光纤通信实验指导书（新格式）

《 — 光纤通信原理 —》

实验指导书

刘伟群 编 写

适用专业： 计算机网络

计算机应用

2008年 9 月

湖南人文科技学院计算机科学技术系

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前 言

光纤通信是大容量信息传输的主要手段，光纤通信技术是信息产业的主要支柱技术之一，光纤网络已经遍布全球。为了满足社会对人才的需求，各大学的许多专业（如电子与通信工程、光电子技术、电子信息工程和计算机应用等）纷纷开设了有关光纤通信技术的专业理论课程，以培养这方面的专业人才。由于光纤通信是一门实验性很强的技术，除了课堂理论学习外，还需要实验性环节与之配合，否则学习效果会受到很大的影响。由于种种原因，光纤实验课程的开设很困难，许多学校只停留在课堂的理论教学。为了克服这些不足，我们经过多年的研究，研制成功了这个光纤通信实验平台，多次获军内外教学成果奖，现已广泛用于我们和兄弟院校的教学，取得了良好的教学效果，为光纤通信实验课程的开设提供了一种全新的实验教学模式。

该实验平台可置于一个便携式的实验箱内，配合常用的电子信号源、示波器和常用的光纤通信仪表就可以开设光纤通信系统原理的相关实验。其突出的优点为：

1、 平台紧扣光纤通信系统的知识点，实验内容丰富，波形测试点多。 2、 采用了模块化设计思想和数字化、软件化的实现手段，性能稳定可靠。 3、 具有友好的人机界面，操作维护方便。

4、 具有专业的指导老师进行实验箱的培训和实验课的指导。 5、 具有配套的实验教材和光盘，由人民邮电等出版社正式出版。

由于实验课的开设与理论课相比，存在的问题较多，加上我们的经验和水平有限，肯定存在许多不足，欢迎与我们交流共同开设好实验课，让学生满意。

2008．6

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目录

实验一：光纤损耗特性测量 ....................................................................................................... 1 实验二：光源P-I曲线测试 ........................................................................................................ 1 实验三：光纤机械接续与熔接 ................................................................................................... 1 实验四：线路码型实验 ............................................................................................................... 5 实验五：光接收机灵敏度测试 ................................................................................................. 11

2M ....................................................................................................................................... 11 实验六：模拟话音光传输实验 ................................................................................................. 14 实验七：2M数字光纤通信系统实验 ...................................................................................... 18 实验八：计算机串口数据光纤传输实验 ................................................................................. 24

3

实验一：光纤损耗特性测量

实验学时：2 实验类型：验证

实验要求：必修

一、实验目的

1、理解光纤的损耗

2、光纤损耗的常用测试方法 3、插入法测试实验

二、实验内容

插入法原理上类似于截断法，只不过用带活接头的连接软线代替短纤进行参考测量，

计算在预先相互连接的注入系统和接收系统之间(参考条件)由于插入被测光纤引起的功率损耗。显然，功率P1、P2的测量没有截断法直接，而且由于连接的损耗会给测量带来误差，精度比截断法差一些。所以该方法不适用于光纤光缆制造长度衰减的测量。但由于它具有非破坏性不需剪断和操作简便的优点，用该方法做成的便携式仪表，非常适用于中继段长总衰减的测量。图2.13示出了两种参考条件下的测试原理框图。

图2.13 (a)情况下，首先将注入系统的光纤与接收系统的光纤相连，测出功率P1然后将待测光纤连到注入系统和接收系统之间，测出功率P2，则被测光纤段的总衰减A可由下式给出

（b）调制器调制器包层模剥除器光源注入系统MF12包层模剥除器MF检测器测量系统12滤模器参考条件滤模器（a）光源注入系统检测器测量系统参考系统MF图6.13 典型的插入损耗法测试装置图2.13 典型插入损耗法测试装置

A?10log?P1???/P2?????Cr?C1?C2 (dB) (2.11)

式中Cr、C1、C2分别是在参考条件、试验条件下光纤输入端、输出端连接器的标称平均损耗

1

值(dB)。

图2.13 (b)情况下，首先将参考系统连在注入系统和接收系统之间，测出功率P1；然后，同图(a)一样，测出功率P2，则被测光纤段的总衰减由下式给出

A?10log?P1???/P2????(dB) (2.12)

情形(a)中，由于连接器的质量可能会影响测试精度；情形(b)中，采用了光学系统进行精密耦合，代替了连接器的耦合，可以得到精确的测量结果，当只需要知道光纤的实际衰减时，它比较合适。当被测光纤段带有半个连接器而且需要和其它元件串在一起时，情形(a)的测试结果更有意义。

三、仪器、设备和材料

光纤通信实验系统及附件，光功率计，光衰减器，光纤。

四、实验原理

方波信号输入

五、实验步骤

实验平台中我们可以采用插入法测量光纤的损耗，实验框图如2.14所示：

扰模器待测光纤TP501数 字光 发S光纤跳线R数 字光 收（a）（b）图图6.14 插入损耗测试框图2.14

六、实验结果分析

2

实验二：光源P-I曲线测试

实验学时：2 实验类型：验证 实验要求：必修

一、实验目的

1、 了解半导体光源的特性。

2、 掌握光源P（平均发送光功率）-I（注入电流）特性曲线的测试方法。 3、 掌握光功率计的使用方法。

二、实验内容

半导体光源的特性。

光源P（平均发送光功率）-I（注入电流）特性曲线的测试方法。 光功率计的使用方法。

三、仪器、设备和材料

光纤通信实验系统及附件，光功率计，光源，光衰减器，光纤。

四、实验原理

主要介绍实验原理，及实验原理图。

五、实验步骤

测试框图如图1.2所示。其中S、R为活动连接器（ST型），RP501为可变电阻位于数字光发电路的上方。P-I曲线测试步骤为：

码型发生器自A点（对应实验平台测试点TP501）给光发送机送方波信号作为测试信号。大家可以借助键盘和液晶来选择方波信号（实验平台加电后，先按复位键复位系统，屏幕出现“请选择”提示后，按键选择“方波”），此时，TP501点应能测试到方波信号。参考附录B中光发模块甲的原理框图可知，为了把数字信号发往线路，除了用短接帽将跳线XP500的1-2脚相连外，还需要通过双刀双掷开关KS501选通模拟光源驱动电路和数字光源驱动电路。本实验中选择数字光源驱动电路（按键KS501抬起即可）。

从发送模块甲的光源组件（如1414T/1312T）的连接器S中取出保护塑料套，用光纤跳线分别插入发送端连接器S与光功率计的输入连接器插头，连接光发送端的光输出与光功率计，

1

此时从光功率计读出的功率就是光端机的平均发送光功率P。

3、用数字万用表测量两点之间电压(红色表笔接电源VCC，附近找不到电源可以将红色表笔接触SN75452的8脚或2脚；黑色表笔接触测试点TP502)。测得的电压值除以电阻值R=R501+RP501（测RP501的电阻值时应该将实验平台的供电切断），其中R501是51Ω的固定电阻，即可得到注入电流I。改变RP501的阻值，将得到一组测得的P、I的值记录下来，我们便可以描绘P-I曲线。这里需说明的是这里测得的是P-I曲线的一段（功率调节范围约4个dB），为了防止烧坏光发送组件，电流I的调节范围有限（电流调节范围约为20mA），但不妨碍整个P-I曲线的测量，因为测试方法是一样的，只是多测几组值而已。

4、在调节电位器的过程中，最好让光功率值在-18dB～-22dB变化，以免损坏器件。

TP501：方波信号

图5.2 数字光发送机P-I曲线测试框图图1.2 数字光发送机P-I曲线测试框图 码型发生器＋5VRP501数字万用表TP501A数 字光 发SR光纤跳线光功率计六、实验结果分析

2

实验三：光纤机械接续与熔接

实验学时：2 实验类型：（综合） 实验要求：（必修）

一、实验目的

掌握光纤切割与熔接技术。

二、实验内容

光纤切割、熔接。

三、仪器、设备和材料

光纤，光纤熔接机，光纤切割机，酒精，纸巾。

四、实验原理

接合技术分为熔接和机械拼接（固定连接器）两种。下面我们便分别来看看怎样才能将两段光纤连接起来。

不论采用何种技术，接合过程中的第一步都是末端预处理。包括剥离光缆的护套、缓冲管和涂敷层。这些剥离步骤的每一步都需要专用的工具。不过，大家不用担心，所有用来进行末端处

1

图2.2

理的工具都可以买到。其种类的繁多令人惊讶，从简单的仅能完成一种操作（例如剥离涂层）的手工操作便携式剥离器到一步就可以完成所有操作的全自动仪器――插入一根完整的光缆即可得到准备接合的裸光纤。剥离器可以用来剥除所有型号的光缆。剥离暴露了裸光纤，当把两根光纤连接起来之前，必须先制备光纤的端面，否则会有可能带来很大的连接损耗。为了使光线在连接点处不发生偏转或散射，光纤端面必须平整光滑并与轴线垂直。一般使用的方法有：研磨、抛光与有控制的折断。研磨和抛光可以得到与光纤轴线垂直的光滑端面。但研磨工艺费时费事，不易用于现场。可控制的折断法或称“划痕折断”法，首先在待折断的光纤上刻一道划痕，然后如图2.2 (a)所示进行操作，以使表面产生应力集中而折断，由此获得良好的端面。如果折痕不合适、应力控制不好，会使光纤中的裂纹分叉，成为若干条裂纹，叉形裂纹会在光纤端面上产生唇形或锯齿部分，见图2.2 (b)。为了去除光纤末端表面上的外来微粒，必须用专门的方法和布料来清洁光纤。经过剥离、切割和清洁后的两根光纤便可以用来接合了。

固定连接器的种类很多，图2.3给出了常见的几种固定连接器的外形图。图2.3 (a)是依靠毛细管定位的固定连接器，图2.3 (b)、(c)和(d)所示固定连接器的关键部位是V型槽，它能保

图6.3 几种固定连接器示意图图2.3 （c）（d）（a）（b）+AB?V型槽（a）

2

（b）图6.4 V型槽对接图2.4

持发射光纤与接收光纤相互对准。V型槽可以用铅板作主要材料，用冲模冲出V型槽，也可以用单晶硅材料以化学腐蚀法刻蚀出V型槽。V型槽对准基于外固定位，在切点A、B处保持接触，如图2.4 (b)所示，角度θ的选择有一定的要求。如果发射光纤与接收光纤的包层圆与纤芯圆均处于理想状态，则切点A、B可以保证发射纤芯与接收纤芯对准而实现低衰耗连接。如果发射光纤与接收光纤外径不一致，即使在切点A、B保持接触，纤芯也不可能对准，因此必然引入损耗。适当选择θ值，可以把这类损耗降低，又考虑到V型槽加工条件，θ值一般选在60o左右。机械拼接通常用于快速维修且只需少量接合的场合。

对单模光纤进行熔接，主要包括光纤端面制备、纤芯对准、熔接与接头增强等几个步骤。其中光纤端面制备已在上文讨论过。纤芯对准是关键内容，要求有非常高的精度。多模光纤可以采用外径对合法，而单模光纤必须采用芯轴对合（见图2.5）。外径对合可以由普通的显微镜肉眼观察来确定，而芯轴对合则必须用功率法或折射率差透镜效果法来确定。

图6.5 光纤芯轴对合示意图图2.5

熔接的过程首先让发射光纤和接收光纤的间隙维持几十微米，然后进行预热，最后使间隙逐渐缩小而熔合在一起。图2.6表示安置光纤预热、压入和整形各个阶段示意图，最后是光纤接头的增强。光纤之间的接续增强是不可缺少的环节。电弧熔接后光纤用玻璃毛细管或不锈钢管增强，也可以用热缩塑料管增强。具体的实验步骤，要视所拥有的熔接机类型而定。

五、实验步骤

3

对准

六、实验结果分析

预热压入整形图6.6 光纤熔接步骤图2.6

4

实验四：线路码型实验

实验学时：2 实验类型：（验证） 实验要求：（必修）

一、实验目的

1、 了解常用的光纤线路码型如NRZ、CMI 、5B6B等 。

2、 掌握CMI编解码的规则。 3、了解线路码的传输特性。

二、实验内容

三、仪器、设备和材料

包括所需仪器设备、低值易耗品等。

四、实验原理

主要介绍实验原理，及实验原理图。

码型变换含义广泛，本节中我们将要介绍的码型变换 表4-1 表5-1 CMI码变换规则指的是线路码型的编码和译码。我国邮电部从管理的

CMI 码输入二元码角度出发，规定了几种在公用网上使用的码型（专用网

010也可以参照使用）：5B6B、CMI、扰码二进制、1B1H以及

00或11交替出现1565Mbit/s光纤传输系统用的8B1H。本节中将以CMI的编

解码为例介绍码型变换实验。CMI码即是Coded Mark

Inversion（编码传号反转）码的缩写，表1-1中给出了其变换规则，传号1交替地用00和11表示（若一个传号编为00，则下一个传号必须编为11，也就是交替反转），而空号0则固定用01表示，图1.3中给出了波形的例子。由于一个码元变成了两个码元，所以它属于二电平的NRZ的1B-2B码型。CMI码具有双相码的优点，且不怕信道相位反转（信息码为“1”时，两个线路码相同；信息码为“0”时，两个线路码相反。信道相位反转后，仍有此性质），具有一定的纠错能力，易于实现，易于定时提取，因此在低速系统中选为传输码型。在ITU-T的G.703建议中，规定CMI码为四次群（139.264Mbit/s）的接口码型。日本电报电话公司在32Mbit/s及更低速率的光纤通信系统中也采用了CMI码。

图4-1给出了CMI编码的原理框图。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码送至光发送机。输入若是传号，则翻转输出；若是空

号，则打开门开关，使时钟的反向输出。其电路原理如图4-2所示。需要注意，输入的单

时钟二元码CMI111010001001111001010111

图1.3CMI码与元码的转换关系 图图5.3 CMI码与二元码的转换关系4-1 5

极性码已经与时钟同步。

本实验系统中采用可编程逻辑器件（PLD）来实现CMI的编译码。CMI编码的VHDL源程序如下：

时钟NRZ码采样反相0开关1翻转电路CMI码合成图4-2 图5.4 CMI编码框图library ieee;

use ieee.std_logic_1164.all; entity df is

port(invert,clk:in std_logic; q:buffer std_logic); end df;

architecture df of df is signal d:std_logic; begin

d<=q xor invert; process begin

wait until clk='1'; q<=d; end process; end df; library ieee;

use ieee.std_logic_1164.all; entity cmi_code is

port (nrz,clk:in std_logic;

cmi:out std_logic); end cmi_code;

architecture cmi_code of cmi_code is component df

port(invert,clk:in std_logic; q:buffer std_logic); end component; signal a,b:std_logic; begin

cmi<=a when nrz='1' else b; b<= not clk;

u:df port map(nrz,clk,a);

图4-3 图图5.5 CMI编码原理电路1.5 编码原理电路

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end cmi_code;

解码采用的思想很简单：当时钟和信码对齐时，如果输入的是11或00，则输出为1；如果输入为01，则输出为0。但是问题的关键在于怎样才可将一序列的码元正确地两个两个分组。经过传输处理后的CMI码首先要提取位同步时钟，接着抽样判决。此时CMI码流和发送的码流在波形上没有区别（暂时忽略误码的情况），但将其两个两个分组，却有两种不同的情况。当然，其一是正确的，可以得到正确的译码结果，如果接下来的工作亦是正确的话；而另一种在绝大多数的情况下将导致译码工作的失败。

结合CMI码流的特点，这里提供了两种可以正确分组的方法：如果在码流中检测到了0101的话，那么就可以将紧接着它们的两个码元分为一组，以此类推；另一种方法更为简单易行，那就是在码流中检测1到0的跳变后，就可以将下降沿后的两个码元分为一组了。一般情况下，第二种方法可以尽快地实现正确的分组。下面的例子具体说明了这两种方法的使用。如图4-4所示：

接下来就是依据编码规则进行译码了。这里列举了三种具体的解决方案：

图4-4 CMI码流的正确分组 CMI码方法方法0 0 1 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 第一种方案：其原理框图如图4-57所示，原理电路如图4-6所示。从位同步时钟中分

图5.7 方案一的原理框图图4-5

CMICMI位同步时钟分离时钟第一路时钟第二路时钟读取第一路信号比较NRZ下降沿检出读取第二路信号离出两路时钟，它们和位同步时钟同频，但是占空比不一样，两路时钟信号的占空比都是25％。

其区别在于它们的相位相差半个周期。将每组中的两个码元分开，从而形成了第一路信号和第二路信号，在两路时钟的正确作用下比较这两路信号，便可以将CMI码解译出来。这种方案电路结构简单，各部分功能清晰，易于理解和操作。

图5.8 方案一的原理电路 图4-6 7 第二种方案：解码方法的本质和第一种相似，差别主要在于找到正确分组的方法不同，它分别用二分频后的时钟的上升沿和下降沿来读取两路信号，其原理框图如图4-7所示。

CMI位同步时钟二分频CMI下降沿检出串并转换比较NRZ图5.10 方案三的原理框图图4-7

第三种方案：这里的译码思路稍有变化。CMI码流经过串并转换后，在二分频后的位同步时钟作用下读出，进行比较译码，其原理框图如图4-8所示。

CMI位同步时钟

CMI二分频下降沿检出串并转换比较NRZ图图5.10 方案三的原理框图4-8

五、实验步骤

1、 实验框图如下图所示。具体实验步骤如下：

2、 首先要做的是：在断开电源的情况下，通过正确的跳线来建立一个数字光纤通信系统，这个系统在本实验中传输的是CMI码（速率为64kbit/s），所要完成的功能是对CMI的编译码。由附录B中的原理电路图集，可以知道：光发模块甲中，首先通过短接帽将跳线XP500的1、2脚相连，开关KS501要选择为传输数字信号（按键抬起即选中数字光源驱动电路）；光收发模块甲之间用光纤跳线连接；光收模块甲中，通过短接帽将跳线XP503的5、6脚相连、XP504的2、3脚相连（选择主放大器MAX435放大信号）以及XP505的“CMI”传输，放

TP401

PN 序列 CMI 编码 数字选择开关 光发模块甲 DPLL 时钟 TP602 CPLD 数字 分频 CPLD 光收模块甲 信号 放大 CMI 编码 PN 序列 TP601 时钟源

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图5.11 1.11 CMI实验框图 图图4-9

大后的信号流向误码检测模块译码。

3、 数字光纤通信系统建立起来后，同学们可以通过键盘和液晶来选择所要传输的码型，本实验中选择CMI码（同样，实验平台加电后，先按复位键，再选择所要传输的码型）。此时，测试点TP501、TP502应该能测到编好的CMI码的波形。此时应注意的是：PLD对输入信号的幅度有一定要求，必须调节光发模块甲的可调电阻RP501、光收模块甲的可调电阻RP505、RP506和RP508，充分放大接收信号。

我们可以在测试点TP504、TP505测试到经过光纤跳线传输后的CMI码波形；跳线后，可在TP507测试到放大后的CMI码，可在TP601探测到译码后的PN（伪随机）序列；在测试点TP602我们可以探测到用来译码的64KHz位同步时钟（此时钟由误码检测模块中的数字锁相环提供，因为锁相环会带来抖动，所以比较TP602与TP401的波形时同学们会观察到抖动现象）。测试点TP401输出的信号是发送端的PN伪随机序列，系统正是对这个序列进行CMI编译码的。读者可以比较TP601与TP401的信号（想想为什么两个波形会有时延），也可以比较TP501和TP401的信号，从而验证自己所编写的CMI编译码程序是否正确。各点的参考小型如下：

4、 的“CMI”传输，放大后的信号流向误码检测模块译码。

5、 数字光纤通信系统建立起来后，同学们可以通过键盘和液晶来选择所要传输的码型，本实验中选择CMI码（同样，实验平台加电后，先按复位键，再选择所要传输的码型）。此时，测试点TP501、TP502应该能测到编好的CMI码的波形。此时应注意的是：PLD对输入信号的幅度有一定要求，必须调节光发模块甲的可调电阻RP501、光收模块甲的可调电阻RP505、RP506和RP508，充分放大接收信号。

我们可以在测试点TP504、TP505测试到经过光纤跳线传输后的CMI码波形；跳线后，可在TP507测试到放大后的CMI码，可在TP601探测到译码后的PN（伪随机）序列；在测试点TP602我们可以探测到用来译码的64KHz位同步时钟（此时钟由误码检测模块中的数字锁相环提供，因为锁相环会带来抖动，所以比较TP602与TP401的波形时同学们会观察到抖动现象）。测试点TP401输出的信号是发送端的PN伪随机序列，系统正是对这个序列进行CMI编译码的。读者可以比较TP601与TP401的信号（想想为什么两个波形会有时延），也可以比较TP501和TP401的信号，从而验证自己所编写的CMI编译码程序是否正确。各点的参考小型如下：

时钟二元码CMI111100001001111001100111图5.3 CMI码与二元码的转换关系图4-10

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六、实验结果分析

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实验五：光接收机灵敏度测试

实验学时：2 实验类型：（验证） 实验要求：（必修）

一、实验目的

1、理解光接收机灵敏度的概念 2、掌握光接收机灵敏度的测试方法

二、实验内容

光接收机灵敏度的测试。

三、仪器、设备和材料

光纤实验系统，光功率计，光衰减器，示波器，信号发生器，误码仪。

四、实验原理

计算用

dBm

表示的灵敏度

PR。例如，测得

Pmin=9.3nW，则

Pmin9.3?10?9PR?10lg?10lg??50.3dB。m

1mW1?10?3在灵敏度测试时，一定要注意测试时间的长短。误码率是一个统计平均的参数，为了确

定测试时间，我们将之写成为：

Pe?m （5.1） fbt式中m是误码个数，fb是系统码速，t是测试时间。由上式可知，在码速确定的情况下，只要在某一定的测试时间内所记录的误码个数少于某一数值，就可以表示出要求的误码率。其最小测试时间应是能检测到误码个数为1（无误码的情况除外）的时间，即(3.1)式中m=1时所得到的测试时间，它可以表示为：

t?1 (5.2) fbPe由上式可见，最小测试时间与码速和误码率有关。各类系统误码率不同时，光接收机灵敏度测试的最小时间t如表3-1所示。

表5-1 灵敏度测量的最小时间 码速 t 误码率 ≤10-9 ≤10-10

2M 8分钟 8M 2分钟 11

34M 29.1分钟 5分钟 140M 1.2分钟 ≤10-11 50分钟 12分钟 应该指出，t是要求某一误码率时，光接收机灵敏度测试的最小时间。但实际上，测试的时间应大于此时间，才能使测试的结果更为准确。

光接收机灵敏度测试框图如图5.1所示。：

TP501 数 字 光 发 S 光可变 衰减器 R 数 字 光 收 光功率计 误码分析仪 图7.1 数字光收接口指标测试框图 图5.1

五、实验步骤

1、 按图3.1要求将误码测试仪和光可变衰减器与光纤数字通信系统连接。

2、 误码测试仪向光端机送入测试信号，PCM测试信号为伪随机码，长度为（2N-1），N的选择与平均发送光功率测试相同。

3、 调整光衰减器，逐步增大光衰减，使输入光接收机的光功率逐步减小，使系统处于误码状态。然后，逐步减小光衰减器的衰减，逐渐增加光接收机的输入光功率，使误码逐渐减少，当在一定的观察时间内，使误码个数少于某一要求时，即达到系统所要求的误码率。

4、 在稳定工作一段时间后，从R点断开光端机的连接器，用光纤测试线连接R点与光功率计，此时测得光功率为Pmin，即为光接收机的最小可接收光功率。

5、 ㈠ 实验平台中，光接收机甲灵敏度测试步骤如下： 6、 跳线XP401应将1、2两脚连接，这样选择传输的是系统内部产生的2M伪随机序列，N的取值为4。

7、 选择光发模块甲，将XP500的1、2两脚相连，开关KS501选择传输数字信号。光收模块甲中，选择MAX435作为主放大器，AD603作为配合主放大器的AGC放大器。通过跳线XP503的5、6脚相连，XP504的1、2脚相连、XP505将AD603的输出（原理图中对应为：“PNOUT”）送往误码检测模块。

8、 系统搭建好后，实验平台加电并复位液晶屏，从键盘输入PN，系统进入误码检测状态，此时可能会发现屏幕上误码不断，不要着急，这是光接收机工作还不正常。

9、 在“PNOUT”处测试AD603的输出波形，调节可变电阻RP505、RP506使AD603的输出信号为最佳（幅度适中，波形平滑），然后再通过跳线XP505将AD603的输出送往误码检测模块，即把跳线的21、22两脚连接起来。

10、 调节可变电容C817和C823使锁相环正常工作，即进入锁定状态；此时可以调节变阻器RP802减小位同步时钟的抖动，现在你将发现液晶屏幕上的误码计数变得缓慢，或

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停止计数。通过键盘KS214（最后一排顺数第2个）清零误码计数。

11、 如果实验室没有配备光衰减器，我们可以通过实验平台中的电路衰减来模拟光路衰减。调节光收模块甲的可调电阻RP506，降低MAX435的放大倍数来模拟线路上的衰减。当衰减足够大时，将超出AD603的自动增益控制范围，致使其输出信号幅度锐减，误码计数渐增。实验平台的误码测试功能虽然不像误码分析仪那样齐全，但读者可以通过液晶屏幕显示的误码个数来自定义误码率，比如说1分钟出现了10个误码。调节上述可调电阻，减少电路中衰减，直到误码符合我们刚自定义过的标准，可以测试MAX435的输出波动很小，模拟了输入光功率也很小。

六、实验结果分析

硬件方面，一般对实验数据、现象进行分析

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实验六：模拟话音光传输实验

实验学时：2 实验类型：（验证） 实验要求：（必修）

一、实验目的

了解模拟电话的光纤传输系统

二、实验内容

传统的电话通信系统采用的是模拟传输的方式，称之为载波通信。随着数字通信技术的发展，模拟语音信号的数字传输技术已经成熟并大量实用化。在实验平台上，通过正确连线，模拟语音信号既可以直接通过光纤传输，又可以先进行数字化后再上光路传输。其中，模拟语音光纤传输系统如图6.1所示。

看到这个系统后，大家可能会产生这样一个疑问：光纤的带宽不是很宽吗，而这个系统中怎么只传输1路语音信号？的确，在实际应用中，模拟语音光纤传输系统中往往采用FDM的技术，将多个用户的语音业务复用到一条光纤链路上传输；而在数字语音光纤传输系统中，人们则采用TDM技术，将多个话路信号时隙和公务信号时隙复用在一起，形成所谓的E1（欧洲的30/32路PCM）或T1（北美的24路PCM）信号在一条光纤链路上传输。我们为了给大家演示一个基本的点到点的IM/DD语音光纤传输系统的组成，从而仅采用了一路语音信号的基带传输，而未考虑在电域的复用。

大家都知道电话机是将我们所说的话语变为模拟电信号的一种装置，那么是否通过电话

用户线接口电路光收发光收发用户线接口电路图图8.1 模拟语音光纤传输系统6.1

机后，我们所发出来的模拟语音信号就能够直接上光路传输了吗？由图6.1可知：在电话机与

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光发送机之间还有一个被称之为用户线接口电路（SLIC）的装置。实验平台中的SLIC采用厚膜电路SJ0612B实现，主要完成向终端话机馈电（B）、过压保护(O)、振铃(R)、用户线通断检测(S)和二/四线转换(H)等功能。读者可以从程控数字交换机的硬件组成中找到SLIC的位置（虽然，我们的实验平台并不涉及交换的概念）。它属于程控交换机的用户级。用户级由用户电路和话务集中两部分组成。其主要任务是对电话用户线提供接口设备，将用户话机的模拟话音信号转换成数字信号，并将每个用户话机所发出的较小的呼叫话务进行集中，然后送至数字交换网络，从而提高了用户级和数字交换网络之间中继线的利用率。由于模拟用户电路在数字交换机中占的比例较大，对它的组成有一个基本功能要求，归纳起来，应具有BORSCHT七项功能，如图6.2所示。其中的BORSH功能一般由SLIC完成，目前可以购买得到的SLIC有单片半导体集成电路，也有传统的厚膜混合集成电路。所谓厚膜混合集成电路，是具备一定特殊功能的模块化电路，是将一些通用元器件（如片式电阻器、电容器、二极管、三极管、电路等元件）二次集成，使其具有特殊的专用功能。由于厚膜电路的制造特点使其具有极高的稳定性和较大的功率负载能力，适用各种环境条件。厚膜用户线接口电路SJ0612B便是该工艺的一种典型应用。七项功能里的另外两项功能：CT，则需由单独的CODEC（编译码）集成电路来实现。如果不经过C模块，模拟语音信号经二/四线转换后直接上光路传输，到达对端后，由用户线接口电路接收至用户终端话机，那么，我们称这样的系统为模拟语音光纤传输系统。

三、仪器、设备和材料

光纤通信实验系统，电话机，连接线。

四、实验原理

实验原理及实验原理图见实验步骤。

五、实验步骤

1、调试光收发模块，使其工作正常。方法：以光收发模块甲为例，跳线XP501的2、3两脚相连，跳线XP502的2、3两脚相连，按键KS501选通模拟光源驱动电路，用一段光纤将光收发模块甲连接；利用跳线XP503选择OP07作为主放大器，并将XP505的1、2两脚相连；加电后复位系统，通过键盘输入传输正弦波或三角波或锯齿波等模拟波形；通过调节可变电阻RP301、RP502、RP504和RP503使得模拟光源驱动电路工作稳定，由于晶体管V501、V502工作在线性放大区，

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读者调节时应注意其直流偏置电压，测试点TP503可以测得送入驱动电路的模拟信号波形，TP502可以测得从驱动电路输出的波形；通过可变电阻RP505、RP509可以调节接收到的模拟信号波形，测试点TP504可以测得接收到的模拟信号波形，TP506可以测得放大后的模拟信号波形；依照这种思路调节光收发模块乙（乙中同样选择OP07作为主放大器）。如果模拟信号能够通过光收发模块正常传输，我们可以开始模拟语音光纤传输实验。

2、正确连线：将两台电话机的RJ11插头插入实验平台中的RJ11插座；将跳线XP701的2、3两脚相连（模拟语音信号被送往模拟开关），光收发模块甲按上述步骤1连接，不过此时应将跳线XP505的25、26两脚相连，使信号传输到XP704的1脚，将跳线XP704的1、2两脚相连，这样发送端说话接收端即能听见。我们还需要连接回路使得接收端说话发送端能听到，此时利用光收发模块乙和跳线XP702（1、2相连）、XP703（2、3相连），连线思路同上。

测试电路振铃电路测试（用户线路T振铃（R馈电监视（过压保护（混合（HBS编译码和滤波（交换网络））））C图图8.2 模拟用户线接口的基本功能6.2

3、正确连线后，加电，复位后选择模拟电话，我们即能实现收发双方互通语音信息了。用示波器在线路中跳线处观察模拟话音的波形变化，比较讲话声音大或小时所测得的波形的变化。（注：话音通信为双工通信，如果所购的实验系统为单工方式，只有一对光收发模块，就可一个方向采用光收发对进行光纤传输，另一个方向采用电缆如导线直接传输，同样达到实验的目的。）如果是正弦波或三角波或锯齿波等模拟波形，观察模拟信号经过传输后的波形变化。 六、实验结果分析

O））控制系统 16

对实验数据、现象进行分析。

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实验七：2M数字光纤通信系统实验

实验学时：2 实验类型：（综合） 实验要求：（选修）

一、实验目的

掌握2M光传输的特点。

二、实验内容

2M光传输系统的构造。

三、仪器、设备和材料

2M光纤，光纤通信系统，电话机。

四、实验原理

以光纤为传输链路，为用户提供了较高的带宽。如何有效地利用这条宽带链路，在数字通信领域，人们提出了多种复用的方式。2.048Mb/s这个码元速率，便在数字语音信号的多路时分复用中产生，并成为了人们熟知的一种基群速率。不论是在传统的准同步数字系列（PDH）数字网中，还是在目前大量使用的同步数字系列（SDH）数字网中，2.048Mb/s作为一种基群的标准速率都将继续存在并发展下去。基于这种认识，实验平台上设计的另一个数据接口便是2M接口。接口数据速率为2.048Mb/s，电平为TTL电平，接口码型为归零的HDB3码。HDB3码是三阶高密度双极性码（High Density Bipolar Codes）的简称。所谓三阶，即最大允许连“0”数为3个。这种码型ITU-T G.703建议规定作为PCM一次群、二次群和三次群的线路传输码型。在数字光纤通信系统中，HDB3码就是相应的PCM设备与数字光纤通信设备之间的电接口码型。图4.10描述的是2.048Mb/s数据的光纤传输系统方框图。该系统中，数据既可以从外部输入，又可以由内部电路产生；送到对端的数据经过重建，既可以编成HDB3码后直接输出，又可以送入误码检测模块测试误码。信号从实际线路中引进来，或者从实验平台中发出去时，都要考虑一个设备与线路的阻抗和电平匹配问题。阻抗不匹配将带来信号的衰减，电平不匹配将缩短传输距离。图4.10中的单双或双单变换电路即起到一定的阻抗匹配作用，其实质是一个变压器。读者可以回忆一下变压器的有关知识，的确，变压器能够完成双路信号和单路信号的互相转换，并且还能实现阻抗匹配。实验平台中使用的是其中的一种：PE-64952，

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这是PULSE公司生产的专门用于E1接口的通信类变压器。

在介绍以下的功能模块之前，有必要为大家介绍一下HDB3码的定义及其编译码。HDB3

码变换规则如表8-2所示：当连“0”小于或等于3个，则按AMI码规则变换，即用0表示“0”，+A或-A表示“1”，+A与-A应交替出现。下面，我们对符合交替规则的+A与-A分别用B+与B-表示，违反交替规则的+A与-A分别用V+与V-表示。当有4个连“0”时，就代换为B00V或000V，其中B是B+或B-，V（Violation）是V+或V-，代换码的第一个取B还是取0，应使代换码中的V与前面的V间有奇数个B（0作为偶数）。这样，V+与V-得以交替出现。

XP401XS801双/单变换极性变换位同步译码312光源驱动器光源本地2M信号光源光接收模块位同步判决XP603123误码检测XS802编码单/双变换图7-1 图8.10 2M数字光纤传输系统方框图根据HDB3的编码原理，可得到HDB3编码的原理框图如图4.11所示,电路如图4.12所示。HDB3编码电路主要由四连“0”检出，取代节选取，极性控制和单/双变换部分等部分构成。图4.13给出了一个由二进制NRZ码编成HDB3码的示例波形图。

NRZ码入四连“0”检出加V码破坏点形成单/双变换取代节选择

HDB3输出

HDB3图8.11 编码原理框图

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NRZ1011001000010001100000000011010V?HDB3图8.12 编码原理电路HDB3B?V?V-HDB3图8.13 编码示例波形图?HDB3?HDB3V脉冲检出RZ/NRZ变换汇总V脉冲B、V扣除NRZ＋V＋BNRZ码HDB3图8.14 译码原理框图

HDB3图8.15 译码原理电路20

HDB3译码电路完成编码的逆变换，关键之处是检出破坏点、取消“取代节”，即将“000V”或“B00V”还原成“0000”，其原理框图如图4.14所示。

HDB3译码电路主要由破坏点检出、取代节消除电路组成，原理电路如图4.15所示。 由图4.14和图4.15可知，在进入译码模块之前需要做两件事：第一，是对经过变压器后的双路HDB3码做极性变换，使之成为RZ码或NRZ码，这个工作可以由简单的电压比较器来完成。由双极性码变成单极性码，可以将该双极性码与一个固定的电平比如“0”电平做比较，高于这个参考电平输出为“1”码；低于这个参考电平，则输出为“0”码，这正是电压比较器的工作原理。当然，由于实际电路中存在噪声，我们的参考电平并不能简单的设置为“0”电平（或者是参考地GND），实际的值需要经调试才能确定。实验平台中极性变换的任务由高灵敏度线路接收芯片SN75107及其外围电路来完成。电压比较器的知识属于模拟电子线路，读者可以参考清华出版的《模拟电子技术基础》一书。

需要做的第二件事是：位同步提取。我们已经在第7章中介绍过用数字锁相环来提取位同步信号的方法。这里为大家介绍实验平台中采用的另外一种方法：滤波法。滤波法的原理框图如图4.16所示：全占空的基带随机脉冲序列，不论是单极性还是双极性的，当P(0)=P(1)=0.5时都没有fb、2fb等频率成分，因而不能直接滤波取出fb成分。但归零的单极性随机脉冲序列中包含有fb的成分，因此只要把基带信号作一些变换，变成单极性归零码，即可直接用窄带滤波器取出fb。如果发送的码型就是RZ码，那么就不需要进行波形变换了。实验平台中即采用了RZ格式的伪随机序列作为光路上传输的码型。因为我们传输的速率是2.048Mb/s，所以采用了频率为2.048Mb/s的石英晶体来完成窄带滤波。石英晶体可以滤波，读者不禁会问。的确，它不仅可以滤波，还可以被用来构成石英晶体正弦波振荡电路。对这一现象的解释，大家可以从模拟电子技术中找到。这里给大家一个简单的解释：我们知道LC回路能对特定的频率产生谐振，从而达到滤波的作用。有趣的是，晶体所固有的压电谐振效应与LC回路的谐振现象十分相似，从而使人们想到了利用晶体来获得高稳定度的谐振滤波。 让我们再回到位同步提取这个问题上来，所谓锁相法即用锁相环路替代一般窄带滤波器以提取位同步信号。锁相法的基本原理与载波同步类似，在接收端利用鉴相器比较接收码元和本地产生的位同步信号的相位，若两者相位不一致（超前或滞后），鉴相器就产生误差信号去调整位同步信号的相位，直至获得精确的同步为止。锁相环技术不仅可以用于同步时钟提取，还可以用于调频信号的解调等领域，它是一项实用性很强的技术。我们可以采用传统的模拟锁相环集成电路芯片，比如NE564、CD4046等进行模拟锁相，也可以利用PLD来实现数字锁相。实验平台中，可以运用这两种方式来实现2.048Mb/s信号的位同步提取，NE564可置于晶体滤波电路之后，用于形成位同步脉冲。我们也可以不需要模拟位同步提取电路，而是自行编写程序下载到PLD中以实现对接收2M信号的直接数字锁相。通过实验，大家将会发现，虽然数字锁相的电路结构简单，但是，由于时钟频率不够高而导致位同步时钟的抖动太大，不宜用于后续电路。采用晶体滤波器加上模拟锁相环芯片NE564提取位同步，虽然减少了系统的抖动，但是也增加了系统调试的难度。

本实验中HDB3编译码电路由PLD来实现，读者可以自行编写程序，也可以直接利用实验平台中所提供的程序。值得一提的是，要达到一个目的地往往有很多条道路可以走，实现

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某种码型的编译码同样如此。我们所提供的方案仅是抛砖引玉，更多更好的编译码程序希望大家自己去研发。古人云：书上得来终觉浅，绝知此事须躬行。只有自己尝试着编写并调试程序，才有可能真正深入了解PLD技术。

全占空码波 形变 换归零码窄带滤波器移 相脉冲位定时脉冲形成器图8.16 滤波器的原理方框图如图4.10所示，针对实验平台已有的电路与程序，我们还可以开设2M端机及电接口实验即HDB3与NRZ之间变换实验，它们之间的转换常称为双单变换。

五、实验步骤

双单变换实验步骤如下：

1、 实验平台加电并复位后，选择传输PN，将跳线XP401和XP500的1、2两脚连接起来，这样系统内部产生的本地2M伪随机序列将被送往数字光源驱动电路。用开关KS501选通数字光源驱动电路，这样2M信号将被发往光纤线路。光收模块甲选择MAX435作为主放大器或将之与AD603配合（可测试动态范围），放大输出后通过跳线器XP505选通至误码检测模块。

2、 跳线XP601的1、2两脚连接时，经过同步提取和判决后的信号将被送往误码测试，2、3两脚连接时，信号将被编成HDB3码输出。此时，应将跳线XP803和XP804的2、3两脚相连，这样编好的码字将经PE-64952合路输出。我们可以利用导线或同轴电缆将输出端XS802的信号送往2M电接口输入端XS801（注：即使跳线XP601的3脚空着，XS802仍能测试到编好的HDB3码，这是因为系统默认当XP601的3脚没有信号输入时其电平为0，所以编码模块将对0电平进行编码，这一点从XS802的波形中也可以看出），这就是所谓的环回测试。将跳线XP801和XP802的1、2两脚相连，此时输入的2M信号将被送往HDB3译码模块，读者可以在XP401的3脚测试到译码以后的PN伪随机序列，不妨将之与1、2两引脚所发送的PN伪随机序列比较，我们会发现它们相同。我们也可以比较XS802与XP401的信号，从而验证HDB3码的编译码规则。

本实验平台中还可以传输外界信号源产生的2M信号。

外接信号源从同轴XS801输入，此时跳线XP801和XP802的2、3两脚相连，分别将两路单极性码送往光发送模块，光发送模块甲中跳线XP500的2、3两脚相连，KS501选择数字光源驱动电路，将其中一路2M信号发往光纤；光发送乙模块中跳线XP506的9、10两脚相连，KS502选通数字光源驱动电路，将另一路2M信号发往光路；光接收模块均选择MAX435对信号进行放大，其输出通过跳线XP505和XP511选通至单双变换电路。此时将2M接口电

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路中，跳线XP803和XP804的1、2两脚相连，两路单极性的2M信号便合路成为HDB3码被送往外界。

六、实验结果分析

硬件方面，一般对实验数据、现象进行分析

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实验八：计算机串口数据光纤传输实验

实验学时：2 实验类型：（综合） 实验要求：（选修）

一、实验目的

1、了解232口的光传输特性。 2、串口数据光纤传输的用途。

二、实验内容

随着计算机网络的迅速发展，数据传输的业务量已经接近于传统的语音与图像传输。计算机是该网络中一种重要的信息终端，每台主机都通过各种接口与外界进行信息的交流。计算机对外的接口中按照传输方式来分，不外乎串行通信接口和并行通信接口两种。串行通信是在单根导线上将二进制数一位一位地顺序传送。它与并行通信相比，虽然速度低，但对远距离传送来说，可节省大量的线路成本。如串口（RS232）、网络接口（RJ45）和通用串行总线（USB）等都是采用串行通信方式的接口。串行通信适合远距离数据传输，如果能将接口信号引上光路，那么可以进一步增大传输的距离。因此，本节中想引入计算机中的光接口这一概念，将上述串行通信接口转化为光接口后，主机与外界之间通过标准的光接口进行信息的传输。目前，市场上已有的产品能够实现RS232接口转光接口和RJ45接口转光接口。

按信道利用方式的不同，串行通信有三种基本的传送方式：单工、半双工和全双工。单工传送方式，即是任何时刻数据只在一个方向流动；半双工就是通信的两个设备都可发送或接收数据，但它们不能同时发送；全双工则是两个设备能同时发送与接收数据。然而，对于一个点到点的光纤通信系统而言，一条光纤链路则只能实现单向传输。所以在实现信号从串行接口上光路传输的过程中，主要考虑的问题便是如何实现半双工传送。下面开始结合具体问题，进行具体分析。

集成串行发送器/接收器的输出信号（如MCS51的TXD线）通常为TTL电平（典型值为3伏左右），它不适合远距离传输。在早期人们为借助电话网进行远距离数据传送而设计制造了调制解调器（MODEM），为此就需要有关数据终端（如计算机）与MODEM之间的接口标准，EIA RS232C标准在当时就是为此目的而产生的。目前RS232C已成为数据终端设备DTE（如微机）与数据通信设备DCE（如MODEM）的接口标准，不仅在远距离通信中要经常用到它，就是两台计算机或设备之间的近距离串行连接也普遍采用RS232C接口。

EIA RS232C（EIA为美国电子工业协会缩写，RS意思为推荐标准，其英文为Recommended standard，232是一个标识号码，字母C表示该标准已被修改的次数）规定了一个25脚针状的连接器，实际只用了21个引脚，这些引脚信号见表8-1。

表4-1 RS-232-C引脚信号 引脚号 电路 1 2 3 4

方向 终端到MODEM MODEM到终端 终端到MODEM 24

说明 保护地 发送数据（TXD） 接收数据（RXD） 请求发送(RTS) AA BA BB CA 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 CB CC AB CF SCF SCB SBA DA SBB DD SCA CD C CE CH CI DA MODEM到终端 MODEM到终端 MODEM到终端 MODEM到终端 终端到MODEM 终端到MODEM MODEM到终端 MODEM到终端 MODEM到终端 终端到MODEM 终端到MODEM MODEM到终端 终端到MODEM 终端到MODEM或 MODEM到终端 终端到MODEM 清除发送（CTS） 数据装置准备好（DSR） 信号地（GND） 载波检测（DCD） 为测试保留 为测试保留 未指定 辅助接收线路信号检测 辅助信道清除发送 辅助信道发送数据 终端发送器时钟 辅助信道接收数据 调制解调器接收时钟 未定义 辅助信道请求发送 数据终端准备好（DTR） 信号质量检测 呼叫指示（RI） 数据信号速率选择 终端发送器时钟 未定义 尽管表中的信号很多，但在计算机和调制解调器的连接中通常仅用9个信号，见图4.7所示。下面对它们做一简单介绍：

2TXD2TXD，RXD：分别为发送数据和接收数据RXD33线。TXD即是计算机/终端的输出，又是调制解RTS44终端调器MODEM的输入；对RXD而言，则正好相CTS55反。 DSR66MODEM计算机RTS，CTS：其中RTS为请求发送，而CTSGND77为清除发送，它们涉及半双工通信。当有字符发DCD88送时，终端用RTS信号通知MODEM，当DTR2020MODEM可以接收DTE的数据而向传输线发送RI2222时就用CTS信号应答终端，此时发送才可开始。当进行全双工通信时，RTS和CTS线应保持恒图8.7 RS232接口的典型连接图定的接通电平。 图4.7 DTR：数据终端准备好。通常当终端/计算机一加电，该信号就有效，表明终端/计算机可用。

DSR：数据（通信）装置准备好。通常表示调制解调器MODEM已连到通信线路上，而且不是处于测试方式或断开状态。

DCD：载波检测。当远程调制解调器接收到正确的载波信号时，调制解调器向DTE发信号。DTE和MODEM在传送数据之前需要先收到DCD信号，在传输过程中DCD信号也应保持接通不变。

RI：振铃指示。在自动应答调制解调器中用它来指示MODEM正收到一个电话振铃信号。

/

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GND：信号地。它是其它信号的公共参考点。 RS232C除了规定连接信号的标准外，还规定了信号电平，即常说的RS232电平。对TXD和RXD线如下：传号MARK状态电平为-15~-5V；空号SPACE状态电平为+5~+15V。控制信号的接通电平规定为+5~+15V，而断开电平是-15~-5V。

需要说明，PC机中已用9芯针状连接器取代25芯针状连接器，9芯针包含了建立通信所必要数据信号和控制信号线，具体定义可以查阅相关资料。RS232所用连接器在我国工业标准中叫D型或DB型插件。

以上介绍的通信方式是传统的凭借MODEM来实现串口间远距离通信，其实质是：在用户侧，利用电话线进行模拟频带传输，出交换机后变为数字信号上数字信道传输。这种方式由于端到端之间要进行多次数模和模数变换，量化噪声所带来的影响将使数字传输的优越性得不到充分的发挥。为了使两个计算机之间的通信电路都是数字传输，下文介绍了一种使计算机中串口信号直接上光纤，从而进行远距离数字基带传输的具体实现方案。如图4.8所示，

234终端5TXDRXDRTSCTSDCDDTRDSRGND电平转换光发模块光收模块光收模块光发模块电平转换RXDTXDRTSCTSDCDDTRDSRGND324582067终端/计算机82067由于串口输出信号为RS232电平，而进入光发送模块所需的电平为TTL，因此需要进行电平

转换。本方案采用的电平转换器件是MAX232CPE，它既可以用于将TTL电平转换成RS232电平，又可以用于将RS232电平转换成TTL电平。经过电平转换后的信号可以直接由光发送模块送上光路。串口中，TXD和RXD是分开的，即采用单工传送方式，所以本方案中，用两对光收发模块来实现主机与终端间串行数据的传输。对于其它与建立连接有关的状态信号，则采用本端环回的措施以“欺骗”主机或外设：连接已经建立。

目前，已有三个标准用以弥补RS232C的不足，以获得更长的距离合更高速传输（RS232C的传输距离限制在50英尺以内，传输速率限制在20Kb/s以下）。这三个标准是RS-422、RS-423和RS-449。RS-422标准规定了双端（平衡式）电气接口特性，它的传输速率超过20Kb/s。RS-449提供了这种接口的机械连接标准。

实验平台中即采用了图4.8所示的方案来实现RS232接口上光路。实验表明：如果通信双方是主机与主机，则无需考虑建立连接所要用的信号，即可以采用图中所示，最简单的三线连接：信号线交叉，地相连。当实验速率为115.2kb/s通信能正常进行。可以猜想：这种通信方式的速率还可以上升，但所采用的电平转换芯片需要更高的转换速率，即该方案的速率限制源于电平转换。由于采用光纤传输，所以传输距离可以大大增加。但对于需要事先建立连接的业务，这种方案是否还存在弊端，尚未用实验证明。具体实验时，读者首先应如图建立数据光纤传输系统，然后可以自行编写串口调试程序（网站上有相当丰富的免费共享的VC程

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/计算机图8.8 RS232和光纤的互连图4.8

序源代码）对该系统进行调试，亦可考虑改变电平转换芯片，以提高电平转换速率，从而增加传输速率。

三、仪器、设备和材料

包括所需仪器设备、低值易耗品等。

四、实验原理

主要介绍实验原理，及实验原理图。

五、实验步骤

1、 正确连线：用串口连接线将两台主机的串口分别与实验平台中的串口相连，同数字语音光纤传输实验一样，连接好光收发模块甲，不同的是此时应将跳线XP505的5、6两脚相连。同理，串口实验也需要建立回路，此时依然是选择光收发模块乙构成回路，光发模块乙中KS502应选择数字光源驱动电路，跳线XP506的1、2相连；光收模块乙中跳线XP509的1、2两脚相连，XP511的1、2两脚相连，回路便建立了起来。

2、 实验平台加电后，复位系统并选择RS232，打开主机中的串口调试程序（可以选择串口精灵或其它调试程序，网上可以下载，我们亦可以提供），然后互相发送一个文本文件，我们会发现主机能够接收到对方发来的数据信息。传输过程中可能会产生误码，此时需要调节光接收模块的放大器MAX435的输入和输出，最重要的是调节可变电阻RP508和RP517使得输出信号直流电平高于“GND”的电平。测试点TP901至TP905可以探测到正在传输的数据的波形，我们可以发现计算机串口发送的数据不是连续的而是间或发几个脉冲。注如果只有一台PC机可以使其中一个串口的TX和RX用短接线相连，作环回。

计算机的网卡是使其能与外界联系的设备之一，它的接口是RJ45口，由4对8根差分信号线组成。实际通信中通常使用其中两对与10baseT相连（“10”代表10Mb/s的数据率，T代表双绞线星形网），一对用于接收，一对用于发送。双绞线是最古老但又是最常用的传输媒体。把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合（twist）起来就构成了双绞线。绞合可减少对相邻导线的电磁干扰。对于高速、远距离的传输而言，传统的双绞线相对于新兴的光缆要稍逊一筹。于是人们开始思考能否将10baseT转化为光纤，以扩大局域网的范围，提高其带宽。与之相关的IEEE协议有802.3及100BASE-X,下文将结合这两种协议来讨论如何实现双绞线与光缆之间的转换。

高速数字传输中，位同步的提取对于接收端信号的抽样判决很重要。为了便于位同步信号的提取，网卡中出来的信号经过了曼彻斯特编码，它的编码方法是将每一个码元再分成两个相等的间隔。码元1是在前一个间隔为高电平而后一个间隔为低电平。码元0则正好相反，从低电平变到高电平。这样一来，基带信号中长连0或长连1的问题就被解决了。在100BASE-FX标准中，信号的编码采用4B/5B-NRZI编码。NRZI即不归零1制（当“1”出现时信号电平在正值与负值之间变化一次），4B/5B编码就是将数据流中的每4bit作为一组，然后按编码规则将每一个组转换成5bit,其中至少有2个“1”，保证信号码元至少发生两次跳变。因此，我们设计的接口转换如图4.9所示：差分信号双单变换后，经过曼彻斯特解码后， 对其进行4B/5B-NRZI编码，然后上光发送模块发送至线路上去。接收信号经过光电转换，4B/5B-NRZI解码后，调制成曼彻斯特码进入网卡。该方案的具体实现可采用专用“10baseT/100baseT-FX”的芯片及其外围电路。也可以用独立的双/单变换芯片、并用可编

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程逻辑器件来实现编解码。采用这种方案使得成本降低，因为专用芯片中有一些功能对于仅仅实现传输而言是多余的。采用后者将遇到的主要的技术难点有用户侧的电平、阻抗匹配，即需要考虑双绞线的传输特性；第二是接收端的位同步提取，我们已能提取2Mb/s速率的数据流的位同步信息，但是随着速率的提高，用可编程逻辑器件实现位同步提取的难度也上升了。

TX+ 双/单变换曼彻斯特解码4B/5B-NRZI编码光发送TX- RX+ 双/单变换曼彻斯特编码4B/5B-NRZI解码光接收RX-

图图8.9 RJ45口转光纤4.9

通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）是一个比较理想的接口，它被设计成可以使

用简便有效的方法来与多种类型的外设通信，没有现有接口的局限性和缺点。如串口不支持热插拔，而USB外设即使在主机进入系统后，也可以被其识别。其体积小，信号连线简单实用，应有良好的应用市场。每一个新PC都有一对USB端口，可以将它们连接到主板、鼠标、扫描仪、磁盘驱动器、打印机以及各种标准或定制的硬件上。不贵的集线器可以为需要的外设增加更多的端口。现行的USB1.1标准可支持速率达1.5M字节每秒的数据通信。新出台的USB2.0标准将该接口的速率提高到上百兆，这样一来即使是带宽占用率较高的图像通信也可以考虑使用USB接口。目前市场上很多数字摄像头都采用了USB口输出，然而，USB线缆的有效传输距离仅为几米。如果我们希望加长摄像头与主机之间的距离，实现远距离图像传输的话，USB接口转光纤的问题便提了出来。

USB接口对外有四根导线，其中1，4为电源线（+5V供电），地线；2，3为差分信号线。光纤在USB外设与主机之间应实现透明传输，因此，我们主要考虑USB协议中有关物理层的描述。外设与主机之间开始传输数据之前，需要先经过一个被称之为列举的过程：首先，主机根据外设信号线上的电平来判断外设的存在与速率（USB设备有低速与全速之分），这就要求我们事先将D+或D-数据线接一上拉电阻，以让主机知道外设已经挂上。然后主机将对外设进行重置，分配地址等一系列操作，在这些过程之中，USB接口两根差分数据线上将呈现四种可能的状态：差分器1和0，空闲，单端0（对驱动器来说，D+，D-都是0.3V或更低；对接收器来说，都是0.8V或更低），其中单端0就被用来表示重启状态（两根数据线处于逻辑低至少10ms）和一帧的结束。众所周知，光纤可以传输数据流，但是如何传输单根数据线上的状态即一段时间内的直流电平，是一个值得研究的问题。

为了节省成本，我们考虑使用USB收发器，将双路信号变换为单路信号，满足这种接口电气特性的收发器有不少，但是如果信号线上出现的状态不是差分器1或0，而是空闲和单端0两种状态的话，光靠单路输出信号是无法判断的。于是在收发器芯片中还设计了两个测试引脚，通过它们的电平可以判断输入信号线的状态。然而，单凭收发一对纤是无法将这些传输过程中所必须的信息全部准确无误地传到对端的。这就是问题所在。看来想简单地透明化USB外设与主机之间的连接是不行的，我们必须提高光纤链路的智能。如何解决这一难题，还有待进一步研究。有兴趣的同学不妨也加入进来。

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六、实验结果分析

硬件方面，一般对实验数据、现象进行分析

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