光纤通信原理

实验32　光纤通信原理

1966年，英籍华裔学者高锟（C.K.Kao）提出了利用光纤进行信息传输的可能性和技术

途径，从而揭开了现代光通信——光纤通信的序幕。光纤通信是指以光纤为传输介质，以光为载波来传递信息，实现通信的一种通信方式。自20世纪70年代后期研究起步以来，光纤通信仅经历十余年时间即实现了由实验室研究向市场的转换，并取得迅速发展，已逐步取代有线电通信，成为公认的最具发展前途的通信手段。

与电通信相比，光纤通信具有以下优点：带宽宽，传输的信息量大；传输损耗小，无中继距离长且误码率小；光纤质量轻、体积小；抗干扰性能好，光泄漏小，保密性能好；节约金属材料，有利于资源合理使用。目前，光纤通信技术不断地创新和发展：光纤从多模发展到单模；工作波长从850nm发展到1310nm和1550nm；传输码率从几十Mb/s发展到几十Gb/s；超大容量的密集波分复用（DWDM，Dense Wavelength Division Multiplexing）光纤通信系统和超长距离的光孤子（Soliton）通信系统正走入市场。

【实验目的】

（1）掌握伪随机码换成CMI码的线路编码、解码方法；

（2）了解数字、模拟光纤通信系统原理。

【实验仪器】

ZYE4301C型光纤通信原理实验箱，20M示波器，电话机。

【实验原理】

光纤通信系统包括发射、传输、接收等基本功能模块（如图5-32-1）。信息源将用户信息（话音、图像、数据等）转化为原始电信号，这种信号称为基带信号。电发射机把基带信号转换为适合信道传输的信号。不管是数字系统，还是模拟系统，输入到光发射机带有信息的电信号，都是通过调制转换为光信号的。光载波经光纤传输到远方接收端，再经过适当的解调从载波中取出用户需要的信息。

图5-32-1　光纤通信系统的基本组成

在整个通信系统中，在光发射机之前和光接收机之后的电信号段，光纤通信所用的技术和设备与电缆通信相同，不同的只是由光发射机、光纤线路和光接收机所组成的基本光纤传输系统替代了电缆传输。

1.数字光纤通信

根据光信号的调制方式，可将光纤通信系统分为模拟通信和数字通信两种形式。对于数字通信，主要的调制方式是脉冲编码调制（PCM，Pulse-Code-Modulation）。即对一个连续的模拟信号（音频或视频信号）首先进行时间间隔抽样，以信号幅度的抽样值组成的脉冲序列来表征原模拟信号，这个过程称为“信号取样”。为了利用二进制数字信号“0”和“1”进行信息传输，需要对离散信号的脉冲振幅进行量化，以有限个量化电平来表示信号的振幅。例如，抽样信号的某个幅值进行量化后为“7”，则对该量化幅值进行编码为“0111”，则通信时，只须发送“0111”脉冲码组，即可把量化的抽样脉冲幅值送给接收端。上述整个过程就称为“PCM编码”，图5-32-2是PCM编码原理图。接收端只须对接收信号进行PCM解码、滤波就可以得到原模拟信号。

图5-32-2　PCM编码原理图

在实际的光纤通信系统中，PCM信号并不直接对光源进行强度调制，而是要经输入接口转换，将PCM信号的码型转换为适合于调制光源的线路码。实际上最后在光纤中进行传输的光信号就是线路码。

我国所采用的数字通信线路码标准制式有两种：HDB₃码（Third Order High Density Bipolar Codes，三阶高密度双极性码）和CMI码（Code Mark Inversion，信号反转码）。所谓三阶，即最大允许连“0”数位3个。在光纤通信系统中，从电发射机输出的是适合于电缆传输的双极性码（Bipolar Codes）。由于光源不可能发射负光脉冲，因而HDB₃码不能作为光纤数字通信的线路码。因此必须进行码型变换，以适合于数字光纤通信系统传输要求的单极性码。数字光纤通信系统普遍采用二进制二电平码，即“有光脉冲”表示“1”码，“无光脉冲”表示“0”码，信息不包含在脉冲波形中，所以一般噪声不影响传输质量，只有在抽样和判决过程中，当噪声超过一定阈值，才产生误码。

数字光纤通信系统常用的线路码型有：扰码、mBnB码和插入码。所谓mBnB码是把输入

的二进制原始码流进行分组，每组有m个二进制码，记为mB，称为一个码字。然后把一个码字变换为n个二进制码，记为nB。最简单的mBnB码是1B2B码（曼彻斯特码）。CMI码属于1B2B码，是一种伪双极性码。

CMI码的编码规则：输入码型“1”交替地以“00”和“11”表示，而“0”固定用“01”表示。

CMI解码与编码过程相反：如果输入的是“11”或“00”则输出为“1”，如果输入为“10”或“01”，则输出为“0”。伪随机码的CMI码型变换过程如图5-32-4所示。

图5-32-3　伪随机码的CMI码型变换过程

2.模拟光纤通信

模拟光纤通信系统是一种通过光纤信道传输模拟信号的通信系统，目前主要用于模拟电视传输。和数字光纤通信系统不同，模拟光纤通信系统采用参数大小连续变化的信号来代表信息，要求在电/光转换过程中信号和信息存在线性对应关系。数字通信系统用参数取值离散的信号（如脉冲的有和无、电平的高和低等）来代表信息，强调的是变换过程中信号与信息之间的一一对应关系。

模拟通信系统中调制可以分为三类：一类是模拟基带直接光强调制：由基带信号直接调制光源。得到的光信号直接在光纤中传输，这种传输方式称为基带传输。另一类是模拟间接光强调制：对基带信号先进行电的预调制，把基带信号的频谱搬移到适合信道传输的频率范围内，然后再用这个预调制的电信号加到光源上进行强度调制，这种传输方式称为频带传输。第三类是频分复用光强调制：将多路的模拟基带信号分别对某个对应的指定射频（RF）电信号进行调幅或调频，然后用组合器把多个预调RF信号组合成多路宽带信号，再用这种多路宽带信号对发射机光源进行光调制。

【实验内容与步骤】

1.熟悉信号发生器输出的各类时钟信号

TP101：2.048MHz的方波信号，作为PCM编译码电路的主时钟信号；

TP104：8kHz的窄脉冲信号，作为PCM编译码的帧同频信号和脉冲产生电路的波形；

TP105：2kHz的方波信号，作为正弦波产生电路的输入信号；

TP107：8kHz的方波信号，作为三角波产生电路的输入信号；

TP109：64kHz的方波信号，作为输出信号的时钟；

TP110：15位伪随机码，000011101100101。

2.CMI码型变换

中央CPU控制单元输入键盘有12个功能键，其中“脉冲波”、“方波”、“CMI”、“PN”、“数字电话”、“PCM”键为数字键盘。在做数字信号光传输实验时，用此6个功能键，若再做数字信号与模拟信号的光传输实验时，则再加上“三角波”、“正弦波”、“外输入”、“模拟电话”4个模拟信号功能键。具体操作：进行数字电话光传输实验时，按下“数字电话”键后，再按下“确认”键，这时，CPU接通与数字电话有关的模拟电路、数字电路、光发系统和光收系统单元电路。实验结束后，再按一下“复位”键，使系统重新工作。

本实验电路的伪随机码为15位PN码，键盘选中CMI状态，K702跳线应接CMI，PA401应抬起表示数字信号光传输通道接通。这时，编码电路接收来自信号源的15位伪随机码——单极性非归零码（NRZ，Non-return-zero Codes），并把这种码性变换为CMI码送至光发射单元。TP109、TP110、TP114接点分别是时钟信号、15位伪随机码型、CMI码型的输出端口。用示波器观测三个测量端口的波形，并画出它们的波形，检查结果是否符合CMI码的编码规则。

TP504为CMI码经光纤传输后的输出端口，比较CMI码传输前（TP114）以及经光纤传输后（TP504）的信号传输质量。TP507为经过解码电码后把CMI码还原为15位伪随机码的输出端口，用示波器观测TP504和TP507的波形，并画出它们的波形图，验证结果是否符合CMI码的解码规则。

3.光发射实验

本实验光源采用半导体激光二极管（LD，Laser Diode）。做数字信号光传输实验时，自锁开关PA401抬起，TP401为数字脉冲信号输入到光发射机的端口，数字信号可以是PCM码、PN码、CMI码、脉冲波、方波等。TP402为驱动半导体光源的数字信号。用示波器观察各端口的数字信号，并画出它们相应的波形。

做模拟实验时，自锁开关PA401按下，TP404为模拟信号输入到光发射机的端口，模拟信号可以为正弦波、三角波等。TP405为驱动半导体光源的模拟信号。用示波器观察各端口的模拟信号，并画出它们相应的波形。

4.光接收实验

光接收电路主要完成光电信号转换、小信号的检测与信号恢复等功能。根据实验传输信号的特点，接收信号跳线选择开关K703应选择对应的信号接收模式。K703可选择的接收模式有：“PN”、“CMI”、“模拟输出”、“模拟电话”、“数字电话”、“PCM”。TP701为光接收模块的输出端口，TP705为光接收模块输出信号经过放大电路放大后的信号。比较TP701、TP705计算放大倍数，通过调整可变电位器W701和W702可调整放大倍数。

做模拟实验时，自锁开关PA401按下，开关K₂按下，TP502为光接收模块输出的信号经滤波后还原的模拟信号。用示波器比较传输前的模拟信号以及传输后经滤波还原的信号。

若输入端口为PN码，将时钟信号输入示波器的通道1（CH1），TP704的输出接示波器的通道2（CH2），调整示波器的触发同步，则可在示波器的CH2上看到眼图。（用眼图来评价传输质量，眼图中的眼睛睁大表示传输质量变好）。

5.电话光纤传输实验

将两部电话分别接入A201和A301。

1）光纤数字电话实验

（1）将PA401抬起；

（2）K201、K202、K204、K301、K302、K303均接1、2脚

（3）K203接1、2脚或2、3脚，接1、2脚为语音信号数字传输；2、3脚为语音信号PCM传输；

（4）K702跳线接数字电话（或PCM状态，与K203对应）；

（5）键盘选中数字电话状态（或PCM状态，与K203对应）；

（6）摘机通话。

2）光纤模拟电话实验

（1）将PA401按下；

（2）K201、K302均接2、3脚，K205接1、2脚；

（3）K702跳线接模拟电话；

（4）键盘选中模拟电话状态；

（5）摘机通话。

比较两种电话语音质量。

预习思考题

（1）CMI码的编码解码原理。

（2）数字光纤传输系统用的码型是单极性码还是双极性码，为什么？

（3）什么是眼图？如何用眼图评价传输质量？

（4）PCM编码原理。

思　考　题

（1）在光纤数字通信系统中，选择码型时应考虑哪些因素？

（2）光纤通信系统由哪几部分组成？简述各部分作用。