DOF-D 型数字信号光纤传输实验

数字信号光纤传输实验

[目的要求]

1.了解数字信号光纤通讯的基本原理

2.熟悉半导体光源器件电光特性及其测试方法

3.掌握数字信号光纤传输系统的检测及调试技术

[仪器设备]

1.DOF—D型数字信号光纤传输技术实验仪（四川大学物理系研制）；

2.计算机；

3.双迹示波器。

[实验原理]

一、概述

图1中表示出了一个光纤通讯系统的结构框图（图中仅画出一个方向的信道），该系统由以下几部分组成：光信号发送器、传输光缆、光信号接收器和收、发端的电端机。

图1 光纤通讯系统的结构框图

以上光纤通讯结构框图对模拟信号和数字信号传输系统均适用。对模拟信号系统而言，由电端机（发）送来的是话音或图象信号，要求光源器件应具有线性度良好的电光特性，对于数字信号传输系统，光源器件的非线性对系统性能影响不大。

光纤通讯系统中常用的光源器件主要是半导体发光二极管LED（发光中心波长0.86μm）和半导体激光器LD（波长1.3--1.5μm）。前者具有线性度良好的电光特性，适用于模拟信号光纤传输系统或传输码率不高的小容量的数字光纤通讯系统；后者出光功率较大，波谱窄，发光中心波长能与光纤信道理论上的“零色散”所要求的波长匹配，故常用于以单模光纤作为信道的高速系统中。

光纤通讯系统中所用的光纤分多模光纤和单模光纤两种。多模光纤主要用于模拟信号传输系统或传输距离不太远、数码率不高的数字信号光纤传输系统中；单模光纤用于高速的光纤通讯系统中。有关以上两类光纤的结构、性能的详细论述见参考文献[1]。

光纤通讯系统中常用的光电探测器件，主要有PIN光电二极管和雪崩光电二极管。PIN光电二极管与普通的PN结光电二极管相比，不同之处就在于在普通光电二极管P层和N层之间有一层低掺杂的N型半导体，且尺寸较宽、掺杂浓度很低以致可把该层近似为本征半导体，故用“I”表示。在结构上的以上改进就使得PIN结构的光电二极管具有较宽的耗尽区和较小的结电容，从而提高了它的光电转换效率和对高速码率数字信号的快速响应能力。由硅材料制做的PIN光电二极管响应波谱为0.5—1.0μm范围，中心响应波长为0.9μm，这与光纤的一个低损耗波长对应。雪崩光电二极管APD在结构上使它所用的偏压能够达到较高的值，在这一高反压作用下，使APD内形成一个高电场区，当光信号照射在雪崩光电二极管上，光子激发出电子—空穴对之后，受高电场区内的电场加速，可以碰撞出二次电子—空穴对，使光电流倍增，提高了器件的灵敏度，以利于信号的远距离传输。有关光纤通讯中采用的上述电光和光电器件的结构、工作原理及性能的详细论述见参考文献[2]。

二、实验系统的硬件结构及工作原理

为了使非通讯专业的理工科学生在物理实验中学习到有关数字信号光纤通讯的基本原理，我们在《数字信号光纤传输实验》中着重于对光信号的发送、接收和再生；数字信号的并串/串并转换；模拟信号的AD/DA转换以及误码现象和原因等问题加以论述。

1、实验系统的硬件结构

为以上目的开发的数字光纤传输实验仪基本结构如图2示，它由以下几部分组成：

图2 数字信号光纤传输实验系统的基本结构

1）．光讯号发送部分； 2）．传输光纤；

3）．光讯号的光电转换和再生部分； 4）．计算机；

5）．模数/数模转换及数字信号的并串/串并转换接口电路；

6）．时钟系统； 7）．模拟信号源。

其中,光讯号发送部分采用中心波长为0.85μm的半导体发光二极管（LED）作光源器件，传输光纤采用芯径62.5μm，包层125μm的多模光纤、光讯号接收部分采用硅光电二极管（SPD）作光电检测元件、计算机接口采用ADC0809和DAC0832集成电路完成A/D和D/A转换；用8251集成芯片按异步方式进行数字信号的并串/串并转换。以上器件和集成电路工作原理及性能的详细说明见文献[3、4]

2、基本工作原理

实验系统传输的数字信号可以是ASCII字符的2进制代码，也可是语音信号（模拟量）经ADC0809集成芯片进行A/D转换后的数字信号。对于ASCII字符的2进制代码由计算机经RS—232串口送至电端机，再经电端机内的8251芯片的数据发送端（TxD）送至光端机光源器件（LED）数字信号调制电路输入端，进行数字信号的电光变换。从LED出光口发出的数字式光信号再藕合到传输光纤中。在传输光纤的出光端，数字式光信号经光电二极管（SPD）和再生电路变换成数字式电信号送至电端机,再经RS—232串口送回计算机，并在计算机屏幕上显示出相应的字符。对于语音电信号，放大后送至电端机，经ADC0809进行A/D转换所形成的数字式电信号由DDK-20连接电缆再送至光端机对LED进行电光调制。然后经过ASCII字符同样的传输过程在实验系统光电转换和再生电路输出端行成的数字式电信号再送至电端机，进行D/A转换，形成的模拟信号经滤波、放大后再由音箱输出。以上过程均在程序控制下由计算机和电端机中的单片机完成。

3．数字信号的发送和电光转换

对于电端机内的8251芯片设定为异步传输工作方式并波特率因子等于1的情行，在程序控制下电端机发送端所发送的数据流是由起始位（S）、数据位（D0～D7）和终止位（E）等共10位码元组成。第一位是起始位，为低电平，最后一位是终止位，为高电平。每位码元起始时刻与发送时钟TxC的下降沿对应、码元持续时间与发送时钟TxC的周期相等。这些数字式电信号送至光端机

LED的驱动和调制电路输入端，进行数字信号的电光变换。LED的驱动和调制电路如图3示。由于电端机数据发送端（即8251芯片的TxD端）在传输系统空闲时始终保持高电平状态，为了增加发光二极管LED的使用寿命，对应这一状态应使LED无电流流过。为此，在其驱动调制电路输入端设置了一个由IC1组成的反相器。因此，LED发光，对应电信号的“0”码，无光则对应电信号“1”码。图3中电阻R C起限流作用；W1是调节LED导通时工作电流大小的电位器。

图3 LED的驱动和调制电路图4 数字信号的光电转换及再生

4．数字信号的光电转换及再生调节

由传输光纤输出的数字式光信号在接收端经过硅光电二极管SPD和再生调节电路把光信号变换成数字式电信号，再送至电端机8251芯片的RxD端。图4为数字信号的光电转换及再生调节单元的电路图，其工作原理如下：如前所述，当传输系统处于空闲状态时，传输光纤中无光，硅光电二极管无光电流流过，这时只要R C和R b2的阻值适当，晶体管BG2就有足够大的基极电流I b注入，使BG2处于深度饱和状态，因此它的集电极和发射极之间的电压极低，既使经过后面放大电路的放大也能使反相器IC2的输出电压维持在高电平状态，以满足实验系统数据接收端RxD在空闲状态时应为高电平的要求。当传输“0”码元时，发送端的LED发光，光电二极管有光电流I3流过，它是从SPD的负极流向正极，这对BG2的基极电流具拉电流作用，能使BG2的基极电流I b减小。由于SPD结电容、其出脚联接线的线间电容以及BG2基—射极间杂散电容的存在（在图4中用C a 表示以上三种电容的总效应），使得BG2基极电流的这一减小过程不是突变的，而是按某一时间常数的指数规律变化。随着BG2基极电流的减小，BG2逐渐脱离深度饱和状态，向浅饱和状态和放大区过渡，其集电极—发射极间的电压V ce也开始按指数规律逐渐上升。由于后面的放大器放大倍数很高，故还未等V ce上升到其渐近值时，放大器输出电压就到达了能使反相器IC2状态翻转的电压值。这时IC2输出端（即8251A的数据接收端RxD）为低电平。在下一个“1”码元到来时，接收端的SPD无光电流，BG2的基极电流I b又按指数规律逐渐增加，因而使BG2原本按指数规律上升的V ce在达到某一值时就停止上升，并在此后又按指数规律下降。V ce下降到某一值后，IC2的输出由低电平翻转成高电平。调节图3中W1或图4中W2，使LED的工作电流（即LED发出的光强）与SPD无光照射时BG2饱和深度之间适当的配匹，既使在被传输的数据流中“1”码和“0”码随机组合的情况下，也能使接收端所接收到的数字信号在数码结构和码元宽度（即持续时间）方面与发送端发送的数字信号一致。

5．数字信号的码值判决、误码现象

数字信号传至实验系统电端机8251芯片的数据接收端（RxD端）后还不能算信号传输过程的结束。此后，尚需在接收时钟（RxC）上升沿时刻对再生波形每位码元的码值进行“0”、“1”判别。在电端机8251芯片设定为异步传输工作方式并波特率因子等于1时，码值判别过程如下：在接收时钟RxC的下降沿不断检测RxD端的电平状态，若在RxC的某一下降沿检测到RxD的电平为低电平，接收端得知被传数据的起始位已到的信息，在与RxC该下降沿紧靠的下一个上升沿时刻再次对RxD端的电平状态进行检测，若仍为低电平，表明先前检测到的低电平状态确实是被传数据的起始位，而不是躁声干扰。在确认了被传数据起始位的确到来之后，从确认时刻开始，每隔一个RxC周期对RxD端的电平状态进行一次检测，若检测到为高电平，赋予的码值为“1”，反之为“0”。若判别结果所形成的二进制代码与发送数据的代码一致，表明码值判别结果正确。若发送数据是某字符的二进制代码，接收端根据正确判别结果所形成的二进制代码从计算机字符库调出的字符就会与发送端发送的字符一致；若判别结果所形成的二进制代码与发送端发送的字符

代码不一致，从计算机屏幕上显示的字符就与发送端发送的字符不一样。这表明实验系统在信号传输过程中有误码产生。

在实际的数字通讯系统中，由于传输系统的带宽有限或传输距离过长，在接收端接收到的数字信号的“1”码元宽度相对发送端数字信号的“1”码元宽度要发生码元展宽现象。当码元展宽程度超过正常码元宽度的一半时，就要发生误码判别。系统传输率愈高（对应系统传输容量愈大），数字信号正常码元宽度就愈窄，这就要求数字传输系统允许的码元展宽程度就愈小。与此对应的传输系统的带宽就要求愈宽。所以高速数字传输系统就对应着宽带数字传输系统。

在本实验系统中误码原因有以下两种：

（1）．数据接收端（RxD）数字信号的波形还未调节到再生状态；

（2）．既使实验系统数据接收端波形调节到了再生状态，由于接收端再生波形相对发送端的发送波形具有一定延迟，而本实验系统发送时钟TxC和接收时钟RxC又是由同一时钟系统供给（在实际的数字通信系统中RxC是用复杂的时钟提取技术从接收端获得的再生信号中提取），当这一延迟达不到接收时钟无误码判别所许可的范围时就会产生误码。图5和图6表示出两种不同延迟对码值判别结果的影响。只有图6示的延迟范围内（TxC / 2 ≤Δτ≤TxC），码值判别结果才能正确。对于图5的情形，ts1时刻虽然检测到为低电平，但在ts2检测到高电平，所以检测系统不能确认传输数据起始位的到来，此后就不再进行码值判别。

图5 Δτ≤TxC / 2

图6 TxC / 2 ≤Δτ≤TxC

再生波形相对发送端发送波形的延迟又与接收端光电检测和再生调节电路（图4）中晶体管BG2的饱和深度有关。晶体管BG2的饱和深度不同时，为使接收端的数字信号达到再生状态，在发送端对应的LED的工作电流也不同。

所以，若在接收端虽有再生波形但仍有误码现象出现的情况下，调节图3中W1使LED导通时工作电流减小为另一值后`，再调节W2可使RxD端波形相对发送端波形的延迟达到无误码的再生状态。当实验系统的延迟Δτ=(3/4)*TxC时为佳.

三、实验仪器

本实验系统使用的仪器主要有光端机、电端机、光纤信道和计算机（详情见使用说明书）。光端机前、后面板布局如图8.示、图9示；电端机前、后面板布局如图10.示、图11示。

K1：电源开关；L3：方波信号输出；L1：调制输入插孔；L2：GND；W1：W1调节；

C1：LED插孔；C2：SPD插孔；K2：SPD开关；W2：W2调节；L6：再生信号输出；

L7：GND；M2：光功率计；M1：直流毫安表

图8 光端机前面布局

.

C1－电源插座；C2－音箱插孔；C3－连接电端机

的DDK-20电缆插座；Ｃ４—语音信号输入插孔

图9 光端机后面板布局

图10 电端机前面板布局

C1:电源插座; C2:与计算机RS—232串口联接的

九针插座;C3:连接光端机的DDK-20电缆插座

图11. 电端机后面板布局

四、实验内容

1．传输系统发送时钟TxC周期的测定

把双迹示波器扫描时间分度值选为2μs后、用示波器CH1通道测量电端机前面板“TxC”插孔输出的发送时钟信号的周期。

2．半导体发光二极管（LED）电光特性的测定

（1）．首先断开图12中插孔L1、插孔L2间的连线，SPD切换开关K2拨至左侧，观测并记录光端机前面板光功率计的示值。以此示值作为光功率计的零点．

（2）．接通图12中插孔L1、插孔L2间的连线，反时钟方向调节W1，使光端机前面板的mA表为一最小整数值，然后，顺时钟方向调节W1，使mA表读数慢慢增加，每增加2mA读取一次光功率计的示值，并列表记录。根据实验读数，以电流表读数为横坐标、光功率计读数（扣除零点后）为纵坐标绘制LED的电光特性。

3．时钟信号的电光／光电转换及再生调节

按图13接线。调节W1使mA表指示的LED在时钟信号调制状态下的平均工作电流

为适当值（比如，10—20mA）后，保持W1的调节位置不变。观察示波器荧光屏上是否有时钟信号再生波形出现。若无，并示波器荧光屏上显示出一条代表低电平的直线，就需沿顺时钟方向慢慢调节W2，直到示波器荧光屏上出现占空比为50%的时钟信号为止；若示波器荧光屏上显示出一条代表高电平的直线，就需沿反时钟方向慢慢调节W2实现时钟信号的再生调节。

4．ASCII字符代码的光纤传输实验

（1）．实验系统发送功能的检测

在图13示连线的基础上，断开L3插孔和L1插孔间的连线，把双迹示波器CH1通道改接至L1插孔（TxD端）和L2插孔（GND端）。然后按图14示方式连接好实验系统。启动计算机、运行配套软件后计算机屏幕上将出现图15示的界面。点击“串口设置”按钮，计算机屏幕上将换成图16示界面。根据电端机与计算机的连接情况，串口号选择COM1或COM2；波特率选择B9600。再点击“确定”按钮，待计算机屏幕再一次出现图15示的界面后，点击“数字传输”按钮。计算机屏幕上将出现图17示界面。把光标移至“请输入十进制数”的窗口中，从键盘输入想要传输的ASCII字符的十进制数代码（比如，字符U、Z和7…等等，它们相应的十进制数代码分别为85、90和55…等等），再点击“发送”按钮，界面的“本地回显”栏将显示出该代码的ASCII字符。观察示波器荧光屏上显示的波形的数码结构是否与被发送的ASCII字符的二进制代码一致。若一致，表示实验系统的发送功能正常；若示波器荧光屏上观察不到这一波形，按电端机的“Reset”按钮后，用以上方式重新发送。

图14 实验系统的连接

图15

（2）．实验系统数字信号的电光／光电转换及再生调节

在以上实验连线的基础上，把双迹示波器CH2通道接至光端机前面板的L6插孔（RxD端）和L7插孔（GND端），调节W1使LED的平均工作电流为1mA以上。然后保持W1的这一调节位置不变，调节W2，直到双迹示波器CH2通道出现码元宽度和数码结构均与CH1通道波形一样的再生波形为止。

（3）．码值判别、误码及实验系统无误码状态的调节

完成了上一步调节之后，虽然光端机的“RxD”端出现了与发送端波形一样的再生波形，但还

图16

不能算数字信号传输过程的结束。为了使实验系统达到无误码传输状态，如前所述，还必须反复调节仪器前面板上的电位器W1和W2，使RxD端的再生信号相对TxD端的发送信号的延迟时间在TxC / 2 ≤Δτ≤TxC的范围内。为了增强实验系统的抗干扰能力，调节仪器前面板上的电位器W1和W2使Δτ等于四分之三倍时钟周期（TxC）,若TxC=8μS, 调节W1和W2使Δτ等于6μS为好.。进行这项调节时，选择传输十进制代码为85的字符“U”更为方便。当实验系统达到无误码传输状态后，点击图17示界面中的“停止”按钮，重复以上操作可进行传输其它字符代码的实验。

图17

5．语音信号的光纤传输实验

在保持以上实验连线不变的基础上，点击图17示界面中的“退出”按钮，计算机屏幕再次回到图15示界面，然后点击“声音传输”按钮，计算机屏幕就将显示图18示界面。点击“开始”

图18

按钮，实验系统就进入声音传输状态。在此情况下，由于每次传输的数字信号代码不一样，故在示波器荧光屏看不到有一稳定波形出现。但每次传输数字信号的起始位都是低电平。所以，调节示波器的同步旋钮可清楚观察到它在荧光屏上的位置。两个相邻起始位间隔的时间就是实验系统模／数转换过程的采样周期，该周期的倒数值就是采样频率。根据采样定理，对于语音信号采样频率应大于8000次/每秒。用示波器观测实验系统在传输语音信号时模／数转换过程的采样周期、计算相应的采样频率、用采样定理评估本实验系统传输语音信号时的性能。

参考文献

[1]《纤维光学—原理及实验研究》朱世国，四川大学出版社。

[2]《光纤通讯原理》，张德琨等人，重庆大学出版社。

[3]《接口与通信》，高传善等，复旦大学出版社。

[4]《IBM—PC微机接口和编程应用技术实验》，朱世鸿，中国科学技术大学出版社。