相应调节步骤)2)接收端时钟 RxC 和发送端时钟的相对“延时”调节把双踪示波器的 CH1 接至发送端的“TxC” ，CH2 接至接收端的“RxC” 。然后调节示波器的同步旋钮，使从 CH1 输入的信号在示波器荧光屏上出现清晰的、周期为 8 的s时钟波形；这时若 CH2 的时钟波形相对于 CHl 的时钟波形有左、右移动，则表明收、发端时钟频率略有差异，这种微小差异在 825lA 波特率因子为 1 的情况下，会在接收方对码值的判决造
43、成误码，所以在本实验系统中用 125Kbs 的传输率传送数字式声信息时，必须把收、发双方的 RxC 和 TxC 的频率调节成一致。这可通过调节仪器前面板的“时钟微调”电位器或“时钟微调”电容器来实现。由于接收端“RxD”波形中含有发送端的发送时钟 TxC 的信息，在实际的传输系统中采用以下联接与调节方法更为方便：把双踪示波器的 CHl 接至接收端的“RxD” ，CH2 接至接收端的“RxC” ，然后在系统处于连续传输字符“飞”的工作状态下，调节示波器的同步旋钮，使从 CHl 输入的再生数字信号出现一个清晰可见的、码元宽度为 8 的 RxD 的稳定波形，然后观察 CH2s输入的“RxC”时钟信息
44、的波形，看它是否有左右移动的现象，如果“RxC”波形有相对移动，可通过调节接收端的“时钟微调”电位器的旋钮，实现收、发时钟的同步。在进行这项调节时，尽量把示波器的扫描时间的分度值选得小些，以利收、发时钟同步状态的准确判断。经过以上的调节，虽然 TxC 和 RxC 已具有相同的重复频率、接收端的信号检测和再生电路的“再生”功能也符合要求，但接收端计算机显示屏上所显示的字符仍会出现或多或少的错误字符，这是由于接收时钟 RxC 与再生信号 RxD 的相对“延迟”还不可能满足 8251 芯片接收电路无误码判决的要求。此时，只需用手触摸发送端光端机前面板的“频率微调”电容器，瞬时造成 TxC 和 RxC
45、 失步，以获得所期望的相对“延迟” ，这时接收端 PC 机屏幕上的字符就会与发送端 PC 机屏幕上显示的被传字符一致，此时立即把手离开“频率微调”电容，系统的 RxC 和 TxC 就会在重复频率和相对“延迟：两个方面达到无误码传输所要求的状态。 在传输某字符时，按发送端 PC 键盘的任意键可使系统停止原有字符的传输(此时接收端 PC 机屏幕上仍不断显示原有的被传字符，这是因为程序使得接收端 PC 机的 AL寄存器中的内容在被新字符代码刷新之前还保留着原有字符的代码)，发送端 PC 机处于等待新字符十进制代码的输入，此时如果在发送端键入十进制数“255” ，就可使收、发端的 PC 机回到一级“菜
46、单”状态下，等待操作人员新的选择。3语音信息的双机传输实验在 DOF2EXE 一级“菜单”下，收、发端均选“2” ，然后在下一级“菜单”下收、发端分别选“2”和“1” ，系统就进入双机语音信息传输状态。用双踪示波器观察接收端“RxD”和“RxC”的波形(CHl 接收端“RxD”端，CH2 接“RxC”端)，用单机实验时的同样方法考察和调节“RxD”端波形中起始位的宽度，使13之为 8 左右，然后用前而所述的方法观察和调节“RxD”和“RxC”的同步状态，使s系统在传输过程中无误码噪声出现。接收、发端 PC 机的任意键，可使两台计算机回到原有的一级“菜单” 。4重新启动收、发端的计算机，在 DO
47、S 状态下，运行 DOF27EEXE 文件。由于该文件程序对应着 8251 初始化时的波特率因子 n=16，故光纤传输系统的数据传输率将为 TxC(或 RxC)的 116 倍，重复双机系统的 2 和 3 项实验，根据实验结果对以下两个问题作出结论：1)波特率因子 n=1 和 n1 的情况下，异步传输光纤通信系统对收、发端时钟的同步程度的要求有何差异?2)根据 Nyquist 采样定理传输语音信号时(其频谱范围为 303400Hz)系统的数据传输率至少不得低于多少?【注意事项】1本实验系统提供的计算机控制软件 DOF*EXE 必须在计算机启动后的 DOS 状态下运行。若在运行过程中因某种原因使计
48、算机又返回到了 DOS 状态，此后再想运行DOF*EXE 文件进行数字信号光纤传输实验时，必须重新启动计算机，否则通信接口板上的 8251 芯片不能按程序规定的工作方式进行初始化，使系统工作不正常！2注意保护传输光纤的尾端，切勿强行弯折和受灰尘等其它污物遮盖，否则会造成信道不通。【参考文献】 1纤维光学一原理及实验研究朱世国，四川大学出版社。2光纤通信原理 ，张德琨等人，重庆大学出版社。3接口与通信 ，高传善等，复旦大学出版社。4IBM-PC 微机接口和编程应用技术实验 ，朱世鸿，中国科学技术大学出版社。5普通物理实验(四、综合及设计部分) ，杨述武、朱世国等人，高等教育出版社。附录：1.光导
49、纤维的结构及传光原理光纤按其模式性质通常可以分成两大类单模光纤多模光纤。无论单模或多模光纤，其结构均由纤芯和包层两部分组成。纤芯的折射率较包层折射率大，对于单模光纤，纤芯直径只有 510 ，在一定的条件下，只允许一种电磁场形态的光波在纤m芯内传播，多模光纤的纤芯直径为 50 或 62.5 ，允许多种电磁场形态的光波传m播；以上两种光纤的包层直径均为 125 。按其折射率沿光纤截面的径向分布状况又分成阶跃型和渐变型两种光纤，对于阶跃型光纤，在纤芯和包层中折射率均为常数，但纤芯一包层界面处减到某一值后，在包层的范围内折射率保持这一值不变，根据光射线在非均匀介质中的传播理论分析可知：经光源耦合到渐变型光纤中的某些光射线，在纤芯内是沿周期性地弯向光纤轴线的曲线传播。14本实验采用阶跃型多模光纤作为信道，现应用几何光学理论进一步说明这种光纤的传光原理。阶跃型多模光纤结构如图 8 所示，它由纤芯和包层两部分组成，芯子的半径为 a，折射率为 ，包层的外径为 b
