光纖通信通信系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)

光纖通信通信系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn),光纖通信,通信,通訊,系統(tǒng),綜合,實(shí)驗(yàn),試驗(yàn) 課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告 課程名稱 光纖通信　　　　　 課題名稱 　 通信系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn) 　 一、設(shè)計(jì)內(nèi)容與設(shè)計(jì)要求 1、設(shè)計(jì)內(nèi)容 1）多路數(shù)據(jù)＋多路電話光纖綜合傳輸系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 2）多路數(shù)據(jù)＋多計(jì)算機(jī)＋單路圖像/語音全雙工光纖綜合傳輸系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 3）*多路計(jì)算機(jī)＋雙路圖像/語音全雙工光纖綜合傳輸系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 2、設(shè)計(jì)目的 掌握變速率時(shí)分復(fù)用的原理、實(shí)現(xiàn)方法； 學(xué)習(xí)并掌握計(jì)算機(jī)RS232通信技術(shù)； 掌握時(shí)分復(fù)用技術(shù)和波分復(fù)用技術(shù)的靈活搭配使用； 實(shí)現(xiàn)數(shù)字和語音同時(shí)通信。 3、實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備 1.光纖通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)2臺。 2.示波器1臺。 3.波分復(fù)用器2個(gè)。 4.電話2部。 5.FC/FC光纖跳線2根。 6.計(jì)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(gè)。 8.攝像頭1個(gè)。 9.監(jiān)視器1個(gè)（或用電話代替）。 4、設(shè)計(jì)原理 《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(shí)分復(fù)用、解固定速率時(shí)分復(fù)用、PCM編譯碼、波分復(fù)用等幾個(gè)子系統(tǒng)，具體的實(shí)驗(yàn)原理可以參看《光纖通信原理教學(xué)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書》中的實(shí)驗(yàn)二十一、實(shí)驗(yàn)二十四、實(shí)驗(yàn)二十五、實(shí)驗(yàn)二十的方法； 《多路數(shù)據(jù)＋多計(jì)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(shí)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(shí)傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)和模擬信號。一種解決方案綜合了《光纖通信原理教學(xué)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書》中的實(shí)驗(yàn)二十六、實(shí)驗(yàn)二十七、實(shí)驗(yàn)十六的知識； 《多路計(jì)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(shí)分復(fù)用、解固定速率時(shí)分復(fù)用、變速率時(shí)分復(fù)用、解變速率時(shí)分復(fù)用、位時(shí)鐘提?。〝?shù)字鎖相環(huán)DPLL）原理及實(shí)現(xiàn)五個(gè)實(shí)驗(yàn)，具體的實(shí)驗(yàn)原理可以參看《光纖通信原理教學(xué)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書》中的實(shí)驗(yàn)二十一、實(shí)驗(yàn)二十三、實(shí)驗(yàn)二十四、實(shí)驗(yàn)二十五、實(shí)驗(yàn)二十六、實(shí)驗(yàn)二十七。 5、設(shè)計(jì)要求 掌握結(jié)構(gòu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主體思想，以自下而上逐步完善的方法實(shí)現(xiàn)指定的通信系統(tǒng)功能，并按要求測試相關(guān)參數(shù)、波形等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以積累一些典型的通信子系統(tǒng)的功能、性能、參數(shù)等知識以及系統(tǒng)集成的知識。 (1)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)以小組為單位完成相關(guān)的系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)測試和記錄并進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆治觥? (2)按本任務(wù)書的要求，編寫《課程設(shè)計(jì)報(bào)告》（Word文檔格式）。并用A4紙打印并裝訂； 目 錄 一、課程設(shè)計(jì)題目 1 二、課程設(shè)計(jì)目的 1 三、課程設(shè)計(jì)主要任務(wù) 1 1、多路數(shù)據(jù)＋多路電話光纖綜合傳輸系統(tǒng)： 1 (1)PCM編譯碼原理及數(shù)字電話光纖傳輸子系統(tǒng) 2 (2)波分復(fù)用光纖傳輸系統(tǒng)（WDM） 3 (3)HDB3編譯碼原理及實(shí)現(xiàn) 5 (4)位時(shí)鐘提?。〝?shù)字鎖相環(huán)DPLL）原理及實(shí)現(xiàn) 6 (5)固定速率時(shí)分復(fù)用原理及實(shí)現(xiàn) 9 (6)解固定速率時(shí)分復(fù)用原理及實(shí)現(xiàn) 12 2、多路數(shù)據(jù)＋多計(jì)算機(jī)＋單路圖像/語音全雙工光纖綜合傳輸系統(tǒng) 14 (1)PN序列光纖傳輸系統(tǒng) 14 (2)變速率時(shí)分復(fù)用原理及實(shí)現(xiàn) 15 (3)解變速率時(shí)分復(fù)用原理及實(shí)現(xiàn) 18 四、實(shí)驗(yàn)設(shè)備 22 五、總體設(shè)計(jì)方案的選定 23 六、相關(guān)數(shù)據(jù)測試結(jié)果等實(shí)驗(yàn)報(bào)表以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析 25 七、收獲及體會 31 30 一、課程設(shè)計(jì)題目 （1）多路數(shù)據(jù)＋多路電話光纖綜合傳輸系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)； （2）多路數(shù)據(jù)＋多計(jì)算機(jī)＋單路圖像/語音全雙工光纖綜合傳輸系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。 二、課程設(shè)計(jì)目的 （1）掌握變速率時(shí)分復(fù)用的原理、實(shí)現(xiàn)方法； （2）學(xué)習(xí)并掌握計(jì)算機(jī)RS232通信技術(shù)； （3）掌握時(shí)分復(fù)用技術(shù)和波分復(fù)用技術(shù)的靈活搭配使用； （4）實(shí)現(xiàn)數(shù)字和語音同時(shí)通信。 三、課程設(shè)計(jì)主要任務(wù) 1、多路數(shù)據(jù)＋多路電話光纖綜合傳輸系統(tǒng)： 人們使用光纖系統(tǒng)承載數(shù)字電視、語音和數(shù)字是很普通的一件事，在商用與工業(yè)領(lǐng)域，光纖已成為地面?zhèn)鬏敇?biāo)準(zhǔn)。在軍事和防御領(lǐng)域，快速傳遞大量信息是大范圍更新?lián)Q代光纖計(jì)劃的原動力。盡管光纖仍在初期發(fā)展階段，但總有一天光控飛行控制系統(tǒng)會用重量輕、直徑小又使用安全的光纜取代線控飛行系統(tǒng)。光導(dǎo)纖維與衛(wèi)星和其他廣播媒體一起，代表著在航空電子學(xué)、機(jī)器人學(xué)、武器系統(tǒng)、傳感器、交通運(yùn)輸及其他高性能環(huán)境使用條件下的商用通信和專業(yè)應(yīng)用的新的世界潮流。 所以綜合了固定速率時(shí)分復(fù)用、解固定速率時(shí)分復(fù)用、PCM編譯碼、波分復(fù)用等幾個(gè)子系統(tǒng)。 (1)PCM編譯碼原理及數(shù)字電話光纖傳輸子系統(tǒng) 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) 本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的是A律PCM編譯碼集成電路TP3067其引腳及內(nèi)部框圖如圖所示。 Tp3067引腳定義 TP3067由發(fā)送和接收兩部分組成，其功能簡述如下。 發(fā)送部分： 包括可調(diào)增益放大器、抗混淆濾波器、低通濾波器、高通濾波器、壓縮A/D轉(zhuǎn)換器。抗混淆濾波器對采樣頻率提供30dB以上的衰減從而避免了任何片外濾波器的加入。階梯波產(chǎn)生器、逐次逼近寄存器（S· A· R）比較器以及符號比特提取單元等4個(gè)部分共同組成一個(gè)壓縮式A/D轉(zhuǎn)換器。S· A· R輸出的并行碼經(jīng)并/串轉(zhuǎn)換后成PCM信號。參考信號源提供各種精確的基準(zhǔn)電壓，允許編碼輸入電壓最大幅度為5VP-P發(fā)幀同步信號FSX為采樣信號。每個(gè)采樣脈沖都使編碼器進(jìn)行兩項(xiàng)工作：在8比特位同步信號BCLKX的作用下，將采樣值進(jìn)行8位編碼并存入逐次逼近寄存器；將前一采樣值的編碼結(jié)果通過輸出端DX輸出。在8比特位同步信號以后，DX端處于高阻狀態(tài)。 接收部分： 包括擴(kuò)張D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器。D/A轉(zhuǎn)換器由串/并變換、D/A寄存器組成、D/A階梯波形成等部分構(gòu)成。在收幀同步脈沖FSR上升沿及其之后的8個(gè)位同步脈沖BCLKR作用下，8比特PCM數(shù)據(jù)進(jìn)入接收數(shù)據(jù)寄存器(即D/A寄存器)，D/A階梯波單元對8比特PCM數(shù)據(jù)進(jìn)行D/A變換并保持變換后的信號形成階梯波信號。此信號被送到時(shí)鐘頻率為128KHZ的開關(guān)電容低通濾波器，此低通濾波器對階梯波進(jìn)行平滑濾波并對孔徑失真(sinx)/x進(jìn)行補(bǔ)償。 在通信工程中，主要用動態(tài)范圍和頻率特性來說明PCM編譯碼器的性能。 動態(tài)范圍的定義是譯碼器輸出信噪比大于25dB時(shí)允許編碼器輸入信號幅度的變化范圍。PCM編譯碼器的動態(tài)范圍應(yīng)大于圖6-6所示的CCITT建議框架（樣板值）。 當(dāng)編碼器輸入信號幅度超過其動態(tài)范圍時(shí)，出現(xiàn)過載噪聲，故編碼輸入信號幅度過大時(shí)量化信噪比急劇下降。TP3067編譯碼系統(tǒng)不過載輸入信號的最大幅度為5 Vp-p。由于采用對數(shù)壓擴(kuò)技術(shù)，PCM編譯碼系統(tǒng)可以改善小信號的量化信噪比，TP3067采用μ律13折線對信號進(jìn)行壓擴(kuò)。13折線壓擴(kuò)特性曲線將正負(fù)信號各分為8段，第1段信號最小，第8段信號最大。當(dāng)信號處于第一、二段時(shí)，量化噪聲不隨信號幅度變化，因此當(dāng)信號太小時(shí)，量化信噪比會小于25dB，這就是動態(tài)范圍的下限。TP3067編譯碼系統(tǒng)動態(tài)范圍內(nèi)的輸入信號最小幅度約為0.025Vp-p。 常用1KHz的正弦信號作為輸入信號來測量PCM編譯碼器的動態(tài)范圍（1KHz的正弦波在模擬信號源中產(chǎn)生）。語音信號的抽樣信號頻率為8KHZ，為了不發(fā)生頻譜混疊，常將語音信號經(jīng)截止頻率為3.4KHZ的低通濾波器處理后再進(jìn)行A/D處理。TP3067編碼器的低通濾波器和高通濾波器決定了編譯碼系統(tǒng)的頻率特性，當(dāng)輸入信號頻率超過這兩個(gè)濾波器的頻率范圍時(shí)，譯碼輸出信號幅度迅速下降。這就是PCM編譯碼系統(tǒng)頻率特性的含義。 (2)波分復(fù)用光纖傳輸系統(tǒng)（WDM） 光波具有很高的頻率，利用光載波作為信息載體進(jìn)行通信，具有巨大的可用帶寬。對石英光纖，其低損耗窗口總寬度約200nm，帶寬25000GHz（25THz）。但實(shí)際光波系統(tǒng)中由于光纖色散和電路速率的限制，其通信速率限制在10Gb/s或者更小。為了充分利用光纖的頻帶資源，提高光波系統(tǒng)的通信容量，采用了如下幾種復(fù)用技術(shù)： ① 光波分復(fù)用（WDM） 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(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。可以單向傳輸，也可以雙向傳輸。 根據(jù)信道間隔的大小，光波分復(fù)用技術(shù)可分為三種，即稀疏的WDM、密集的WDM和致密的WDM，后者也叫做光頻分復(fù)用（PFDM）。 有三種傳輸形式：雙模擬信號、模擬信號＋數(shù)字信號、雙數(shù)字信號。 ② 時(shí)分復(fù)用（OTDM） OTDM方式的工作原理與電時(shí)分復(fù)用方式相似，只是在光域進(jìn)行復(fù)用和解復(fù)用處理，即將光信號按照一定的幀結(jié)構(gòu)傳輸，將一幀光信號時(shí)間T劃分為n個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙為T/n，第1，2，…，n路的時(shí)隙依次排列，每個(gè)時(shí)隙只傳輸固定的信道。每個(gè)信道的時(shí)間位置可以通過延時(shí)器來調(diào)整。光時(shí)分復(fù)用方式的缺點(diǎn)是需要比復(fù)雜的光器件，而且色散影響比別的復(fù)用方式嚴(yán)重，這是因?yàn)镺TDM信號對帶寬的要求高。 ③ 光碼分復(fù)用（OCDM） 光碼分復(fù)用技術(shù)在原理上與電碼分復(fù)用技術(shù)相似，并與之對應(yīng)。OCDM系統(tǒng)給每個(gè)用戶分配唯一的一個(gè)正交碼的碼字作為該用戶的地址碼，對要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息用該地址碼進(jìn)行光編碼，實(shí)現(xiàn)信道復(fù)用。在接收端用發(fā)送端相同的地址碼進(jìn)行光解碼，實(shí)現(xiàn)用戶間的通信。OCDM技術(shù)通過直接光編碼和光解碼，實(shí)現(xiàn)光信道的復(fù)用和信號交換，能較好地發(fā)揮光纖信道頻帶寬的潛力，同時(shí)具有動態(tài)分配帶寬、網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展容易、多址連接和控制靈活方便、網(wǎng)管簡單、保密性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適合于實(shí)時(shí)性要求高、速率高的寬帶通信系統(tǒng)。 ④ 空分復(fù)用（SDM） 空分復(fù)用是每根光纖只用于一個(gè)方向的信號傳輸，雙向通信則需要有一對光纖，即光纖數(shù)量加倍，目前的實(shí)際光通信系統(tǒng)多工作于這種方式。顯然，N對光纖可以增加N從的傳輸容量，不同系統(tǒng)的光波長相互獨(dú)立。由于光纜都包含有多根光纖在內(nèi)，因而可以認(rèn)為空分復(fù)用是最早、最簡單的光波復(fù)用方式。 ⑤ 方向分割復(fù)用（DDM） 方向分割復(fù)用是采用一對光的方向耦合器（即定向耦合器），分別配置于收發(fā)端用來分離收發(fā)兩個(gè)方向的信號，從而實(shí)現(xiàn)一根光纖的同波長雙向傳輸，當(dāng)然不同波長就更沒問題了。由于方向耦合器引起的近端串音會限制傳輸距離，因而方向分割復(fù)用方式只限于短距離傳輸。光方向分割復(fù)用（DDM）方式系統(tǒng)構(gòu)成示意圖如下： 其中，WDM光波系統(tǒng)是高速全光傳輸中傳輸容量潛力最大的一種多信道復(fù)用方案，本實(shí)驗(yàn)采用1310nm和1550nm的光波進(jìn)行波分復(fù)用。 (3)HDB3編譯碼原理及實(shí)現(xiàn) ①HDB3碼簡介 HDB3碼是三階高密度碼的簡稱。在數(shù)字電話中，HDB3碼作為基帶傳輸中的一種重要線路碼碼型，其特點(diǎn)是： 1）、由HDB3碼確定的基帶信號無直流分量，且只有很小的低頻分量。 2）、HDB3中連0串的數(shù)目至多為3個(gè)，易于提取定時(shí)信號。 3）、編碼規(guī)則復(fù)雜，但譯碼較簡單。 ②HDB3碼編碼規(guī)則： 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(gè)連“0”碼時(shí)，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(shí)，再用B00V，000V取代節(jié)的安排要滿足以下兩個(gè)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(gè)傳號碼的極性相同（為了在接收端能識別出哪個(gè)是原始傳號碼，哪個(gè)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(gè)要求能同時(shí)滿足時(shí)，用000V代替原二進(jìn)制碼序列中的4個(gè)“0”（用000V+或000V-）；而當(dāng)上述兩個(gè)要求不能同時(shí)滿足時(shí)，則改用B00V（B+00V+或B-00V-，實(shí)質(zhì)上是將取代節(jié)000V中第一個(gè)“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(gè)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 1 HDB3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 –1 從上例可以看出兩點(diǎn)： （1）、當(dāng)兩個(gè)取代節(jié)之間原始傳號碼的個(gè)數(shù)為奇數(shù)時(shí)，后邊取代節(jié)用000V；當(dāng)兩個(gè) 取代節(jié)之間原始傳號碼的個(gè)數(shù)為偶數(shù)時(shí)，后邊取代節(jié)用B00V （2）、V碼破壞了傳號碼極性交替出現(xiàn)的原則，所以叫破壞點(diǎn)；而B碼未破壞傳號碼極性交替出現(xiàn)的原則，叫非破壞點(diǎn)。 ③HDB3解碼規(guī)則 雖然HDB3碼的編碼規(guī)則比較復(fù)雜，但譯碼卻比較簡單。從上述原理看出，每一個(gè)破壞符號V總是與前一非0符號同極性（包括B在內(nèi)）。這就是說，從收到的符號序列中可以容易地找到破壞點(diǎn)V于是也斷定V符號及其前面的3個(gè)符號必是連0符號，從而恢復(fù)4個(gè)連0碼，再將所有－1變成＋1后便得到原消息代碼。 (4)位時(shí)鐘提?。〝?shù)字鎖相環(huán)DPLL）原理及實(shí)現(xiàn) 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(shí)鐘之間的相位誤差對本地估算時(shí)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(shí)鐘相位跟蹤輸入信號相位的目的。DPLL 通常有三個(gè)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(gè)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(jì)的要求，本實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)。在LL－ DPLL中，DLF 用雙向計(jì)數(shù)邏輯和比較邏輯實(shí)現(xiàn)，DCO 采用加扣脈沖式數(shù)控振蕩器。這樣設(shè)計(jì)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(diǎn)。DPLL實(shí)現(xiàn)框圖如下： 鑒相器 濾波器 數(shù)控振蕩器 下面就對數(shù)字鎖相環(huán)的各個(gè)組成模塊的詳細(xì)功能、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及對外接口信號： A.超前－滯后型數(shù)字鑒相器 與一般DPLL 的DPD的設(shè)計(jì)不同，位同步DPLL 的DPD需要排除位流數(shù)據(jù)輸入連續(xù)幾位碼值保持不變的不利影響。LL－DPD為二元鑒相器，在有效的相位比較結(jié)果中僅給出相位超前或相位滯后兩種相位誤差極性， 而相位誤差的絕對大小固定不變。LL－DPD通常有兩種實(shí)現(xiàn)方式： 微分型LL－DPD和積分型LL－DPD。積分型LL－DPD具有優(yōu)良的抗干擾性能，而它的結(jié)構(gòu)和硬件實(shí)現(xiàn)都比較復(fù)雜。微分型LL－ DPD 雖然抗干擾能力不如積分型LL－DPD， 但是結(jié)構(gòu)簡單，硬件實(shí)現(xiàn)比較容易。本實(shí)驗(yàn)采用微分型LL－DPD， 將環(huán)路抗噪聲干擾的任務(wù)交給DLF模塊負(fù)責(zé)。 LL－DPD模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)與對外接口信號 如圖2所示，LL－DPD在ClkEst跳變沿(含上升沿和下降沿)處采樣DataIn上的碼值， 寄存在Mem中。在ClkEst下降沿處再將它們對應(yīng)送到兩路異或邏輯中，判斷出相位誤差信息并輸出。Sign 給出相位誤差極性，即ClkEst相對于DataIn是相位超前(Sign=1)還是滯后(Sign=0)。AbsVal 給出相位誤差絕對值：若前一位數(shù)據(jù)有跳變，則判斷有效，以AbsVal輸出1表示；否則，輸出0表示判斷無效。 下圖顯示了LL－DPD模塊的仿真波形圖。 LL－DPD模塊輸入輸出關(guān)系 B.數(shù)字環(huán)路濾波器(DLF) DLF用于濾除因隨機(jī)噪聲引起的相位抖動，并生成控制DCO 動作的控制指令。本實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的DLF內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其對外接口信號如下圖所示。 DLF模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)與對外接口信號 濾波功能用加減計(jì)數(shù)邏輯CntLgc實(shí)現(xiàn)，控制指令由比較邏輯CmpLgc生成。在初始時(shí)刻，CntLgc被置初值M/2。前級LL－DPD模塊送來的相位誤差PhsDif在CntLgc中作代數(shù)累加。在計(jì)數(shù)值達(dá)到邊界值0或M后，比較邏輯CmpLgc將計(jì)數(shù)邏輯CntLgc同步置回M/2，同時(shí)相應(yīng)地在Deduct或Insert引腳上輸出一高脈沖作為控制指令。隨機(jī)噪聲引起的LL－DPD相位誤差輸出由于長時(shí)間保持同一極性的概率極小，在CntLgc中會被相互抵消，而不會傳到后級模塊中去，達(dá)到了去噪濾波的目的。計(jì)數(shù)器邏輯CntLgc的模值M 對DPLL的性能指標(biāo)有著顯著地影響。加大模值M，有利于提高DPLL的抗噪能力，但是會導(dǎo)致較大的捕捉時(shí)間和較窄的捕捉帶寬。減小模值M 可以縮短捕捉時(shí)間，擴(kuò)展捕捉帶寬，但是降低了DPLL的抗噪能力。根據(jù)理論分析和調(diào)試實(shí)踐，確定M為1024，圖中計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)線寬度w可以根據(jù)M確定為10。 C.數(shù)控振蕩器(DCO) DCO的主要功能是根據(jù)前級DLF模塊輸出的控制信號Deduct和Insert生成本地估算時(shí)鐘ClkEst，這一時(shí)鐘信號即為DPLL恢復(fù)出來的位時(shí)鐘。同時(shí)，DCO還產(chǎn)生協(xié)調(diào)DPLL內(nèi)各模塊工作的時(shí)鐘，使它們能夠協(xié)同動作。要完成上述功能，DCO 應(yīng)有三個(gè)基本的組成部分：高速振蕩器(HsOsc)、相位調(diào)節(jié)器(PhsAdj)、分頻器(FnqDvd)，如下圖所示。 DCO模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)與對外接口信號 高速振蕩器(HsOsc)提供高速穩(wěn)定的時(shí)鐘信號Clk64MHz，該時(shí)鐘信號有固定的時(shí)鐘周期，周期大小即為DPLL 在鎖定狀態(tài)下相位跟蹤的精度，同時(shí)，它還影響DPLL 的捕捉時(shí)間和捕捉帶寬?？紤]到DPLL 工作背景的要求，以及盡量提高相位跟蹤的精度以降低數(shù)據(jù)接收的誤碼率，取HsOsc輸出信號Clk64MHz的周期為15.625ns，即高速振蕩器HsOsc的振蕩頻率為64MHz。 PhsAdj在控制信號Deduct和Insert上均無高脈沖出現(xiàn)時(shí)，僅對Osc輸出的時(shí)鐘信號作4分頻處理，從而產(chǎn)生的Clk16MHz時(shí)鐘信號將是嚴(yán)格16MHz 的。當(dāng)信號Deduct 上有高脈沖時(shí)，在脈沖上升沿后，PhsAdj會在時(shí)鐘信號Clk16MHz的某一周期中扣除一個(gè)Clk64Mhz時(shí)鐘周期，從而導(dǎo)致Clk16MHz時(shí)鐘信號相位前移。當(dāng)在信號Insert上有高脈沖時(shí)，相對應(yīng)的處理會導(dǎo)致Clk16MHz時(shí)鐘信號相位后移。下圖為相位調(diào)節(jié)器單元經(jīng)功能編譯仿真后的波形圖。 DCO模塊相位調(diào)節(jié)器PhsAdj單元輸入輸出關(guān)系 引入分頻器FnqDvd的目的主要是為DPLL中DLF模塊提供時(shí)鐘控制，協(xié)調(diào)DLF與其它模塊的動作。分頻器FnqDvd用計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)，可以提供多路與輸入位流數(shù)據(jù)有良好相位同步關(guān)系的時(shí)鐘信號。在系統(tǒng)中，分頻器FnqDvd提供8路輸出ClksSyn[7..0]。其中，ClksSyn1即為本地估算時(shí)鐘ClkEst，也即恢復(fù)出的位時(shí)鐘；ClksSyn0即為DLF模塊的計(jì)數(shù)時(shí)鐘ClkCnt，其速率是ClkEst的兩倍，可以加速計(jì)數(shù)，縮短DPLL 的捕捉時(shí)間，并可擴(kuò)展其捕捉帶寬。 (5)固定速率時(shí)分復(fù)用原理及實(shí)現(xiàn) 在實(shí)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(gè)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(gè)或兩個(gè)以上的支路數(shù)字信號按時(shí)分復(fù)接方式合并成為單一的合路數(shù)字信號。數(shù)字復(fù)接器由定時(shí)、調(diào)整和復(fù)接單元所組成。定時(shí)單元的作用是為設(shè)備提供統(tǒng)一的基準(zhǔn)時(shí)間信號，備有內(nèi)部時(shí)鐘，也可以由外部時(shí)鐘推動。調(diào)整單元的作用是對各輸入支路數(shù)字信號進(jìn)行必要的頻率或相位調(diào)整，形成與本機(jī)定時(shí)信號完全同步的數(shù)字信號。復(fù)接單元的作用是對已同步的支路信號進(jìn)行時(shí)間復(fù)接以形成合路數(shù)字信號。 復(fù)接方式： 將低次群復(fù)接成高次群的方法有三種；逐比特復(fù)接；按碼字復(fù)接：按幀復(fù)接。在本實(shí)驗(yàn)中，由于速率固定，信息流量不大，所以我們所應(yīng)用的方式為按碼字復(fù)接，下面我們把這種復(fù)接方式作簡單介紹，對于其他兩種方式將在以后的實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行介紹。 按碼字復(fù)接：對本實(shí)驗(yàn)來說，速率固定，信息結(jié)構(gòu)固定，每8位碼代表一“碼字”。這種復(fù)接方式是按順序每次復(fù)接1個(gè)信號的8位碼，輸入信息的碼字輪流被復(fù)接。復(fù)接過程是：首先取第一路信息的第一組“碼字”，接著取第二路信息的第一組“碼字”，再取第三信息的第一組“碼字”，輪流將3個(gè)支路的第一組“碼字”取值一次后再進(jìn)行第二組“碼字”取值，方法仍然是：首先取第一路信息的第二組碼，接著取第二路信息的第二組碼，再取第三路信息的第二組碼，輪流將3個(gè)支路的第二組碼取值一次后再進(jìn)行第三組碼取值，依此類推，一直循環(huán)下去，這樣得到復(fù)接后的二次群序列（d）。這種方式由于是按碼字復(fù)接，循環(huán)周期較長，所需緩沖存儲器的容量較大，目前應(yīng)用的很少。 按碼字復(fù)接示意圖 固定速率時(shí)分復(fù)用包含數(shù)字信號源、復(fù)接器兩個(gè)部分。 1.數(shù)字信號源。 八位并行數(shù)據(jù) 八位并行數(shù)據(jù) 八位并行數(shù)據(jù) 八位并行數(shù)據(jù) 八選一 74l51 八選一 74l51 八選一 74l51 八選一 74l51 其中74LS151的真值表如下： C B A Z 0 0 0 0 x0 0 0 1 0 x1 0 1 0 0 x2 0 1 1 0 x3 1 0 0 0 x4 1 0 1 0 x5 1 1 0 0 x6 1 1 1 0 x7 Φ Φ Φ 1 0 其中，A、B、C的信號由光端FPGA給出，波形如下圖所示： 、、、始終為“0”，保持四片74151始終用信號輸出： 2.復(fù)接器 復(fù)接器是由FPGA實(shí)現(xiàn)的，其框圖為： 定時(shí) 復(fù)接 調(diào)整 四路輸入 其中，在固定速率時(shí)分復(fù)用時(shí)，先要對四路輸入信號進(jìn)行時(shí)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。 (6)解固定速率時(shí)分復(fù)用原理及實(shí)現(xiàn) 解固定速率時(shí)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(gè)部分，其框圖如下： 分解器 因?yàn)橐宦窋?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(gè)n位的巴克碼，每個(gè)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(jì)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(gè)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(jì)算結(jié)果如下 當(dāng)j = 0時(shí)： 當(dāng)j = 1時(shí)： 當(dāng)j = 2時(shí)： 同樣可以求出j = 3、4、5、6、7，以及j = -1、-2、-3、-4、-5、-6、-7時(shí)R（j）的值為 j=0 R(j)=7 j=±1, ±3, ±5, ±7, R(j)=0 j=±2, ±4, ±6 R(j)=-1 根據(jù)上式計(jì)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(shí)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 2、多路數(shù)據(jù)＋多計(jì)算機(jī)＋單路圖像/語音全雙工光纖綜合傳輸系統(tǒng) 視頻圖像采集的方法較多，基本可分為2大類：數(shù)字信號采集和模擬信號采集。前者采用圖像采集芯片組完成圖像的采集、幀存儲器地址生成以及圖像數(shù)據(jù)的刷新；除了要對采集模式進(jìn)行設(shè)定外，主處理器不參與采集過程，我們只要在相應(yīng)的幀存儲器地址取出采集到的視頻數(shù)據(jù)即可得到相應(yīng)的視頻數(shù)據(jù)，這種方法，無論在功能、性能、可靠性、速度等各方面都得到了顯著的提高，但成本高。后者采用通用視頻A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)圖像的采集，其特點(diǎn)是數(shù)據(jù)采集占用CPU的時(shí)間，對處理器的速度要求高，成本低、易于實(shí)現(xiàn)，能夠滿足某些圖像采集系統(tǒng)的需要。 擬實(shí)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(shí)傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)和模擬信號。 (1)PN序列光纖傳輸系統(tǒng) PN碼也稱偽隨機(jī)序列。它具有近似隨機(jī)序列(噪聲)的性質(zhì)，而又能按一定規(guī)律(周期)產(chǎn)生和復(fù)制的序列。因?yàn)殡S機(jī)序列是只能產(chǎn)生而不能復(fù)制的，所以稱其是“偽”的隨機(jī)序列。常用的偽隨機(jī)序列有m序列、M序列和R－S序列。 本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是采用的m序列作為偽隨機(jī)序列。m序列即長線性反饋移位寄存器序列的簡稱。 帶線性反饋邏輯的移位寄存器設(shè)定各級寄存器的初始狀態(tài)后，在時(shí)鐘觸發(fā)下，每次移位后各級寄存器狀態(tài)會發(fā)生變化。觀察其中一級寄存器（通常為末級）的輸出，隨著移位時(shí)鐘節(jié)拍的推移會產(chǎn)生一個(gè)序列，稱為移位寄存器序序列?？梢园l(fā)現(xiàn)，移位寄存器序列是一種周期序列，其周期不但與移位寄存器的級數(shù)有關(guān)，而且與線性反饋邏輯有關(guān)。 本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用了如下的邏輯關(guān)系： ? ? D D D D 輸出 PN序列的波形如下： CLK PN序列 光端FPGA模塊中有兩路PN序列輸出，其中TP720是7位32Kbit/s的NRZ碼，TP718是15位256Kbit/s的NRZ碼。 (2)變速率時(shí)分復(fù)用原理及實(shí)現(xiàn) 變速率時(shí)分復(fù)用的框圖如下： 碼速調(diào)整 按位復(fù)接 時(shí)鐘源 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(shí)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(gè)支路已經(jīng)同步的信碼流和四位巴克碼復(fù)接成一個(gè)高速率的信號。輸出信號的速率為2048kbit/s。 時(shí)鐘源：　　 為整個(gè)復(fù)接電路提供穩(wěn)定的時(shí)鐘信號。 逐比特復(fù)接也叫逐位復(fù)接。逐位復(fù)接的示意圖如下圖所示。(a)、(b)、(c)、(d)是4個(gè)被復(fù)接支路的信號(基群數(shù)字信號)，(e)是復(fù)接后的數(shù)字信號。復(fù)接過程是這樣的：首先取第一基群的第一位碼，接著取第二基群的第一位碼，再取第三基群的第一位碼，再取第四基群的第一位碼，輪流將4個(gè)支路的第一位碼取值一次后再進(jìn)行第二位碼取值，方法仍然是：首先取第一基群的第二位碼，接著取第二基群的第二位碼，再取第三基群的第二位碼，輪流將4個(gè)支路的第二位碼取值一次后再進(jìn)行第三位碼取值，依此類推，一直循環(huán)下去。這樣得到的圖中(e)序列就是復(fù)接后的二次群序列?？梢钥闯觯瑥?fù)接后每位碼的寬度只是原來支路每位碼寬度的1／4，換言之，容量增加了4倍。復(fù)接時(shí)，緩沖存儲器是不可少的，其原因可由圖4-1看出：當(dāng)復(fù)接器在復(fù)接第二、第三和第四基群的第一位碼時(shí)，第一基群的第二位碼，第三位碼……不斷送來，而這些碼位要等第四基群的第一位碼復(fù)接完了才能復(fù)接它們。因此，每個(gè)基群都需要存儲器先把它們存儲起來。由于是按位復(fù)接，循環(huán)周期不長，存儲器所需的容量不大，制作比較簡單。緩沖存儲器的容量由下式?jīng)Q定： 式中u為復(fù)接單位的比特?cái)?shù)。上圖中每次復(fù)接一位，即u=1；m為被復(fù)接的基群數(shù)，這里m=4。這樣二次群復(fù)接器所需的容量M為： 式中的1bit是先寫進(jìn)去以便讀出的存儲起始撞，3／4是讀第二、三、四基群的第一位碼時(shí)最低所需存儲容量?？梢姡彌_存儲器的容量取2bit就夠了。 按位復(fù)接簡易原理框圖： 變速率時(shí)分復(fù)用和固定速率時(shí)分復(fù)用主要區(qū)別在于變速率時(shí)分復(fù)用采用了按位復(fù)接的方式而固定速率時(shí)分復(fù)用采用的是按碼字復(fù)接。按位復(fù)接設(shè)備簡單，但是信號的完整性比較差。按碼字復(fù)接信號完整性好，但設(shè)備較復(fù)雜，所需緩沖存儲器的容量較大，目前應(yīng)用的很少。 正碼速調(diào)整原理： 碼速調(diào)整有三種方式：正碼速調(diào)整；正／負(fù)碼速調(diào)整；正／零／負(fù)碼速調(diào)整。 ITU—T推薦使用正碼速調(diào)整和正／零／負(fù)碼速調(diào)整方式。我國大部分復(fù)用設(shè)備采用正碼速調(diào)整方式，也有采用正／零／負(fù)碼速調(diào)整方式的。 目前應(yīng)用的多是“脈沖插入同步”方式，這種方式是利用插入脈沖的方法來實(shí)現(xiàn)調(diào)整的。 所謂正碼速調(diào)整就是將被復(fù)接的低次群的碼速都提高，使其同步到某一規(guī)定的較高的碼速上。例如在PCM基群的數(shù)碼率標(biāo)稱值都是2 048kb／s，但由于各個(gè)獨(dú)立的時(shí)鐘源總是存在偏差，因此，可根據(jù)復(fù)接幀的要求，確定脈沖的插入數(shù)目，使每個(gè)基群的數(shù)碼率均由2 048kb／s填充到所要求的數(shù)碼率，二次群復(fù)接時(shí)為2112kb／s。這樣，碼速都提高了，又達(dá)到了相互同步的目的。由于是用提高碼速來使其同步，故稱為正碼速調(diào)整。 在系統(tǒng)中，首先對輸入的四路信號按一定速率進(jìn)行編碼，以便使四路信號速率的標(biāo)稱值相同，編碼方式可以采用多種方式（如CMI、DMI，5B6B，4B1H等等），然后再對編碼后的信號進(jìn)行脈沖插入同步的正碼速調(diào)整，下面，我們對正碼速調(diào)整中插入脈沖部分的原理作簡單介紹，而去插入脈沖部分將在下一實(shí)驗(yàn)中說明： 采用脈沖插入同步的正碼速調(diào)整的原理如下圖所示。該圖只繪出一個(gè)支路的碼速調(diào)整插入部分情況，去插入部分和復(fù)接部分沒有繪出。 脈沖插入同步方式插入部分的原理示意圖 (a) 方框圖；(b)支路輸入數(shù)碼流fi，(c)碼速調(diào)整后的數(shù)碼流fm; 基群輸入的數(shù)字信號先寫入到一個(gè)緩沖存儲器，寫入速率是編碼速率，讀出時(shí)鐘頻率則是碼速調(diào)整后的速率fm，而fm>fi，所以存儲器是讀得快寫得慢，即存儲器處于“快讀慢寫”狀態(tài)?？熳x慢寫會出現(xiàn)什么結(jié)果呢?從圖(b)和(c)可以看出，第1個(gè)脈沖經(jīng)過一段時(shí)間后讀出，第2個(gè)脈沖的讀出，其經(jīng)過的時(shí)間長度比前者要短一些，因讀出速度比寫入速度快，以后的寫入與讀出時(shí)間差，即相位差愈來愈小，在第6個(gè)脈沖時(shí)兩者相位差已很小，即將出現(xiàn)取空狀態(tài)，當(dāng)相位差小到一定程度時(shí)，由相位比較器(在緩沖存儲器中)發(fā)出插入請求，要求插入脈沖控制電路發(fā)出一個(gè)插入指令，停止一次讀出，同時(shí)在此瞬間插入一個(gè)脈沖，如圖中虛線位置所示。 插入脈沖是不攜帶信息的，所以在接收端應(yīng)把它去掉，為此，發(fā)送端在插入脈沖的同時(shí)，必須發(fā)出一個(gè)標(biāo)志信號通知接收端，據(jù)此判別出哪些是插入脈沖，然后把它去掉以恢復(fù)原始信號。 (3)解變速率時(shí)分復(fù)用原理及實(shí)現(xiàn) 分接端的原理框圖如圖5-1所示。 分接器 CMI譯碼 單元 各組成模塊的功能說明如下： 分接器： 把輸入信號分接成4咱，分路送入緩沖存儲器。 數(shù)字鎖相環(huán)： 從輸入信號中提取定時(shí)信息，為其他模塊提供時(shí)鐘。 幀同步碼提?。簽榉纸悠魈峁叫盘? 去插入原理介紹： 去插入原理示意圖如下圖所示。 同步脈沖去插入原理示意圖 （a）方框圖；（b）碼速調(diào)整后的數(shù)碼流fm； （c）扣除插入脈沖后的接收信號；（d）恢復(fù)后的原數(shù)碼流fi 在接收端，當(dāng)收到發(fā)送端的標(biāo)志信號后，它連同信號一起通過一個(gè)標(biāo)志信號檢出電路而被檢出，因而產(chǎn)生一個(gè)“消插指令”，把寫入脈沖禁掉一個(gè)，也就是不使插入脈沖寫入存儲器。如圖(c)所示，即原虛線所示的位置空著了。 這時(shí)，數(shù)碼與原來的數(shù)碼次序一樣(因已扣除了插入脈沖)，但時(shí)間間隔是不均勻的，中間有間隙。因此，在接收端，要恢復(fù)原數(shù)碼，必須從圖(c)波形中，提取時(shí)鐘fi，即是將已去掉插入脈沖的數(shù)碼流均勻化。這一任務(wù)用一個(gè)鎖相環(huán)來完成。 鎖相環(huán)框圖如圖5-3所示。由鑒相器、壓控振蕩器和低通濾波器組成。壓控振蕩器的輸出是讀出時(shí)鐘fi，相位為θ0。鑒相器有兩個(gè)輸入信號：一個(gè)是寫入時(shí)鐘fm，它是已扣除插入脈沖的序列，其相位為θi；另一個(gè)是壓控振蕩器的輸出fi。鑒相器將兩信號進(jìn)行相位比較，鑒相器的輸出電壓ud與它們的相差θe成比例，經(jīng)過低通濾波器濾出的直流成分uc，即為其平均值。uc作為VCO的控制電壓，通過環(huán)路的作用，使fi與fm同步，即振蕩器振蕩在平均頻率fi上，使讀出脈沖的間隔均勻了。 圖5-3 收端讀出脈沖均勻化 (a) fm(已扣除塞入脈沖)；(b) fm(寫入)；(c) fi(讀出)；(d) ud=kdθe 為了使塞入脈沖的塞入和去塞入更可靠一些，往往采用定位塞入法。而塞入脈沖的標(biāo)志信號往往是與幀同步信號一起傳送，這時(shí)數(shù)據(jù)信道與信息信道合成為一個(gè)信道。綜上所述，接收端工作過程要點(diǎn)如下： 1、 定時(shí)再生電路再生fm，作為寫入時(shí)鐘。 2、 由插入脈沖檢測電路檢測出插入脈沖后，發(fā)出扣除插入脈沖指令，把寫入脈沖禁掉一個(gè)，即不使插入脈沖寫入存儲器。 3、 將已扣除塞入脈沖的fm送到鎖相環(huán)鑒相器，通過鎖相環(huán)的作用，獲得讀出時(shí)鐘fi，即恢復(fù)為原來支路的頻率fi。 4、 由于鎖相環(huán)的存在，不可避免要產(chǎn)生抖動。下面討論正碼速調(diào)整的基本參數(shù)： 設(shè) fb為標(biāo)稱復(fù)接比特率；fL為標(biāo)稱支路比特率； m為支路數(shù)； K為每幀中對應(yīng)每個(gè)支路的非信息比特?cái)?shù)； G為每幀中對應(yīng)每個(gè)支路的信息比特?cái)?shù)。 則有： a、幀長LF 幀長表示每幀中信息比特與非信息比特的總和為 LF＝m(G+K) （式5-1） b、幀頻fF 幀頻fF表示每單位時(shí)間內(nèi)的幀數(shù)， （式5-2） c、標(biāo)稱碼速調(diào)整速率fs(fi) 標(biāo)稱碼速調(diào)整速率fs也稱為標(biāo)稱插入速率，是當(dāng)支路速率與復(fù)接速率都等于標(biāo)稱值時(shí)，插入的調(diào)整比特的速率。 （式5-3） d、每支路最大碼速調(diào)整頻率fsMAX。 或 （式5-4） 式中IV是每幀每支路可用于碼速調(diào)整的比特?cái)?shù)。 e、標(biāo)稱碼速調(diào)整比S S是標(biāo)稱碼速調(diào)整速率與每支路最大調(diào)整速率之比： （式5-5） f、正碼速調(diào)整的基本關(guān)系式 由（式5-1）得： （式5-6） 由（式5-5）得： （式5-7） 將式(3.7)代入式(3.6)可得： (式5-8) 式(3.8)就是正碼速調(diào)整的基本關(guān)系式，其中，支路比特速率fL、復(fù)接比特率fb和支路數(shù)m都是已知量。幀長LF對應(yīng)每個(gè)支路的非信息比特?cái)?shù)K及標(biāo)稱碼速調(diào)整比S是基本設(shè)計(jì)量。在這三個(gè)設(shè)計(jì)量中通常取幀長LF做自變量。每取一個(gè)LF值即可按基本公式求得左端的數(shù)值，該數(shù)值的整數(shù)部分就是K值，小數(shù)部分就是S值。 四、實(shí)驗(yàn)設(shè)備 1.光纖通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)2臺。 2.示波器1臺。 3.波分復(fù)用器2個(gè)。 4.電話2部。 5.FC/FC光纖跳線2根。 6.計(jì)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(gè)。 8.攝像頭1個(gè)。 9.監(jiān)視器1個(gè)（或用電話代替）。 五、總體設(shè)計(jì)方案的選定 WDM 1550nm 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(shí)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(shí)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 DPLL CMI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 固定速率時(shí)分復(fù) 用模塊 計(jì)算 機(jī)一 計(jì)算 機(jī)二 計(jì)算 機(jī)三 數(shù)字信號源 變速率時(shí)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 WDM 1310nm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(shí)分復(fù)用模塊 計(jì)算 機(jī)一 計(jì)算 機(jī)二 計(jì)算 機(jī)三 固定速率時(shí)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(jì)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 六、相關(guān)數(shù)據(jù)測試結(jié)果等實(shí)驗(yàn)報(bào)表以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析 1. 兩路語音信號的波形 從電話甲和乙模塊輸入與輸出的信號都是模擬信號，波形大致如下： 沒有通話波形： 通話狀態(tài)波形： 經(jīng)過PCM編碼后的波形成了脈沖信號，波形大致如下： 分析：通過使用示波器測量各個(gè)點(diǎn)的信號可以知道，在電話的通信過程中，電話模塊中輸出和輸入的模擬信號的幅度會伴隨著通話波動，而經(jīng)過PCM調(diào)制后，脈沖信號伴隨通話有一些顫動，波形亮度會有一點(diǎn)點(diǎn)的變化。PCM通信系統(tǒng)發(fā)送端通常由抽樣、量化和編碼三部分組成,其中量化和編碼共同完成模擬到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。模擬信號進(jìn)過PCM編碼后就成了脈沖信號，也就是數(shù)字信號了，在接收端進(jìn)過 PCM解碼，又將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換到模擬信號，然后送到電話機(jī)中。 2. 4路數(shù)字信號源波形圖： 4路數(shù)字信號通過變速率的時(shí)分復(fù)用，然后進(jìn)行HDB3的編譯碼和擾碼和CMI的編譯碼，最終進(jìn)入到接收端，可以看到接收端收到了發(fā)送端所發(fā)送的數(shù)據(jù)，下面是4路數(shù)字信號的波形圖： 圖 2-1 第一路數(shù)字信號的波形 圖 2-2 固定時(shí)分復(fù)用后的波形 圖 2-3 HDB3編碼后波形 圖 2-4 擾碼編碼輸出波形 圖 2-5 CMI編碼后信號波形 分析：四路數(shù)字信號通過固定速率的時(shí)分復(fù)用后進(jìn)入hdb3編碼模塊，然后進(jìn)入光端的hdb3譯碼，再經(jīng)過擾碼編碼和CMI編碼，送光纖發(fā)送端發(fā)送。然后經(jīng)過發(fā)送端響應(yīng)的譯碼模塊譯碼，就能夠解復(fù)用出原始信號。 3.由于有些波形不好讀取，采用手工繪制如下： ①固定速率時(shí)分復(fù)用波形圖： （111110001010101011100010010110） ②HDB3編碼波形圖： （+1-1+1-10+10-10+1-1+1-100+100-1+1-1000+10v+-100-v0） ③HDB3譯碼波形圖： （1111110101011110010011100010100000） 分析：hdb3編碼是改進(jìn)型的AMI編碼，ＡＭＩ碼是用交替極性的脈沖表示碼元“１”，用無脈沖表示碼元“０”。而hdb3編碼就是為了防止信號中出現(xiàn)長時(shí)間的餓無脈沖狀態(tài)，hdb3是一種4零取代法編碼，當(dāng)出現(xiàn)4個(gè)或以上的零時(shí)，則視情況將第一個(gè)零變?yōu)椤?”或“1”來，同時(shí)保證數(shù)據(jù)電平仍然就有翻轉(zhuǎn)的特性。在接收端，如果相繼接收到兩個(gè)極性相同的“１”它的前面有３個(gè)連續(xù)的“０”則將后一個(gè)“１”改為“０”如果它的前面有２個(gè)連續(xù)的“０”，則將前后兩個(gè)“１”改為“０”，這樣就恢復(fù)了原來的數(shù)據(jù)信號。從上面波形中可以看出，譯碼后的數(shù)據(jù)波形相對于編碼后的波形有幾個(gè)周期的滯后，這是由于硬件上的處理所導(dǎo)致的，但可以看出經(jīng)過譯碼后的波形與編碼前的波形相同，說明信號可以被完全恢復(fù)出來。 4.圖像信號的傳輸 通過攝像頭采集的圖像數(shù)據(jù)通過光纖傳輸?shù)奖O(jiān)視器，所看到的畫面如下： 分析：通過調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)箱上模擬信號輸入端旋鈕，控制模擬信號的輸入，同時(shí)調(diào)節(jié)信號接收端的旋鈕使視頻信號達(dá)到最清晰。從畫面的質(zhì)量可以看出，發(fā)送端發(fā)送的圖像信號在接收端被很好的恢復(fù)出來了。從上面的圖像中可以看出，圖像信號（模擬信號）能夠很好的通過光纖傳送到接收端，同時(shí)4路數(shù)字信號也通過波分復(fù)用在在光纖中傳輸。 6.兩臺計(jì)算機(jī)之間的RS232通信： 圖 7-1 計(jì)算機(jī)甲（左）和乙（右）的數(shù)據(jù)傳送圖 分析：從上面兩幅圖中，可以看到兩臺計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)能夠通過正常進(jìn)行。發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)能夠在接收端很好的恢復(fù)回來。說明數(shù)字信號能夠在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中經(jīng)過一系列的編碼、譯碼，然后通過光纖進(jìn)行波分復(fù)用傳送到接收端，再經(jīng)過一系列的譯碼，進(jìn)入計(jì)算機(jī)串口，通過串口助手顯示出來。 七、收獲及體會 通信系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)成功的完成了，課程設(shè)計(jì)的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的在光纖總的混合傳輸， 雖然只有兩個(gè)星期的時(shí)間，但在這個(gè)短短的時(shí)間內(nèi)我確實(shí)學(xué)到了很多的知識，深刻的鞏固了前面對與光纖通信的理論學(xué)習(xí)。同時(shí)我要感謝X老師，李老師的細(xì)心指導(dǎo)，沒有這兩位老師的知道我想我肯定不能夠完成這次課程設(shè)計(jì)。 現(xiàn)在社會科學(xué)技術(shù)告訴發(fā)展，特別是在虛擬數(shù)據(jù)處理中顯得尤為突出，在這些數(shù)據(jù)傳輸和處理的過程中，人們一直都在研究，如何才能利用有限的線路和帶寬資源來傳送盡可能多的數(shù)據(jù)，來降低數(shù)據(jù)傳輸和處理的成本，滿足人們的日常生活需要。在不斷研究的過程中，人們發(fā)現(xiàn)光纖具有很高的出傳輸帶寬，同時(shí)還能夠抗電磁干擾，防竊聽的有點(diǎn)。同時(shí)在信息高速公路的快速發(fā)展引導(dǎo)下，對網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求越來越高，光纖的搞帶寬正好能夠滿足圖像和視頻數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求，隨著光纖通信技術(shù)的不斷發(fā)展，所以相信在以后的信息發(fā)展道路上，光纖通信有這空前的成果。 在本次課程設(shè)計(jì)的過程中，整個(gè)過程都是很困難的，原因就是因?yàn)橄惹皩饫w通信的原理學(xué)習(xí)得不夠深入，沒有能夠從真正意義上了解光纖通信，同時(shí)也反應(yīng)了自己對通信原理方面的知識不夠了解，很多的編碼的實(shí)現(xiàn)以及功能，和有點(diǎn)都不知道，而且連基本的實(shí)現(xiàn)方法都忘記掉了，所以說這條路上是一路艱辛，困難重重。不懂原理就不會知道一個(gè)信號進(jìn)入編碼模塊后，應(yīng)該會有一個(gè)什么樣的信號輸出。也不知道怎么去排除問題。什么是時(shí)分解復(fù)用原理我都不知道，后來通過網(wǎng)上資料的查詢才知道，原來時(shí)分復(fù)用與解復(fù)用是為了提高信道利用率，使多路已抽樣的信號組合起來沿同一信道傳輸而互相不干擾，稱時(shí)分多路復(fù)用（TDM）。時(shí)分復(fù)用的解調(diào)過程稱為時(shí)分解復(fù)用。目前采用較多的是頻分多路解復(fù)用和時(shí)分多路解復(fù)用。 還有時(shí)分復(fù)用中有一個(gè)非常關(guān)鍵的技術(shù)——同步技術(shù)，同步技術(shù)是為了保證接收端能夠很好的將復(fù)用的各個(gè)信號調(diào)解出來，恢復(fù)成原來的信號，如果沒有同步技術(shù)，那么接收端將不可能準(zhǔn)確提取復(fù)用信號中的信號。同步可分為載波同步、位同步、幀同步和網(wǎng)同步幾大類型。他們在通信系統(tǒng)中都具有相當(dāng)重要的作用。時(shí)分解復(fù)用通信中的同步技術(shù)包括位同步(時(shí)鐘同步)和幀同步，這是數(shù)字通信的又一個(gè)重要特點(diǎn)。時(shí)分解復(fù)用的電路原理就是先通過幀同步信號和位同步信號把各路信號數(shù)據(jù)分開,然后通過移位寄存器構(gòu)成的并/串轉(zhuǎn)換電路輸出串行的數(shù)據(jù)，把時(shí)分復(fù)用的調(diào)制信號不失真的分離出來。這個(gè)我就在課程設(shè)計(jì)的時(shí)候中遇到了，在做4路數(shù)字信號的傳輸?shù)臅r(shí)候，在進(jìn)行擾碼編碼時(shí)就發(fā)現(xiàn)沒有信號輸出，想了好久也不知道是怎么回事，開始以為是系統(tǒng)的硬件問題，后面經(jīng)過老師的知道發(fā)現(xiàn)，并不是硬件的問題，而是自己有一個(gè)時(shí)鐘信號沒有接上，導(dǎo)致系統(tǒng)不能夠正常的工作，所以沒有波形的輸出。在后面的接收端也存在同樣的問題，經(jīng)過光纖傳輸后，CMI譯碼模塊沒有輸出，接上時(shí)鐘信號后，波形就出來了。這里的一個(gè)很關(guān)鍵的地方在于系統(tǒng)沒有同步信號，從而不能完成響應(yīng)的編譯碼工作，可見在數(shù)字通信系統(tǒng)中定時(shí)（同步）信號是多么的重要。只有在系統(tǒng)獲得正確的同步信號后，系統(tǒng)才能夠?qū)?shù)據(jù)在接收端恢復(fù)出來。 雖然找到了這些屬于的概念，不過自己對這些東西還不是怎么了解，所以在課程設(shè)計(jì)中還是存在很多的問題，有好幾個(gè)功能都沒有能夠?qū)崿F(xiàn)出來，如四路數(shù)字信號的傳輸就沒有實(shí)現(xiàn)，這四路數(shù)字信號經(jīng)過固定速率的時(shí)分復(fù)用后，再進(jìn)入HDB3編譯碼、擾碼、CMI編碼后，信號就出現(xiàn)了比較大的失真，不知道是系統(tǒng)本身的問題還是自己沒有調(diào)制好，但條了好久還是沒有能夠整出個(gè)好一點(diǎn)的波形來，在進(jìn)過光纖的復(fù)用傳輸?shù)浇邮斩撕?，信號進(jìn)行CMI解碼就出現(xiàn)了問題了，CMI譯碼輸出沒有信號，調(diào)了好久也還是沒有信號，最后在田老師的幫助下，終于能夠有信號了，但是信號的質(zhì)量很差。后來進(jìn)過擾碼解碼、HDB3編譯碼后，在解復(fù)用輸出端就沒有信號了，最終也沒有調(diào)出信號來，這個(gè)應(yīng)該是設(shè)備本身的問題了。在后面的計(jì)算機(jī)串口通信中也出現(xiàn)了很多的問題，都是在田老師的幫助下，才慢慢排查的。 通過這個(gè)課程設(shè)計(jì)，我真的學(xué)到了很多的知識，那就是在問題出現(xiàn)的時(shí)候應(yīng)該如何去分析和解決問題。在數(shù)據(jù)傳送的調(diào)試過程中，很多的點(diǎn)都會出現(xiàn)沒有信號的現(xiàn)象，出現(xiàn)了問題并不可怕，關(guān)鍵是如何去解決這些問題。當(dāng)一個(gè)點(diǎn)沒有信號時(shí)候，我們可以采用源端分析的方法進(jìn)行逐步排查，直到檢查出故障所在；也可以采用從故障點(diǎn)向上分析，找到出故障的點(diǎn)，然后分析是調(diào)試問題、線路問題還是設(shè)備的問題。這種分析和解決問題的方法在以后的工作和生活中都是很有用的。同時(shí)要加強(qiáng)自己獨(dú)立分析問題和解決問題的能力，因?yàn)閷砜赡懿粫腥讼駥W(xué)校的老師一樣耐心的幫你解決你所遇到的問題，你必須通過自己的大腦和雙手來解決。 同時(shí)我深刻地意識到自己平時(shí)的學(xué)習(xí)是怎么的不認(rèn)真，一些很基本的知識都沒有掌握，看來自己的學(xué)習(xí)態(tài)度是有待糾正和提高了。通過這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實(shí)踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能提高自己的實(shí)際動手能力和獨(dú)立思考的能力。 最后，我要感謝X老師和X老師，沒有你們的耐心輔導(dǎo)，我是不可能完成本次課程設(shè)計(jì)的。真的非常感謝你們，你們的敬業(yè)精神也是我這次課程設(shè)計(jì)的所得，以后我走上工作崗位后，也要以你們的敬業(yè)精神為榜樣，認(rèn)真做好自己的工作。 參考資料 a. <<實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)叢書>> b. 光纖通信(第3版) ISBN:704011173 作者:Gerd Keiser 出版社:高等教育出版社 c. 光纖通信(第三版) 出版社:電子工業(yè)出版社 ISBN:750537637 作者:（美）凱澤 d. 書名:光纖通信系統(tǒng)(修訂版) ISBN:756351299 作者:顧畹儀 李國瑞 出版社:北京郵電大學(xué)出版社