光纖通信課程設(shè)計報告書

..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XX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TOC\o"1-3"\h\u110211、實驗?zāi)康?13412、實驗內(nèi)容143433、實驗儀器與設(shè)備1271624、實驗原理1130594.1、多路數(shù)據(jù)＋多路光纖綜合傳輸系統(tǒng)總體框圖 1317754.1.1Pcm編碼模塊 3141324.1.2光波分復(fù)用模塊 3319794.1.3變速率時分復(fù)用模塊 3226124.1.4HDB3編碼模塊 4194854.2、多路數(shù)據(jù)＋多計算機＋單路圖像圖像/語音全雙工光纖綜合傳輸系統(tǒng) 5316574.2.1固定速率時分復(fù)用模塊 6136924.2.2視頻信號源模塊 6130704.3多路計算機＋雙路圖像/語音全雙工光纖綜合傳輸系統(tǒng) 7276184.3.1位時鐘提取模塊9216924.3.2解固定速率時分復(fù)用模塊9103365、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11272115.1多路數(shù)據(jù)＋多路光纖綜合傳輸系統(tǒng) 11306475.1.1接線步驟11309425.1.2測試結(jié)果12205665.2多路數(shù)據(jù)＋多計算機＋單路圖像圖像/語音全雙工光纖綜合傳輸系統(tǒng) 15295955.2.1接線步驟1575425.2.2實驗結(jié)果16205665.3多路計算機＋雙路圖像/語音全雙工光纖綜合傳輸系統(tǒng) 18293955.3.1接線步驟1841245.3.2測試結(jié)果19239526、心得體會19197067、評分表 20..1、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)＋多路光纖綜合傳輸系統(tǒng)的實現(xiàn)多路數(shù)據(jù)＋多計算機＋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＋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。4.2部。5.示波器2臺。6.計算機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。9.攝像頭1個。10.監(jiān)視器1個〔或用代替。4、實驗原理4.1多路數(shù)據(jù)＋多路光纖綜合傳輸系統(tǒng)《多路數(shù)據(jù)＋多路光纖綜合傳輸系統(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)。WDMWDM1550nm光收模塊1310nm光發(fā)模塊PCM編碼解復(fù)用模塊甲乙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電端甲乙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譯碼模塊擾碼模塊DPLLCMI編碼模塊電端光端WDM圖1《多路數(shù)據(jù)＋多路光纖綜合傳輸系統(tǒng)》框圖4.1.1Pcm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：光接收機光接收機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,multiplexer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)整碼速調(diào)整按位復(fù)接時鐘源4.1.4HDB3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:10000101000001110000000001HDB3碼序列:V+-1000V-+10–1B+00V0–1+1–1000V-B+00V+0–14.2多路數(shù)據(jù)＋多計算機＋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＋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)用模塊固定速率時分復(fù)用模塊計算機一計算機二計算機三數(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譯碼模塊乙/視頻終端解擾碼模塊解變速率時分復(fù)用模塊計算機一計算機二計算機三固定速率時分復(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2《多路數(shù)據(jù)＋多計算機＋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)整前調(diào)整后調(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。4.2.2視頻信號源模塊視頻信號的帶寬為0～6Mhz相對于語音信號的0～3Khz來說寬了許多,因此光發(fā)射機和光接收機的要求更加嚴(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＋雙路圖像/語音全雙工光纖綜合傳輸系統(tǒng)《多路計算機＋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、位時鐘提取〔數(shù)字鎖相環(huán)DPLL原理及實現(xiàn)五個實驗甲/甲/視頻信號源1550nm光發(fā)模塊計算機一計算機二計算機三變速率時分復(fù)用模塊HDB3編碼模塊擾碼模塊CMI編碼模塊1310nm光發(fā)模塊HDB3譯碼模塊電端光端計算機四HDB3編碼模塊1310nm光收模塊CMI譯碼模塊乙/視頻終端解擾碼模塊解變速率時分復(fù)用模塊計算機一計算機二計算機三HDB3譯碼模塊光端電端計算機四HDB3編碼模塊WDM1310nm光收模塊CMI譯碼模塊甲/視頻終端解擾碼模塊解變速率時分復(fù)用模塊計算機八計算機七計算機六HDB3譯碼模塊光端電端計算機五1550nm光收模塊WDMWDMWDM1550nm光收模塊1550nm光發(fā)模塊乙/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)用模塊計算機八計算機七計算機六計算機五光端電端圖3《多路計算機＋雙路圖像/語音全雙工光纖綜合傳輸系統(tǒng)》框圖4.3.1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)<LL－DPLL>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=0R<j>=7j=±1,±3,±5,±7,R<j>=0j=±2,±4,±6R<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j＝0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：八位移位寄八位移位寄存器八位鎖存器數(shù)字信號源顯示終端測試結(jié)果及分析5.1多路數(shù)據(jù)＋多路光纖綜合傳輸系統(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)1310nm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。甲乙兩路同時摘起,按其中一路的數(shù)字鍵,在另一部的聽筒聽是否有撥號音。5.1.1接線步驟甲連線方式甲〔模擬語音信號輸出P514—P500————→PCM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P644—P505————→PCM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P637—P504————→PCM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P503—P643————→PCM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〔PCM編碼復(fù)用輸出端P638—P506————→PCM編譯碼模塊一〔PCM譯碼輸入PCM編譯碼模塊一〔PCM譯碼輸出P501—P515————→甲〔模擬語音信號輸入乙連線方式乙〔模擬語音信號輸出P516—P512————→PCM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P644—P510————→PCM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P637—P511————→PCM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P507—P642————→PCM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〔PCM編碼解復(fù)用輸出端P639—P509————→PCM編譯碼模塊二〔PCM譯碼輸入PCM編譯碼模塊二〔PCM譯碼輸出P513—P517————→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P641—P100————→1310nm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P106—P640————→PCM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)果兩臺機可以進(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編碼信號輸出圖9光端CMI譯碼輸出5.2多路數(shù)據(jù)＋多計算機＋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上的串口和實驗系統(tǒng)中計算機接口模塊一的J402,在計算機上運行軟件"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>P300—P741————→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>P301—P740————→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>P302—P739————→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>P303—P738————→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P742—P603————→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P720—P602————→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P614—P618————→電端FPGA〔HDB3編碼信號輸入電端FPGA〔HDB3編碼信號輸出一P617—P800————→2M接口一〔電平變換信號輸入一電端FPGA〔HDB3編碼信號輸出二P616—P802————→2M接口一〔電平變換信號輸入二2M接口一〔電平變換信號輸出P801—P803————→2M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P805—P622————→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P804—P621————→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P805—P624————→電端FPGA〔數(shù)字鎖相環(huán)信號輸入電端FPGA〔HDB3譯碼信號輸出P620—P626————→電端FPGA〔幀同步提取信號輸入電端FPGA〔HDB3譯碼信號輸出P620—P632————→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P636—P745————→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--P744————→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發(fā)來的信息。5.3多路計算機＋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使電視機的圖像效果達(dá)到最好。接線步驟數(shù)字信號源模塊<數(shù)字信號源一>P300—P741————→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>P301—P740————→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>P302—P739————→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>P303—P738————→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P742—P603————→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P720—P602————→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P614—P618————→電端FPGA〔HDB3編碼信號輸入電端FPGA〔HDB3編碼信號輸出一P617—P800————→2M接口一〔電平變換信號輸入一電端FPGA〔HDB3編碼信號輸出二P616—P802————→2M接口一〔電平變換信號輸入二2M接口一〔電平變換信號輸出P801—P803————→2M接口一〔電平反變換信號輸入2M接口一〔電平