基于波分复用光纤传输的综合通信教学实验装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于波分复用光纤传输的综合通信教学实验装置，包括以下组件：第一光纤通信试验箱、波分复用通信装置、第二光纤通信试验箱和通信原理实验箱，所述的波分复用通信装置包括有第一光发送机、第二光发送机、与第一光发送机和第二光发送机输入连接的光合波器、与光合波器输入连接的光分波器、以及与光分波器输入连接的第一光接收器和第二光接收器。本实用新型的优点是采用简单的电路结构和连接结构实现了电话信号的光纤通信以及数字信号的光纤通信的教学效果，有助于学生对完整通信系统各个环节互联互通的直观理解，提高实验效率。
【专利说明】基于波分复用光纤传输的综合通信教学实验装置
【技术领域】
[0001]本实用新型属于一种光纤通信和电子应用技术相结合领域，具体是指一种基于波分复用光纤传输的综合通信教学实验装置。
【背景技术】
[0002]当前，各大高校针对通信类专业开设了相关实验课程，如《通信原理》、《交换原理》、《光纤通信》等。为节约实验室建设时间和方便实验器材管理，实验课教学一般采用各厂家针对相应理论课程而制作的实验箱。每个箱子均可搭出一个完整的通信系统，但这样的系统功能单一，部分实验项目重复，每个实验箱之间相互独立。故学生在上实验课时，对所学的专业缺乏系统性认识。另外，实验箱的实验模块已确定，无法开发新的实验项目，不能满足学生对通信技术进行系统深入研究的需求。
[0003]此外，有些高校针对此实验现状弓I入了综合通信网络实验平台，该平台集传输、交换、宽带接入及有线、无线通信为一体。但这样一个类似于电信系统的全真式网络需要一大笔开销，对于资金缺乏的高校难以引入到实际实验教学中。
【发明内容】
[0004]本实用新型的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种基于波分复用光纤传输的综合通信教学实验装置，该装置组装成本低，且针对通信专业实验课程的现状，以波分复用(WDM)光纤传输为主线、结合其他通信技术进行综合实验设计的思路，在不增加实验设备的情况下使学生们能完成通信系统的整体设计、实现和传输性能测试等任务，并以具体实验案例来展示综合通信系统的实现过程。
[0005]为实现上述目的，本实用新型的技术方案是第一光纤通信试验箱、波分复用通信装置、第二光纤通信试验箱和通信原理实验箱，
[0006]所述的第一光纤通信试验箱中设置有依次连接的第一电话、第一用户接口电路、PCM编码电路、加扰电路和5B6B编码电路；
[0007]所述的第二光纤通信试验箱中设置有依次连接的5B6B译码电路、解扰电路、PCM译码电路、第二用户接口电路和第二电话；
[0008]所述的通信原理实验箱包括有用于接入数字信号源的2ASK调制模块和用于信号解调并输出的2ASK解调模块；
[0009]所述的波分复用通信装置包括有第一光发送机、第二光发送机、与第一光发送机和第二光发送机输入连接的光合波器、与光合波器输入连接的光分波器、以及与光分波器输入连接的第一光接收器和第二光接收器；
[0010]所述的5B6B编码电路与第一光发送机输入连接，所述的2ASK调制模块与第二光发送机输入连接，所述的第一光接收器与5B6B译码电路输入连接，所述的第二光接收器与2ASK解调模块输入连接。
[0011]通过本设置采用简单的电路结构和连接结构实现了电话信号的光线通信以及数字信号的光线通信的教学效果，能有助于学生对完整的光纤通信有个直观的认识和了解，有助于提高教学质量。
[0012]下面结合说明书附图和【具体实施方式】对本实用新型做进一步介绍。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1本实用新型实施例的结构框图；
[0014]图2本实施例的第一光发送机或第二光发送机的电路图；
[0015]图3本实施例的5B6B编码电路的原理图；
[0016]图4本实施例的5B6B译码电路的原理图；
[0017]图5本实施例的第一光接收机或第二光接收机的电路图；
[0018]图6图1中电话通信部分各测试点的波形图；
[0019]图7图1中数字通信部分各测试点的波形图。
【具体实施方式】
[0020]下面通过实施例对本实用新型进行具体的描述，只用于对本实用新型进行进一步说明，不能理解为对本实用新型保护范围的限定。
[0021]如图1-7所示的本实用新型的【具体实施方式】，包括以下组件:第一光纤通信试验箱、波分复用通信装置、第二光纤通信试验箱和通信原理实验箱，
[0022]所述的第一光纤通信试验箱中设置有依次连接的第一电话11、第一用户接口电路
12、PCM编码电路13、加扰电路14和5B6B编码电路15 ；
[0023]所述的第二光纤通信试验箱中设置有依次连接的5B6B译码电路21、解扰电路22、PCM译码电路23、第二用户接口电路24和第二电话25 ；
[0024]所述的通信原理实验箱包括有用于接入数字信号源的2ASK调制模块31和用于信号解调并输出的2ASK解调模块32 ；
[0025]所述的波分复用通信装置包括有第一光发送机41、第二光发送机42、与第一光发送机41和第二光发送机42输入连接的光合波器43、与光合波器43输入连接的光分波器44、以及与光分波器44输入连接的第一光接收器45和第二光接收器46 ；
[0026]所述的5B6B编码电路15与第一光发送机41输入连接，所述的2ASK调制模块31与第二光发送机42输入连接，所述的第一光接收器45与5B6B译码电路21输入连接，所述的第二光接收器46与2ASK解调模块32输入连接。
[0027]如图1所示，图中数字1-12为各测试点，通过在各测试点上测试获得波形，以使得学生能直观地了解光纤通信的各个阶段的波形变化，提高教学效果。
[0028]光波分复用技术(WDM)是对不同波长的光信号进行耦合到一条光纤中传输，在接收将来自光纤中的光信号按不同频率的进行分离。波分复用系统包括光合波器和光分波器。其中光合波器用在光纤通信系统的发送端，将不同频率的光信号组合起来，送入一根光纤中进行传输。而光分波器用在光纤通信系统的接收端，将光纤中送来的光信号按不同频率分开。波分复用光纤通信技术使通信容量成倍增加，解决了光纤线路扩容的关键问题，节约远距离的传输成本。
[0029]本申请的波分复用通信装置是由1310nm和1550 nm波长光源作为信号的载波双信道，光发送和光接收组成。经过调制或编码的信号通过光发送模块中电流驱动器SN75452B控制发光二极管LED光发送器HFBR1312T将电信号转化成光信号。此处需要注意的是两路光信号波长不一致，故需要两个不同光源的光发送模块。其中数字信号选择1550nm,而语音信号的传输选择1310nm。经过光调制的两路信号利用光合波器稱合到一条光纤线路传输到接收端，光分波器将信号分开后，用不同的光接收模块分别对两路光信号进行探测并还原成电信号。
[0030]本实施例中的通信原理实验箱，数字信号I通过数字信源模块直接输出，为提高传输效率，数字基带信号不能直接在光纤中传输，需将其转化成频带信号。本实施例采用的是2ASK调制，它是利用载波幅度来表示输入信号。其电路原理是利用电压比较器LM399控制数字化开关器件7HC4406，当数字信号为高电平时，打开数字化开关，输出载波；当数字信号为低电平时，关闭开关不输出信号。当数字信号被调制成2ASK高频信号需输入到模拟信号光发送模块的模拟信号输入端，将电信号转化成1550nm的光信号。由1550nm光接收机输出电信号即2ASK调制信号，需进行相干解调。电信号先通过带通滤波器滤除一部分杂波后，利用乘法器MC1496与输入的载波信号进行相乘通过信号输出端会产生不同频带上的信号，然后输出的信号通过低通滤波器，线路中只存在低频信号，经过抽样判决还原成数字信号输出。经过译码输出的数字信号2可与数字信号I比较，若波形相似，则说明基带信号在波分复用系统中实现传输。
[0031]另外，本实施例第一光纤通信试验箱和第二光纤通信试验箱中，第一电话为型号为高科HA737P/TDL 03的电话机，其产生的语音信号。该信号先通过RJll接口将去话输入到第一用户接口电路PBL38710，将其转化成话音模拟信号由发送语音信号端口输出。由于数字信号在传输的过程中可进行加密、纠错和流量控制，其误码率也比模拟信号更低，故需要PCM编码模块将模拟语音信号转换成数字信号。本实施例中采用集成芯片TP3067，它即可以完成PCM编码，也可以完成PCM译码。此外该芯片内置了开关电容带通和低通滤波器，其中带通滤波器是为了滤除发端50Hz电源的干扰和3400Hz以上的频率成分信号；低通滤波器用于恢复低频模拟语音信号。同时，编译码时需要2MHz的主时钟和SKHz的帧同步脉冲波。模拟语音信号由模拟输入信号端口输入编码模块进行A律的PCM编码，并由编码数字信号端口输出信号。
[0032]另外，为消除信息模式对系统误码的影响，增加信息的透明度，需通过加扰模块将数据源变换成近似于白噪声的数据序列，即通过数字信号与加扰模块产生的m序列做模二加法，该功能的实现采用一片CPLD器件(EPM7032芯片)。可是这样的数据序列并不适合在光纤上传输，因此还需信道编码。其中，5B6B编码是光纤通信系统中广泛使用的nBmB信道编码中的一种编码后便于监测误码率，码型的转换电路比较简单，方便使用。其原理是利用五个移位寄存器将来自外部的2.048Mbps 二进制串行发送的数据信号转换成五位并行信号输出，实现数据的分组，再通过发端码型变换电路将实现5B到6B的变换。编码采用的的是芯片5B6BT，加扰后的信号通过编码芯片的数据输入端进行编码，等编码完成后由编码数据端输出。编码后的数字信号通过数字信号输入端输入到光发送模块，将电信号转化成1310nm的光信号并在光纤中传输。经过光纤传输的光信号通过1310nm的光接收机将信号转化成电信号由端口输出，根据前面编码的顺序需先后进行5B6B译码、解扰、PCM译码。电信号通过输入端口输入到5B6B译码模块，通过5B6BR芯片进行译码，输出的信号通过解扰模块由一片CPLD器件(EPM7032)解扰后从输出端口还原出数字信号，再将数字信号输入到PCM编译码芯片TP3067译码，最后由模拟信号输出端口输出模拟信号。为实现与多用户通话，可将模拟信号输入到交换网络，通过程控编码将信号传输到需要通信的用户即第二电话，通过第二用户接口电路将接收的话音信号转化成来话，通过RJlI接口将信号传输到听筒。其中空分交换网络使用的是MITEL公司的空分接线器MT8816芯片。它由8条COL线和16条ROW线形成了一个简单的模拟交换矩阵，矩阵中的对每一个交叉点都可以使之接通。由于MT8816芯片具有记忆和保持功能，芯片可以保持任一交叉点处于接通状态，直至有信号发来使其断开。就是说通过控制相应的COL和ROW就可以接通有关的交叉点完成与指定的电话进行通话。当第二电话能清晰地听到第一电话的语音内容时，则说明语音信号能在该系统中成功传输。
[0033]如图2所示本实施例的第一光发送机或第二光发送机的电路图，该电路图是用来发送光信号的。从左至右看，该电路的核心是两块芯片。第一块芯片UEOl是MC100ELT28，此芯片是用来做电平转换的。可以看到，该芯片的第六管脚是接收来自开关选择器(跳线器)KDOl的输出信号，而开关选择器选择的是两路信号:CMI_DT和5B6B_DT之中的一路。在本系统中，应该选择的是5B6B_DT。当接收到5B6B_DT信号后进行电平转换，芯片的3号管脚输出的是与原信号相同的信号，而4号管脚则输出的是与原信号取反的信号，这个过程是为了平衡电气特性。第二块芯片UE02是FIBER，起激光器的作用，是用来作电/光转换的，该芯片首先是接收来自UEOl第3管脚和第4管脚的电信号，经过电/光转换后在光纤中进行传输，这就是光发送过程。
[0034]如图3所示本实施例的5B6B编码电路的原理图，可看出该电路的核心芯片是UBOl，它是可编程逻辑器件EPM7064。该电路最关键的就是其8号管脚与排针KB02的第11号管脚之间的连接，这个排针接51欧姆的电阻后接地。若这两个管脚连接起来，则该芯片就选择工作在CDMA的编码状态下，若这两个管脚没有连接起来，则该芯片就工作在5B6B编码状态下。其中，RBBOl是一个排阻，是连接在芯片UBOl和排针KB02之间的。当UBOl的第8管脚和排针的第11号管脚没有连接起来，则UEOl的第8管脚T_5B6B输出的是低电平，当UBOl的第8管脚和排针的第11号管脚连接起来，则UEOl的第8管脚T_5B6B得到的是由RB07和排阻的分压后的电压一高电压，即若T_5B6B输出高电压则芯片UEOl选择工作在CDMA编码模式，若T_5B6B输出低电压则芯片UEOl选择工作在5B6B编码模式。显然，在本系统中，应该选择连接UBOl的第8管脚和排针的第11号管脚。特别说明，芯片的其他管脚都是普通的I/O 口，可以根据设计需要自己定义输入与输出。
[0035]如图4所示的本实施例的5B6B译码电路的原理图，该电路图的核心芯片有两块。从左至右看，第一块是芯片UDOl是可编程逻辑器件EPM7128，该芯片是用来解扩和时钟同步的。该芯片的数据输入端是其第75号管脚，该管脚接收来自开关选择器KD03的选择的信号，该信号是DR_Fiber信号和Channel_DT信号中的一路，其中DR_FIBER信号是来自光纤收发模块输出的信号，Channel_DT信号则是不经过激光器的而只经过CDMA编码的信号。在本系统中选择的是DR_FIBER信号。芯片的第74管脚接的是晶振，其中晶振的时钟远远大于电路实际当中所要的信道时钟，接下来就是将晶振时钟进行分频，分频到实际所需要的时钟。这个时钟是在接收端用来同步的时钟，因为只有在接收端的时钟和发射端的时钟同步时，才能拦截到信号并进行正确的解扩。该芯片的解扩输出端是第5号管脚。芯片的第33号管脚是信道接收信号。第二块芯片UD02是MM4046，是一个锁相环芯片。该芯片一般用来使接收模块的时钟和发射模块的时钟保持同步的，即保持同频同相的。
[0036]如图5所示的本实施例的第一光接收机或第二光接收机的电路图，由图5可以看出，该电路是用来接收来自光纤传输后的光信号的，是图2-1的逆向传输路线的电路图。从右至左看，该电路的核心是两块芯片。第一块芯片UE02是FIBER，在这里是起光探测器的作用，是用来光/电转换的。该芯片首先是接收来自光纤传输的光信号，经过电/光转换后，输出两路极性相反的电信号，再分别送到芯片UEOl ( MC100ELT28)第I管脚和第2管脚，输入到芯片UEOl后，再进行电平转换，恢复成与原信号相同的电信号。这就是光接收的过程。而芯片UE03是LM311，这块芯片所在的电路一方面用来放大微弱的电信号的，因为经过光纤传输来的光信号有所衰减的，再经光探测器转变为电信号；另一方面，是起到信号显示作用的，可以看到该芯片所在的电路的左侧，有一个光电二极管，当光探测器接收到来自光纤传输的光信号时，光电二极管就会发光。如果光探测器没有接收到光信号时，信号灯就在“灭”的状态。
[0037]实验结果分析
[0038]当第一电话与第二电话通话时，长按数字键“4”，并利用示波器观测图1-1中的测试点I——8的波形，其结果如图6所示。
[0039](I)在图6 Ca)中，通过比较第一电话模拟信号和经过PCM编码的数字信号波形可知，信号经过PCM编码后将模拟信号转化为数字信号，幅值变大，说明经过编码后的信号更有利于传输。经过PCM编码的数字信号出现连“O”和连“I”的情况，故通过加扰使数字信号带有同步定时信号，而在图6 (c)中看到当数字信号经过5B6B编码后，信号幅值变大，传输的信息量变大。在图6 (f)可看到，在测试点7测得按键音“4”经过解扰模块的数字信号，测试点8为按键音“4”经过PCM译码的模拟信号。虽然信号在经过PCM译码后将数字信号还原为模拟信号后，相较于之前的模拟信号幅值有所减小，但模拟信号波形清晰，不影响信号的传输。
[0040](2)为了更加清楚的查看光纤传输系统的效果，可比较按数字键“4”时第一电话的模拟信号和经过光纤传输译码后的模拟信号或比较按数字键“4”时电话I经过编码的数字信号和经过光纤传输的数字信号，即比较测试点I和测试点8的波形或比较测试点4和测试点5的波形。在图6 (d)中，可看到数字信号在光纤中传输后，信号幅值虽有衰减，但其时延、波形失真均有所改善。这一点在图6 (g)中也可以得到验证，经过传输后的模拟信号比传输前的信号幅值有明显的降低，且相位相反。
[0041]为检测第二电话是否收到信号以及整条回路的通话效果，可检测测试点8即第二电话的去话波形，并与测试点I的第一电话的模拟波形比较如图6 (g)所示。经过传输后的模拟信号比传输前的信号波形相似度较高、幅值有明显的降低，相位反向且存在一定的时延，说明信号在传输过程中有虽有衰减，但该通信系统还是能成功实现信号的传输。
[0042]如图7所示，数学信号源输出信号为1010100101，利用示波器观测图1中测试点9-12的波形，结果如图7所示。当数字信号为高电平时，输出载波，数字信号为低电平时，不输出信号，经过调制后，其波形为图7(a)信号2。高频信号在光纤传输系统的前后比较如图7(c)所示，经过光纤传输的信号几乎没有时延，同步性较好，传输效果总体来说非常好。为检查数字信号在整条回路中的传输效果，可比较图7中测试点9和测试点12的波形，如图7(d)所示。数字信号在1550nm回路传输后，和原来的数字信号相比，波形变化不大，只是略有时延，总的来说传输效果还是很好的。这说明数字基带信号调制到不同的频带上去，通过在接收端又把信号解调出来。这样的处理增强了系统的一定的抗干扰能力。
【权利要求】
1.一种基于波分复用光纤传输的综合通信教学实验装置，其特征在于包括以下组件:第一光纤通信试验箱、波分复用通信装置、第二光纤通信试验箱和通信原理实验箱； 所述的第一光纤通信试验箱中设置有依次连接的第一电话、第一用户接口电路、PCM编码电路、加扰电路和5B6B编码电路； 所述的第二光纤通信试验箱中设置有依次连接的5B6B译码电路、解扰电路、PCM译码电路、第二用户接口电路和第二电话； 所述的通信原理实验箱包括有用于接入数字信号源的2ASK调制模块和用于信号解调并输出的2ASK解调模块； 所述的波分复用通信装置包括有第一光发送机、第二光发送机、与第一光发送机和第二光发送机输入连接的光合波器、与光合波器输入连接的光分波器、以及与光分波器输入连接的第一光接收器和第二光接收器； 所述的5B6B编码电路与第一光发送机输入连接，所述的2ASK调制模块与第二光发送机输入连接，所述的第一光接收器与5B6B译码电路输入连接，所述的第二光接收器与2ASK解调模块输入连接。
【文档编号】G09B25/00GK203931314SQ201420364583
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年7月2日 优先权日:2014年7月2日
【发明者】沈琦, 韦文生, 吕菲, 陈丽红 申请人:温州大学