数字信号光纤传输技术实验

实验43　数字信号光纤传输技术实验

光纤传输技术是现代通信技术发展的一项新成就，光纤通讯是这项技术应用的重要领域，随着科学技术的发展，这一技术的应用范围会越来越广。

【实验目的】

（1）了解用微机控制的数字信号光纤传输技术的基本原理；

（2）掌握数字信号光电转换及再生的实验研究方法。

【实验任务】

（1）LED的电光转换P₀-I_D特性曲线的测定。

（2）硅光电二极管（SPD）在LED发光波长下响应度的测定。

方法：采用I—V变换技术进行SPD光电流的测量。

步骤：自拟（可参考实验31音频信号光纤传输技术）。

要求：根据实验数据计算响应度。

（3）数字信号静态光电转换的研究。

任务：研究光电转换及再生电路中BG₁的饱和深度与反相器输出端高低电平的关系。步骤：自拟。

要求：比较实验与理论分析结果。

（4）数字信号光电转换动态过程的研究。

具体要求见本实验的附录。

【实验仪器】

DOF-B型数字信号光纤传输技术实验仪，DOP-A型光功率计，586以上的微型计算机，20MHz双踪示波器，数字万用表。

【实验研究方法】

图6-43-1是由微型计算机控制的数字信号光纤传输系统。在该系统上，既可通过各种传感器传输包括语音信号在内的各种物理量，也可以传输文字和图表等信息的数字信号。该系统在硬件上由以下几个部分组成：a.光信号的调制和发送部分；b.传输光纤；c.光信号的检测和再生部分；d.IBM-PC机及A/D、D/A转换和数字信号的并串、串并转换通讯接口卡；e.时钟系统；f.模拟信号源。其中，影响系统正常工作与否和传输性能好坏的关键是光信号的检测和再生部分。以下将着重对其结构、原理和性能进行理论分析，并提出相应的实验研究方法。

1.光信号检测和再生电路的结构及工作原理

电路结构如图6-43-2所示，它由光信号检测（光电变换）和再生（电压放大和反相电路）两部分组成。传输光纤将波长为0.86μm的数字式光信号输入到光电二极管SPD，经过光电转换，数字式光信号转换成数字式电信号，再经过电压放大及反相后，其输出被送往通讯接口芯片8251A的数据接收端（RxD端）。再生的电信号的码元持续时间与发送端数字信号的码元持续时间要相同。由于8251A的数据发送端（TxD）和接收端（RxD）在系统处于空闲状态时均为高电平“1”态，为了延长光电器件的使用寿命，规定在传输光纤中，无光对应数字信号“1”，有光对应数字信号“0”。

图6-43-1　计算机控制的光纤传输系统

由于光导纤维对于光信号具有很宽的频带，并且SPD对光脉冲具有快速响应的性能，所以，在对传输距离和传输速率的要求不是很高的情况下，我们可以不考虑光信号在光纤内传输时产生的畸变，同时认为SPD中的光电流对光脉冲的响应是瞬时的。

图6-43-2　数字式光信号的检测及再生电路

1）数字信号光电转换的静态分析

参看图6-43-2，在系统传输“1”码时，传输光纤中无光，SPD中光电流近似为0，此时只要

电路元件R_b1、R_b2和R_c的阻值选择适当，使BG₁处于足够深度的饱和状态，其集、射极间的电压V_ces很低，即使经过电压放大也仍然使反相器输出保持在高电平状态（即表示“1”码）。为此，要求这时流入BG₁的基极电流I_b1必须满足以下关系：

其中R_b12为R_b1和R_b2的并联值，V_{b e}为BG₁的基射极电压，β是它的电流放大系数。

在传输“0”码时，传输光纤中有光，SPD中有光电流I₃（与光功率成正比）从其负极流向正极，使BG₁的基极电流I_b减小（设它从I_b1减小到I_b2），只要光电流I₃足够大，就可使BG₁脱离深度饱和状态进入放大状态，使其集电极电压V_{c e}升高。当它升高到使电压放大电路的输出电压达到反相器输出电平由高到低转换所需的阈值电压V_{t h}时，反相器输出为低电平（即表示“0”码）。为此，要求流过SPD的光电流I₃应满足以下条件：

其中A_V为电压放大电路的放大倍数。

（6-43-1）、（6-43-2）两式仅是检测再生电路实现“1”码和“0”码静态光电转换所需的条件，但是系统在传输数字信号时，“0”码和“1”码的持续时间有限，并且是随机出现的，所以经常会出现“1”码和“0”码交替传输的情形。对应这一情形，检测和再生电路输出电平在高、低两种电平之间变化。由于电路中储能元件（主要是分布电容）的存在，这种变化不是瞬时完成的，而是有一个过渡过程。当系统的数码传输率很高时，这一过程所经历的时间与原有信号码元持续时间可比拟，从而使再生信号码元持续时间与原有信号码元持续时间不等，当它们之间的差值超过了允许范围时，就会产生误码。

2）数字信号光电转换的动态分析

在图6-43-2上，C_a是包括SPD的结电容、BG₁基极-发射极间的输入电容以及SPD和BG₁间的接线电容在内的总电容。由于C_a的存在，当输入端发生光脉冲从无到有（或从有到无）的变化时，各电流值会随时间变化。根据模拟电路的有关知识可以推导出BG₁基极电流的下降时间t_f和上升时间t_r分别为

上式中k为玻耳兹曼常数，T为热力学温度。为了使检测再生电路工作正常，输入光信号的码元持续时间t_in必须大于t_f和t_r中较大的一个值，所以t_f和t_r的大小决定了检测再生电路的最大传输率。

若设反相器输出端从高（低）电平到低（高）电平转换的阈值输入电压为V_{t h1}（V_{t h2}），光脉冲从无到有变化时，V_{c e}（t）上升到V_{t h1}/K所需的时间为t₁；光脉冲从有到无变化时，V_{c e}（t）下降到V_{t h2}/K所需要的时间为t₂，为了使再生信号的码元持续时间与原信号的码元持续时间相等，必须要求t₁＝t₂，但是由于8251A对接收信号码值的判定是在相当于原有信号码元持续时间的中间时刻进行的，所以对于图6-43-1所示系统，考虑到时钟抖动等不稳定因素，为了使检测再生电路更加可靠地工作，我们规定数字信号的再生条件为t_reg＝（1±0.25）t_in，所以，在满足式（6-43-1）和（6-43-2）所确定的静态条件下，调节电路参数使得t₁-t₂＝0～±0.25t_in时，就可以实现数字信号的再生。

灵敏度和最大传输率是衡量数字信号光电检测及再生电路性能好坏的两个重要技术指标。灵敏度是指在实现信号再生功能的前提下传输0码时入射到SPD光敏面上所需的最小光功率。由（6-43-1）和（6-43-2）两式知，选用β值高的晶体管和增加BG₁的R_c和电压放大电路的放大倍数A_V对于提高检测再生电路的灵敏度十分有利。由（6-43-3）和（6-43-4）两公式可知，采用能使C_a减少的光电器件、晶体三极管和布线工艺是提高检测再生电路最大传输率的有效途径。对最大传输率的要求应由整个系统的用途而定。

2.实验研究方法

系统的基本结构如图6-43-1所示。工作过程如下：从发送端计算机键盘输入ASCII字符的十进制数的代码（0～255），在程序的控制下转换成相应的二进制代码存放入CPU的AL寄存器中，然后反复（反复次数可按需要改变）送往8251A芯片进行数字信号的并串转换，转换结果是具有起始位、校验位和终止位的串行数据流，经8251A的TxD端输出，并对半导体发光二极管LED的光强进行调制，产生的数字式光信号经传输光纤送到检测再生电路的SPD的入照窗口，检测再生电路输出的再生信号经8251A进行串/并转换后再送入接收端计算机CPU的AL寄存器并在屏幕上显示出相应的字符（其目的是为了监视传输过程中的误码情况）。此外，用示波器观测再生信号的波形，可以考察再生信号码元持续时间随电路参数和输入光功率的变化情况。

根据以上原理和实验方法，对图6-43-1所示系统已研制成了DOF-B型数字信号光纤传输技术实验仪（详见使用说明书），其中具有A/D、D/A转换和数字信号并/串、串/并转换功能的通讯接口板占用了PC机710H～717H这8个连续的I/O端口地址，为了编程方便起见，现将这些端口地址的功能说明如下：

710H—送ADC0809芯片的通道号（本系统在硬件上选择了0809的7号通道）；

711H—启动ADC0809芯片进行A/D转换；

712H—检查ADC0809芯片A/D转换是否结束；

713H—读取ADC0809芯片转换结果；

714H—进行D/A转换；

716～717H——供8251A芯片进行数字信号的并/串和串/并转换用。

预习思考题

了解实验仪器的联线和实验操作的步骤。

思　考　题

（1）如何理解光讯号的检测和再生部分是影响系统正常工作与否和传输性能好坏的关键部分？

（2）用键盘键入170、111、245、120、154等数字，观察屏幕上出现的图形字符，并记录下来。

（3）衡量数字信号光电检测的性能好坏的技术指标是什么？如何提高光信号检测能力？

（4）如何提高系统检测再生电路的最大传输率？

【附录】数字信号光电转换动态过程实验研究

1.实验的注意事项

（1）用两端带香蕉插头的导线连接光端机后面板上的TxC和RxC端，目的是使8251A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，8251A的接收器因为没有时钟脉冲而不能正常工作！）

（2）实验操作时，手不能靠近R_b调节旋钮，否则会使波形失真！

2.时钟系统检测

开启光端机的电源，用示波器分别观测光端机后面板的CLC插孔的波形和前面板的TxC插孔的波形。正常情况下CLC的波形周期应为0.5μs，TxC的波形周期为8μs，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，实验系统不能正常工作！CLC和TxC的波形为方波，大致如下：

由于系统噪声的影响，实验中看到的波形不会像上图那样规则。

注：如果出现的波形不能稳定下来，则需要调节示波器触发部分的触发电平（此时TRIG′D的指示灯亮），使波形稳定。

3.LED驱动电路的检测

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，把光功率计的光电探头插入光纤绕线盘上的同轴插孔内，调节仪器前面板LED的“偏流调节”旋钮，观察光功率计的示值有无变化，若有变化则表明LED的驱动电路工作正常。最后把偏流调节旋钮调至使光功率示值为实验系统允许的最小值10μW。

注：（1）若光功率计显示的数字不稳定，可能是光电探头与同轴插孔接触不良，或导线与LED插孔接触不良。

（2）光端机前面板的两端要用带香蕉头的插头连接。

4.光讯号检测和再生电路的预调

上一项检测确定了LED及其驱动电路工作正常。

把原先与光功率计联接的导线移到光端机左边的“SPD”接口上，注意红、黑插头分别插到同颜色的插孔。

把双踪示波器的一个通道接至光端机前面板的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端对地断开的情况下，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，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R_b调节旋钮，直到RxD端呈现出高电平状态为止，然后使TxD端对地短路，示波器上观察RxD端是否呈现低电平状态。如果仍保持高电平，沿逆时针方向转动R_b调节旋钮使RxD端为低电平状态。

5.通信接口板数字信号发送功能的检测

（1）将示波器的一个通道接到光端机前面板的TxD端并与地短接；

（2）开启电脑，当电脑进入DOS状态后，在A：＼?后输入DOF1，PC机屏幕上将出现以下供用户选择的菜单：

①Testing and adjusting system work condition

②Transmiting Acoutical Signal with one computer

③Press Ctrl＋Break，Return to DOS

Please chose 1、2or strike Ctrl＋Break keys！

请键入“1”，在显示屏上将出现以下信息：

Please key in deci.Digit for ASCII code transmited

（Deci.digit 255dis for return to testing term chose）

在键盘上任意键入ASCII字符的十进制代码（如134、227等）后，计算机会将这个十进制数转换成8位相应的二进制数存入AL寄存器，经过8251芯片进行数字信号的并/串转换，转换结果经过8251的TxD端输出，用示波器可以观察转换结果是否正常。如果8251正常工作，调节示波器同步，就能够在荧光屏上呈现一个与被传输的二进制数相对应的稳定波形。这个波形具有11位码元（每位码元持续8μs），最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位码元是被传字符所对应的8位二进制代码，从左向右方向数起，分别为D₀、D₁、D₂、…D₇；第十位码元是奇偶校验位（C）；第十一位是终止位（E）。若键入不同字符的ASCII码的十进制数后，示波器显示的数码结构正确，则表明通讯接口板的8251的发送功能正常。

例：

十进制数170对应的8位二进制代码的数据结构如下：

符号：　　　S　D₀　D₁　D₂　D₃　D₄　D₅　D₆　D₇　C　E

二进制码：　0　0　1　0　1　0　1　0　1　0　1

（注意：先开启光端机，再开电脑！这一操作的先后顺序不能颠倒，否则传输系统不能正常工作。）

6.数字式光信号光电转换和通信接口板数字信号接收功能的检测

（1）将示波器的另一条输入电缆接到光端机前面板的RxD端并与地短接。

（2）用键盘键入170，观察电脑屏幕是否出现图形字符“┓”。

注意：若电脑屏幕上的图形字符不稳定，可对R_b调节旋钮进行调节，直至出现稳定字符为止。

（3）用键盘键入111、145、120等数字，观察屏幕上出现的图形字符，并记录下来。