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光纖通信實驗箱--光纖信道眼圖觀察


一、實驗目的
1.了解眼圖產生原理;
2.用示波器觀測擾碼的光纖信道眼圖。
 
二、實驗儀器
1.光纖通信實驗箱
2.20M雙蹤示波器
3.FC-FC單模光跳線
4.信號連接線  3根
三、基本原理
本實驗系統主要由兩大部分組成:電端機部分、光信道部分。電端機又分為電信號發射和電信號接收兩子部分,光信道又可分為光發射端機、光纖、光接收端機三個子部分。在本實驗中,涉及的電發射部分有兩個功能模塊: 8位的自編數據功能和擾碼功能。涉及的電接收部分就是收端均衡濾波器電路、時鐘提取、再生、相應的解擾功能。眼圖觀測的實驗結構如下圖所示:

圖7.1 CMI碼光纖通信基本組成結構
在整個通信系統中,通常利用眼圖方法估計和改善傳輸系統性能。
我們知道,在實際的通信系統中,數字信號經過非理想的傳輸系統必定要產生畸變,也會引入噪聲和干擾,也就是說,總是在不同程度上存在碼間串擾。在碼間串擾和噪聲同時存在情況下,系統性能很難進行定量的分析,常常甚至得不到近似結果。為了便于評價實際系統的性能,常用觀察眼圖進行分析。
眼圖可以直觀地估價系統的碼間干擾和噪聲的影響,是一種常用的測試手段。         
 什么是眼圖?
所謂“眼圖”,就是由解調后經過接收濾波器輸出的基帶信號,以碼元同步時鐘作為同步信號在示波器屏幕上顯示的波形。干擾和失真所產生的傳輸畸變,可以在眼圖上清楚地顯示出來。

7.2 無失真及有失真時的波形及眼圖
(a) 無碼間串擾時波形;無碼間串擾眼圖
(b) 有碼間串擾時波形;有碼間串擾眼圖
在圖7.2中畫出兩個無噪聲的波形和相應的“眼圖”,一個無失真,另一個有失真(碼間串擾)。
圖7.2中可以看出,眼圖是由虛線分段的接收碼元波形疊加組成的。眼圖中央的垂直線表示取樣時刻。當波形沒有失真時,眼圖是一只“完全張開”的眼睛。在取樣時刻,所有可能的取樣值僅有兩個:+1或-1。當波形有失真時,在取樣時刻信號取值分布在小于+1或大于-1附近,“眼睛”部分閉合。這樣,保證正確判決所容許的噪聲電平就減小了。換言之,在隨機噪聲的功率給定時,將使誤碼率增加。“眼睛”張開的大小就表明失真的嚴重程度。
為便于說明眼圖和系統性能的關系,我們將它簡化成圖7.3的形狀。

7.3   眼圖的重要性質
由此圖可以看出:(1)最佳取樣時刻應選擇在眼睛張開最大的時刻;(2)眼睛閉合的速率,即眼圖斜邊的斜率,表示系統對定時誤差靈敏的程度,斜邊愈陡,對定位誤差愈敏感;(3)在取樣時刻上,陰影區的垂直寬度表示最大信號失真量;(4)在取樣時刻上,上下兩陰影區的間隔垂直距離之半是最小噪聲容限,噪聲瞬時值超過它就有可能發生錯誤判決;(5)陰影區與橫軸相交的區間表示零點位置變動范圍,它對于從信號平均零點位置提取定時信息的解調器有重要影響。實驗室理想狀態下的眼圖如圖7.4所示。
衡量眼圖質量的幾個重要參數有:
1.眼圖開啟度(U-2ΔU)/U
指在最佳抽樣點處眼圖幅度“張開”的程度。無畸變眼圖的開啟度應為100%。
其中U=U++U-  
2.“眼皮”厚度2ΔU/U
指在最佳抽樣點處眼圖幅度的閉合部分與最大幅度之比,無畸變眼圖的“眼皮”厚度應等于0。
3.交叉點發散度ΔT/T
指眼圖過零點交叉線的發散程度,無畸變眼圖的交叉點發散度應為0。
4.正負極性不對稱度    
指在最佳抽樣點處眼圖正、負幅度的不對稱程度。無畸變眼圖的極性不對稱度應為0。
最后,還需要指出的是:由于噪聲瞬時電平的影響無法在眼圖中得到完整的反映,因此,即使在示波器上顯示的眼圖是張開的,也不能完全保證判決全部正確。不過,原則上總是眼睛張開得越大,誤判越小。
在圖6.5.4中給出從示波器上觀察到的比較理想狀態下的眼圖照片。

(a) 二進制系統    (b) 隨機數據輸入后的二進制系統
圖7.4  實驗室理想狀態下的眼圖
四、實驗步驟
1.關閉系統電源,按照圖7.1將1310nm光發射端機的TX1310法蘭接口、FC-FC單模尾纖、1310nm光接收端機的RX1310法蘭接口連接好。注意收集好器件的防塵帽。
2.打開系統電源,在液晶菜單選擇“碼型變換實驗-擾碼PN”的子菜單,確認; P101測試點觀測菜單選擇的基帶數據序列。
3.用信號連接線連接P103、P201兩鉚孔,示波器A通道測試TP201測試點,確認有相應的波形輸出。注意插好KO1、KO2、KO3跳線器。連接P202、P111兩鉚孔,即將光電轉換信號送入數據接收單元。信號轉換過程如圖7.1
4.對照加擾規則,觀測P103測試點的加擾后序列信號,是否符合其規則。看波形碼型時可用其時鐘進行同步。P102為數據對應的時鐘,P106為擾碼數據。
5.示波器B通道測試P202測試點,看是否有與TP201測試點一樣或類似的信號波形。注意看K05插入右側,測試P115譯碼輸出測試點,看是否跟發端設置的基帶數據P101測試點一樣或類似的信號波形。
6.連接P202、P112,即1310nm光接收端機光電轉換加擾后數據自動送往均衡濾波器電路。示波器A通道(觸發TRTIGGER檔)測試P102測試點(與碼元同步的時鐘T),示波器B通道測試TP106測試點(均衡濾波器輸出波形)
7.調節調整示波器的掃描周期(=nT),使TP106的升余弦波波形的余輝反復重疊(即與碼元的周期同步),則可觀察到n只并排的眼圖波形。眼圖上面的一根水平線由連1引起的持續正電平產生,下面的一根水平線由連0碼引起的持續的負電平產生,中間部分過零點波形由1、0交替碼產生。
8.調整W901直到TP106點波形出現過零點波形重合、線條細且清晰的眼圖波形(即無碼間串擾、無噪聲時的眼圖)。在調整W901過程中,可發現眼圖過零點波形重合時W901的位置不是唯一的,它正好驗證了無碼間串擾的傳輸特性不唯一。
9.關閉系統電源,拆除各光器件并套好防塵帽。
五、測量點說明
P101:菜單設置的數字序列輸出序列波形測試點。
P102:P101對應的碼元時鐘測試點。
P103:對應的加擾后信號。
P106:擾碼數據序列。
P111:數據接收單元的電信號接收鉚孔。
P112:均衡濾波器的信號輸入鉚孔。
P115:解擾輸出。
P201:光發射端機的外部電信號輸入鉚孔。
TP201:輸入1310nm光發射端機的電信號測試點。
P202: 1310nm光接收端機輸出的數字信號。
TP106:通過均衡濾波器輸出波形,眼圖觀測點。
六、實驗結果
1.繪出實驗觀察到的幾種情況下的升余弦波形及眼圖形狀,標上必要的實驗說明。
2.敘述眼圖的產生原理以及它的作用。

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