主頁 > 技（jì）術文章 > 光（guāng）纖通信實驗箱--模擬/數字電（diàn）話光纖傳輸實驗 2021-10-19

光（guāng）纖通信實驗箱--模（mó）擬/數字電話（huà）光纖傳輸實驗

一、實驗目（mù）的
1．了解電話接（jiē）口（kǒu）電路組成；
2．了解電話呼叫接續過程；
3．掌握電話呼叫時的各種可（kě）聞信號音的（de）特征；
4．了解記（jì）發器的工作過程；
5．掌（zhǎng）握PCM編譯碼原理；
6．了解雙光纖全雙（shuāng）工通信的組成結構。
二（èr）、實驗儀器
1．光纖通（tōng）信實驗（yàn）箱
2．20M雙（shuāng）蹤（zōng）示波（bō）器
3．FC-FC單模光跳線 2根
4．小型電話單機 2部
5．鉚孔連接（jiē）線若幹
三、基本（běn）原理
本實驗係統主（zhǔ）要由（yóu）兩大（dà）部分組成：電端機部分、光信（xìn）道部分。電端（duān）機由電話（huà）用（yòng）戶接（jiē）口電路A、PCM編譯碼A、記發器電路、PCM編譯碼B、電話用戶接口電路B等組成，光信道為雙光纖通信（xìn）結構。電話語音信號的光（guāng）纖傳輸，可以有多種方式，一種（zhǒng）是原始語音信號，經過光纖直接進行傳輸；另（lìng）一種方式是先（xiān）把（bǎ）話（huà）音信號數字化，然後再經過光纖傳輸，目前使用最多的是PCM編譯碼方式。
下麵先介紹本實驗平台上兩路電話電路接口（kǒu）示意圖。

圖8.1 電話用戶A結構示意圖

圖8.2 電話用戶B結（jié）構示意（yì）圖

圖8.3數字電話光纖通信基本（běn）組成結構示意圖
（一）電話接口電路原理介紹
用戶電路也可稱為用戶線接口電路（Subscriber Line Interface Circuit—SLIC）。任何交換機都具有用（yòng）戶線接口電路。根據用戶電話機的不同（tóng）類型，用戶線接口電路（SLIC）分（fèn）為（wéi）模擬用戶接口電路和數字（zì）用戶接口電路（lù）兩種。
模擬用戶線接口電路在實現上的最大壓力是應能承受饋電、鈴流和外界幹擾等高壓大電流的衝擊，過去都是采用（yòng）晶體管、變壓（yā）器（或混合線圈）、繼電器等分立元件（jiàn）構成（chéng）。在實際中，基（jī）於實現和（hé）應用上的考慮，通常將BORSHCT功能（néng）中過壓保護由外接元（yuán）器件完成，編解碼器部分另單成一體，集（jí）成為編解（jiě）碼器（CODEC），其（qí）餘功能由（yóu）集成模擬（nǐ）SLIC完成。
在布控交換機中，向用（yòng）戶饋（kuì）電，向（xiàng）用戶振鈴等功能都是在繩（shéng）路中實現的，饋電電壓一般是-60V，用戶的饋電電流一般是20mA～30mA，鈴流是25Hz,90V左右，而在程控交換機中，由於交換網絡處理的是數字（zì）信息，無法向用戶饋電、振鈴（líng）等（děng），所（suǒ）以（yǐ）向用戶饋電、振鈴等任務就由用戶（hù）線接口電路來承擔完成，再（zài）加上其它一些要求，程控交換機中的用（yòng）戶線接口電路一般要（yào）具有B（饋電），R（振鈴（líng））、S（監（jiān）視）、C（編譯碼）、H（混合）、T（測（cè）試）、O（過壓保護）七項功能（néng）。圖7.1.4為模擬用戶線接口功能框圖。
模擬用戶線接口電路的功能可以歸納為BORSCHT七種（zhǒng）功能，具（jù）體含（hán）義是：
（1）饋電（B-Battery feeling）向用戶（hù）話機送直流電流。通常要求饋電電壓為—48伏（fú）或—24伏，環路電流不小於18m A.
（2）過壓保護（O—Overvoltage protection）防止過壓過流衝擊和損壞電（diàn）路、設備。
（3）振鈴控製（R—Ringing Control）向用戶話機饋（kuì）送鈴流，通（tōng）常為25Hz/90Vrms正弦波。
（4）監視（S-Supervision）監視用戶線的狀態，檢測話機摘機、掛（guà）機與撥號脈衝等信號以送往控製（zhì）網絡（luò）和（hé）交（jiāo）換網絡。
（5）編解碼與濾波（C-CODEC/Filter）在數字交換中,它完成模擬話音與數字碼間的（de）轉（zhuǎn）換。通常采用PCM編碼器（Coder）與解碼（mǎ）器(Decoder)來完成（chéng）,，統稱為CODEC。相應的防混疊與平滑低通濾波器占有話路（300Hz-3400Hz）帶寬，編碼速率為64kb/s。
（6）混合（H—Hyhird）完成二線（xiàn）與四線的轉換功能，即實現模擬二線雙向信號與（yǔ）PCM發送，接收數（shù）字四線單向信號之間的連接。過去（qù）這種功能由混合線圈實現，現在改為集成電路，因此稱為“混合電（diàn）路”。
（7）測（cè）試（T—Test）對用戶電路進行測試。

圖8.4 模擬用（yòng）戶線接口功能（néng）框（kuàng）圖
用戶線（xiàn）接口（kǒu）電路:
在本實驗係統（tǒng）中，用戶線接口電路選用（yòng）的是PBL 387 10。PBL 387 10是2/4線厚膜混合用戶（hù）線接口電路。它包含向（xiàng）用戶話機恒流饋電、向被叫用戶話機饋送鈴流、用戶摘機後自行截除（chú）鈴流（liú），摘掛機的檢測及音頻或脈（mò）衝信號（hào）的識別，用戶線是否有話機的識別，語音信號的2/4線混（hún）合轉換，外接振鈴繼電器驅動輸出。PBL 387 10用戶電路的雙向傳輸衰耗均為﹣1dB，供電電源（yuán）為+ 5 V和﹣5 V，PBL 387 10還將輸入的鈴流信號放大以達到電話振鈴工作的要求，即達到+75V的有效值（zhí）。其各項（xiàng）性能指標符合郵電部（bù）製定（dìng）的有關標準。
（1）該電路（lù）的基本特性
   1．向用戶饋送鈴流
   2．向用戶恒流饋（kuì）電
   3．過壓過流保護
   4．被叫用戶摘機自截鈴
   5．摘掛機檢測和LED顯示
   6．音頻或脈衝撥（bō）號檢測
   7．振鈴（líng）繼電器驅動輸出
   8．語音信號的2/4線轉換
   9．能識別是否（fǒu）有話（huà）機
   10．無（wú）需耦合變壓器
（2）用戶線接口電路主要功能

圖8.5 PBL 387 10內部電路方框圖
1. 向用戶話機供電，PBL 387 10可對用戶話機提供恒流饋電，饋電電流由（yóu）VBAT以及VDD供給。當環路（lù）電阻為2KΩ時，饋電電流為18 mA。具體如下：
     A. 供電電源VBAT采用（yòng）-48V；
     B. 在靜態情況下（不振鈴、不呼叫），-48V電源（yuán）通過繼電器靜合接點至話機；
     C. 在振鈴時，-48V電源（yuán）通過振鈴支路（lù）經繼電器動合接點（diǎn）至（zhì）話機；
     D. 用戶（hù）掛（guà）機時，話機叉簧下壓，饋電（diàn）回路斷開，回（huí）路無電流流（liú）過（guò）；
     E. 用戶摘機後，話（huà）機（jī）叉簧上升，接通（tōng）饋電回路（在振鈴時接通振鈴支路）回路。
2. PBL 387 10內部（bù）具有過壓保護的功能（néng），可以抵抗保護TIPRING端口間的瞬（shùn）時高壓（yā），如結合外部的熱敏與壓敏（mǐn）電阻保護電路，則可抵抗保護250V左右高（gāo）壓。
3. 振鈴電路可由外部的振鈴（líng）繼（jì）電器和用戶電路內部的繼電器驅動電路以及鈴流電源向用（yòng）戶饋送鈴流：當繼電器控（kòng）製端 (RC端) 輸入高電平，繼電器（qì）驅動輸出端 (RD端) 輸出高電平，繼電器接通，此時鈴流源通過與振鈴繼電器連接的15端 (RV端) 經TIPRING端口（kǒu）向被叫用戶饋送鈴流。當控製端 (RC端（duān）) 輸入低電平或被叫用（yòng）戶摘機都可截（jié）除鈴流。用戶（hù）電路內部提供一振鈴繼（jì）電器感應電壓抑製（zhì）箝位二極管。
4. 監視用戶線的狀態變化即檢測摘掛機信號，具體如下：
   A.用戶掛機時，用戶狀態檢（jiǎn）測輸出端輸出低電平，以向CPU中央集中（zhōng）控製係統表示用（yòng）戶“閑”；
   B.用戶摘機時，用戶狀態檢測輸出端輸出高電平，以向CPU中（zhōng）央集中控製係（xì）統表示用戶“忙”；
   C.用戶若撥電話（huà）號碼為（wéi）脈衝撥號方式時（shí），該用戶狀態輸出端應能送出撥號數字脈衝。回路斷開時，送出低電平，回路接通時送出高電平（注：本實驗係統不選用脈衝撥號方式，隻采用（yòng）DTMF雙音多頻撥（bō）號方式）；
5. 在TIPRING端口間傳輸的語音信號為對（duì）地平衡的雙（shuāng）向語音信號，在（zài）四線VR端與VX端傳輸（shū）的信號為收發分（fèn）開的不平衡語音信號。PBL 387 10可以進行TIPRING端口與四線VR端和VX端間語音信號的雙向傳輸和2 / 4線混合轉換。
6. PBL 387 10可以提供用戶線短路保護：TIP線與RING線間，TIP線與地間，RING線與地間的長時（shí）間的短路（lù）對器件都不會損壞。
7．PBL 387 10提（tí）供的雙（shuāng）向語音信號的（de）傳輸衰耗均為－40dB。該傳輸衰耗可以通過PBL 387 10用戶電（diàn）路的內部調整，也可（kě）通過外部電路調整。
8．PBL 387 10的四線端口可供語（yǔ）音信號編譯（yì）碼器或（huò）交換矩陣使用。
（二）正常呼叫接續時傳送信號工作流程
圖8.6為一次正常（cháng）呼叫傳送信號流程圖，圖7.1.7是一次正常呼叫狀態分析（xī）圖。

圖8.6 一次正常呼叫傳送信（xìn）號的（de）流程圖
當主叫用戶電話摘機，話機聽筒（tǒng）傳來撥（bō）號音。開始撥號，撥號（hào）音斷。撥號（hào）完（wán）畢，若呼（hū）叫（jiào）存在，話機聽筒傳來（lái）回鈴音，被叫用戶話機振鈴，被叫用戶摘機，回鈴音（yīn）斷（duàn）；若呼叫號碼不存在（zài），話機聽筒傳來忙音。在等待撥號、撥號、呼（hū）叫等每個狀態都有計時，若超過規定時間，則呼（hū）叫中斷，話機（jī）聽（tīng）筒傳來忙音（yīn），催掛機。通話完畢，一方掛機，另一方送忙音。

圖8.7 一次正常呼叫狀態分析圖
（三（sān））各種可聞信號音的特征（zhēng）
在用戶話機與交（jiāo）換機之間的用戶線上，要沿（yán）兩個方向傳（chuán）遞語言信息。但是，為了實現一（yī）次通話，還必須沿兩個方向傳（chuán）送所需的控製信號。比（bǐ）如，當用戶想要通話時，必須（xū）首先向程控機提供一個信號，能讓（ràng）交換機識別並使之準備（bèi）好有關（guān）設備，此外，還要把指明呼叫的目的地的（de）信（xìn）號發往交換機。當用戶想要結束通話時，也必須向電信局交換機提供一個信號，以釋放通話（huà）期間所使（shǐ）用的設備。除了用戶要向交換機傳送信號（hào）之外，還需要傳送相反方向的信號，如交（jiāo）換機要向用戶傳送關於交換機設備狀況，以及被叫用戶狀態的信（xìn）號。
由此可見，一（yī）個完整電話通信係統，除了交換係統和（hé）傳輸係（xì）統外，還應有信令係統。用戶向電信局交換機發送的信號有用戶狀態信號（一般為直流信號）和號碼信號（地址信號）。交換機向用戶發送的信（xìn）號有各種可聞信號和振鈴信（xìn）號（鈴流）兩種。
在本實驗係統中，電話呼叫接續時的各種可聞信（xìn）號（hào）音由CPLD可（kě）編程邏輯器件EPM240產生，在（zài）記（jì）發器的控製下，將相應的信號音送給（gěi）電話用戶（hù）。
A．各種可聞信號：一般采用頻率為500Hz的交（jiāo）流信號，例如：
撥號音：（Dial tone）連續發送的500Hz信號。
回鈴音：（Echo tone）1秒送，4秒斷的5秒斷續（xù）的500Hz信號。
忙音：（busy tone）0.35秒（miǎo）送，0.35秒斷的0.7秒斷續（xù）的500Hz信號。
B．振鈴信號（hào）（鈴（líng）流）：一（yī）般采用頻率為25Hz，幅度（dù）為（wéi）75V±15V的交流電壓，以1秒送（sòng），4秒斷的5秒斷續方式發送。

圖8.8 工作原理框圖
記發器電路（lù）是記發器模塊（CPU主處理器（qì））及外圍電路，主要由CPU芯片U501 （AT89C51）、CPLD可編程器件EPM240、鎖存器74HC573等組成，它們在係統（tǒng）軟（ruǎn）件的作用下，完成對話機狀（zhuàng）態的監視、信號音（yīn）及鈴流輸出的（de）控製、電話號碼的識別、交換命令發送等功能。見圖7.1.9，具體敘述如下：
1.用戶狀態檢測電路：接收各個用戶線接口電路輸出的用戶狀態檢測信號DETX（X是話路的序號），可以（yǐ）是A、B，例如DETA是電話Ａ話路（lù）的用戶狀態檢測信號（下麵文（wén）字說明（míng）中標號的X含義與此處相（xiàng）同），信號直接送入CPU的P1口，以識別主、被叫（jiào）用戶摘掛機狀態。
2.信號（hào）音控製電路：主要由單片機U501及4066的（de）電子開關組成，由CPU經EPM240口輸出的撥號音（yīn）控製信號（SELA1）、忙音（yīn）控製信號（SELA2）、回鈴音控製信號（SELA3）的作用下，分別分時地（dì）將上述（shù）三（sān）種信號通過電子（zǐ）開關送入主叫用戶的電話收端(聽筒)。
3．鈴流控製電路：由上述的單片（piàn）機U501、EPM240和用戶（hù）線接口芯片PBL 38710的有關（guān）電路（lù）等組成。自動交換時，在單（dān）片機U501控製作用下，EPM240口輸出（chū）的振鈴（líng）音信號（hào）（RING），鈴流音控製信（xìn）號(CA)送給PBL38710，RING信號由PBL38710提升功率後，使其有效值達到75V左右，在CA的控（kòng）製下送往電話機，驅動振鈴。
4.DTMF接收控製電（diàn）路：主要由EPM240可編程器件和（hé）CPU的中斷端口組成，當MT8870收到電話（huà）號碼後（hòu），便（biàn）發出使（shǐ）能信號（12EN或34EN）向（xiàng）CPU(U501芯片)申請中斷，接收電話號碼數據（D1～D4）送給CPU（U501）和EPM240進行（háng）處理。然後，CPU（U501）譯成交換命令（COMM字節表（biǎo）示）送往交換單元。

圖8.9 記發器工作（zuò）過程示意框圖
（四）雙音多頻（pín）（DTMF）檢測
DTMF接收器包括DTMF分組濾波器和DTMF譯碼器，其基本原理如圖7-1所示。DTMF接收器先經高、低群帶通（tōng）濾器進行f_L/ f_H區分，然後過零檢測、比較，得到相應於DTMF的兩（liǎng）路f_L、f_H信號輸出。該兩路信號經譯碼、鎖存、緩衝，恢複成對應於16種DTMF信號音對的4比特二進製碼（D1～D4）。

圖8.10 典型DTMF接收（shōu）器原理框圖
本實驗係統采用MT8870進（jìn）行號碼檢測的，MT8870的（de）譯碼表見7.1.1所示（shì），圖7.1.10為雙音多頻實驗（yàn）係統的（de）電原理框圖。其中，數據輸出（chū）允（yǔn）許端EN和D1～D4見（jiàn）平台上記發器模塊的左（zuǒ）邊測試過孔。
表（biǎo）7.1.1 MT8870譯碼表

f_L（Hz）	f_H(Hz)	NO.	EN	D₀₄	D₀₃	D₀₂	D₀₁
697	1209	1	H	L	L	L	H
697	1336	2	H	L	L	H	L
697	1477	3	H	L	L	H	H
770	1209	4	H	L	H	L	L
770	1336	5	H	L	H	L	H
770	1477	6	H	L	H	H	L
852	1209	7	H	L	H	H	H
852	1336	8	H	H	L	L	L
852	1477	9	H	H	L	L	H
941	1336	0	H	H	L	H	L
941	1209	*	H	H	L	H	H
941	1477	#	H	H	H	L	L
697	1633	A	H	H	H	L	H
770	1633	B	H	H	H	H	L
852	1633	C	H	H	H	H	H
941	1633	D	H	L	L	L	L
			L	Z	Z	Z	Z

三、實（shí）驗步驟
（一）模擬電話光纖傳輸（單工）
1．關閉係統電源。連接好信號連接線（P601與P201相連（lián），模擬（nǐ）信號的輸出口P205與P806相連（lián）,P108與P111相連），即構成電話A到電話B的單工語音信號直接光纖傳輸通道。
2．電話A、B接上電話單機，打開係統電源（yuán）。
3．K01、K02、K03左側、K05左側均插上跳線器（qì）。
4．液晶選擇“光纖係（xì）統實驗”確認
4．電話A摘機（無需撥號（hào）呼叫，可直接語音通信）。
5．電話B摘機，電話（huà）A到電話B通，反之不通。感（gǎn）受一下（xià）電話語（yǔ）音的傳（chuán）輸效果。
（二）數字電話光纖傳輸（雙工）
1．關閉係統電源，電話單機、信號連接線（P601—P602，P603-P201，P202-P804，P801-P802，P803-P203，P204-P604，P605-P606，P805-P806）、1310nm光發射端機的TX1310法蘭接口、FC-FC單模尾纖、1310nm光接收端（duān）機的RX1310法蘭接口連接好；1550nm光（guāng）發射端機與接收（shōu）端機用FC-FC單模尾纖相連（通信原理參見圖7.1.3）；另（lìng）外，信號連接線連接P108、P111（否則電話無法完成信令（lìng）呼叫接續（xù））。注意K01、K02、K03左側、K05右側均（jun1）插（chā）上跳線器收集好器件的（de）防塵帽。
2．打開（kāi）係統電源，在（zài）液（yè）晶菜單選擇“光（guāng）纖傳輸實驗”的“PCM數（shù）據”子菜單，確認；電話A、B兩路“PCM編譯碼”正常工作，將語音信號轉化為64KHZ的數字信號輸出。
3．電話A摘機，此時摘機信號DET通知記發器做好呼叫通話的一切準備，同時，記發器給電話A送上撥號音信號，測試P601點；
4．電話A撥號（如：49），號碼信號（P601）傳送到（dào）DTMF接收器進行譯碼，同時在撥第一（yī）個號碼時（shí）就通知（zhī）記發（fā）器停止送撥號音信（xìn）號；
5．電話A撥號完（wán）畢，記發器單（dān）元給電話A送回鈴音信號（P601等），同時給被呼（hū）叫方送振鈴信號；
6．被叫方電話B摘機，摘機信號（hào）DET通知記發器。此時，電話A的回鈴（líng）音和電話B的振鈴信號結束。
7．通（tōng）話正常進行，電話A的語（yǔ）音經PCM1編碼，光纖1310nm信道傳輸（shū）後送至PCM2譯碼，恢複的語音信號從電話B聽筒播放出來；電（diàn）話B的語音經PCM2編碼（mǎ），光纖1550nm信道傳輸後送至PCM1譯（yì）碼，恢複的語音信號從電（diàn）話A聽筒播放出來。
8．被叫方電話B掛機，通信結束。掛機信號（DET）通（tōng）知記發器單元拆線，電話B空閑，同時給呼叫方電（diàn）話A送忙音信號（P601）；
9．電話A掛機，掛機信號（DET）通知記發器單元，電話A現（xiàn）在空閑；一次完整數字電話光纖傳（chuán）輸（shū）係統過程結束。
10．認真思考整個呼叫的過程，實驗驗證係統是怎樣處理各種突發（fā）現象的。
測試實驗過程中的各個測試點，敘述信號變化的過（guò）程。
11．關閉係統電源，拆除各（gè）光器件並套好防塵帽。
注意：一般情況下，一體化數（shù）字光端機的輸入電平調節電（diàn）位器，都右旋到底。如果配置了波分複用解複用器及法蘭1套，自行設計連接方案，實現兩路電話在光纖（xiān）上的合波及解波的雙工（gōng）通信（xìn），畫出你的實驗方框圖。
如果“激光/探測器性能測試模塊”通信效果不理想，請做（zuò）以下調節：輸入鉚孔接入一個周期性（xìng）測試信號，用示波器兩探頭同時測試模塊輸入輸出鉚孔，對比輸入輸出的測試信號波形，調節W201、W202、W203等電（diàn）位器，保證輸入（rù）輸出的測試信號波形（xíng）最大接（jiē）近。
注：如（rú）對激光\探測器性能測試模（mó）塊（kuài）的（de）各個測試（shì）調（diào）節點功能不熟（shú）悉，請參見附錄三 “激光\探（tàn）測（cè）器性能（néng）測試模塊介紹”。
四、測量點說明
電（diàn）話用戶（hù）A測試點：
P601：電話A語（yǔ）音（yīn）信號發送連接鉚孔（kǒng）；
P602：PCM1編碼的模擬信（xìn）號輸入鉚孔。
P603：PCM1編碼數據輸出連接（jiē）鉚孔（kǒng）；
P604：PCM1譯碼數據輸入連接鉚孔；
P605：譯碼的模擬信號輸出
P606：電話機模擬信號輸入（譯碼的模擬信號由（yóu）此孔送入電話機）
電話用戶B測試點（diǎn）：
P801：電話A語音信號發送連接鉚孔（kǒng）；
P802：PCM1編碼的模擬信號輸入鉚孔。
P803：PCM1編碼數據輸出連（lián）接（jiē）鉚孔；
P804：PCM1譯碼數據（jù）輸入連接（jiē）鉚孔；
P805：譯碼的模擬信號輸出
P806：電話機模擬信號輸入（rù）（譯碼的模擬信號由此孔送入電話（huà）機
光信道測試點說明：
TP201：輸入1310nm光發射端機的電信號測試點。
P201: 1310nm光發射端機的數字信（xìn）號輸入連接（jiē）鉚孔。
P202：1310nm光接收端機輸出的數字（zì）信號輸出連接鉚孔。
TX1550：輸入1310nm光發射端機的電信號測（cè）試點。
P203: 1550nm光發射端機的數字信號輸入連接鉚孔。
P204：1550nm光接收端機輸出的數字信號輸出連接鉚孔。
五、實驗結果
1．畫出各個實驗連（lián）接示（shì）意圖，標上必要的（de）實驗說明。
2．測（cè）試並（bìng）記錄實驗過程中的各個測試點信號波形，分析信號（hào）的變化過程。
3．敘述記發器單元的工作（zuò）過（guò）程，嚐（cháng）試畫出其程序流程圖。
4．自行設計連接方案，實現兩電話語音單光纖的同向和反向本地雙工通信，畫出你的實驗方框圖及（jí）使用的器件。

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