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光纖通信實驗箱--模擬/數字電話光纖傳輸實驗

一、實驗目的
1．了解電話接口電路組成；
2．了解電話呼叫接續過程；
3．掌握電話呼叫時的各種可聞信號音的特征；
4．了解記發器的工作過程；
5．掌握PCM編譯碼原理；
6．了解雙光纖全雙工通信的組成結構。
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 2根
4．小型電話單機 2部
5．鉚孔連接線若干
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。電端機由電話用戶接口電路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結構。電話語音信號的光纖傳輸，可以有多種方式，一種是原始語音信號，經過光纖直接進行傳輸；另一種方式是先把話音信號數字化，然后再經過光纖傳輸，目前使用最多的是PCM編譯碼方式。
下面先介紹本實驗平臺上兩路電話電路接口示意圖。

圖8.1 電話用戶A結構示意圖

圖8.2 電話用戶B結構示意圖

圖8.3數字電話光纖通信基本組成結構示意圖
（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戶線接口電路。根據用戶電話機的不同類型，用戶線接口電路（SLIC）分為模擬用戶接口電路和數字用戶接口電路兩種。
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、鈴流和外界干擾等高壓大電流的沖擊，過去都是采用晶體管、變壓器（或混合線圈）、繼電器等分立元件構成。在實際中，基于實現和應用上的考慮，通常將BORSHCT功能中過壓保護由外接元器件完成，編解碼器部分另單成一體，集成為編解碼器（CODEC），其余功能由集成模擬SLIC完成。
在布控交換機中，向用戶饋電，向用戶振鈴等功能都是在繩路中實現的，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，由于交換網絡處理的是數字信息，無法向用戶饋電、振鈴等，所以向用戶饋電、振鈴等任務就由用戶線接口電路來承擔完成，再加上其它一些要求，程控交換機中的用戶線接口電路一般要具有B（饋電），R（振鈴）、S（監視）、C（編譯碼）、H（混合）、T（測試）、O（過壓保護）七項功能。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七種功能，具體含義是：
（1）饋電（B-Battery feeling）向用戶話機送直流電流。通常要求饋電電壓為—48伏或—24伏，環路電流不小于18m A.
（2）過壓保護（O—Overvoltage protection）防止過壓過流沖擊和損壞電路、設備。
（3）振鈴控制（R—Ringing Control）向用戶話機饋送鈴流，通常為25Hz/90Vrms正弦波。
（4）監視（S-Supervision）監視用戶線的狀態，檢測話機摘機、掛機與撥號脈沖等信號以送往控制網絡和交換網絡。
（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轉換。通常采用PCM編碼器（Coder）與解碼器(Decoder)來完成,，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）完成二線與四線的轉換功能，即實現模擬二線雙向信號與PCM發送，接收數字四線單向信號之間的連接。過去這種功能由混合線圈實現，現在改為集成電路，因此稱為“混合電路”。
（7）測試（T—Test）對用戶電路進行測試。

圖8.4 模擬用戶線接口功能框圖
用戶線接口電路:
在本實驗系統中，用戶線接口電路選用的是PBL 387 10。PBL 387 10是2/4線厚膜混合用戶線接口電路。它包含向用戶話機恒流饋電、向被叫用戶話機饋送鈴流、用戶摘機后自行截除鈴流，摘掛機的檢測及音頻或脈沖信號的識別，用戶線是否有話機的識別，語音信號的2/4線混合轉換，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。其各項性能指標符合郵電部制定的有關標準。
（1）該電路的基本特性
   1．向用戶饋送鈴流
   2．向用戶恒流饋電
   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．音頻或脈沖撥號檢測
   7．振鈴繼電器驅動輸出
   8．語音信號的2/4線轉換
   9．能識別是否有話機
   10．無需耦合變壓器
（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VBAT以及VDD供給。當環路電阻為2KΩ時，饋電電流為18 mA。具體如下：
     A. 供電電源VBAT采用-48V；
     B. 在靜態情況下（不振鈴、不呼叫），-48V電源通過繼電器靜合接點至話機；
     C. 在振鈴時，-48V電源通過振鈴支路經繼電器動合接點至話機；
     D. 用戶掛機時，話機叉簧下壓，饋電回路斷開，回路無電流流過；
     E. 用戶摘機后，話機叉簧上升，接通饋電回路（在振鈴時接通振鈴支路）回路。
2. PBL 387 10內部具有過壓保護的功能，可以抵抗保護TIPRING端口間的瞬時高壓，如結合外部的熱敏與壓敏電阻保護電路，則可抵抗保護250V左右高壓。
3. 振鈴電路可由外部的振鈴繼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戶饋送鈴流：當繼電器控制端 (RC端) 輸入高電平，繼電器驅動輸出端 (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端口向被叫用戶饋送鈴流。當控制端 (RC端) 輸入低電平或被叫用戶摘機都可截除鈴流。用戶電路內部提供一振鈴繼電器感應電壓抑制箝位二極管。
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，用戶狀態檢測輸出端輸出低電平，以向CPU中央集中控制系統表示用戶“閑”；
   B.用戶摘機時，用戶狀態檢測輸出端輸出高電平，以向CPU中央集中控制系統表示用戶“忙”；
   C.用戶若撥電話號碼為脈沖撥號方式時，該用戶狀態輸出端應能送出撥號數字脈沖。回路斷開時，送出低電平，回路接通時送出高電平（注：本實驗系統不選用脈沖撥號方式，只采用DTMF雙音多頻撥號方式）；
5. 在TIPRING端口間傳輸的語音信號為對地平衡的雙向語音信號，在四線VR端與VX端傳輸的信號為收發分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線與地間的長時間的短路對器件都不會損壞。
7．PBL 387 10提供的雙向語音信號的傳輸衰耗均為－40dB。該傳輸衰耗可以通過PBL 387 10用戶電路的內部調整，也可通過外部電路調整。
8．PBL 387 10的四線端口可供語音信號編譯碼器或交換矩陣使用。
（二）正常呼叫接續時傳送信號工作流程
圖8.6為一次正常呼叫傳送信號流程圖，圖7.1.7是一次正常呼叫狀態分析圖。

圖8.6 一次正常呼叫傳送信號的流程圖
當主叫用戶電話摘機，話機聽筒傳來撥號音。開始撥號，撥號音斷。撥號完畢，若呼叫存在，話機聽筒傳來回鈴音，被叫用戶話機振鈴，被叫用戶摘機，回鈴音斷；若呼叫號碼不存在，話機聽筒傳來忙音。在等待撥號、撥號、呼叫等每個狀態都有計時，若超過規定時間，則呼叫中斷，話機聽筒傳來忙音，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）各種可聞信號音的特征
在用戶話機與交換機之間的用戶線上，要沿兩個方向傳遞語言信息。但是，為了實現一次通話，還必須沿兩個方向傳送所需的控制信號。比如，當用戶想要通話時，必須首先向程控機提供一個信號，能讓交換機識別并使之準備好有關設備，此外，還要把指明呼叫的目的地的信號發往交換機。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，以釋放通話期間所使用的設備。除了用戶要向交換機傳送信號之外，還需要傳送相反方向的信號，如交換機要向用戶傳送關于交換機設備狀況，以及被叫用戶狀態的信號。
由此可見，一個完整電話通信系統，除了交換系統和傳輸系統外，還應有信令系統。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號有各種可聞信號和振鈴信號（鈴流）兩種。
在本實驗系統中，電話呼叫接續時的各種可聞信號音由CPLD可編程邏輯器件EPM240產生，在記發器的控制下，將相應的信號音送給電話用戶。
A．各種可聞信號：一般采用頻率為500Hz的交流信號，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秒斷續的500Hz信號。
忙音：（busy tone）0.35秒送，0.35秒斷的0.7秒斷續的500Hz信號。
B．振鈴信號（鈴流）：一般采用頻率為25Hz，幅度為75V±15V的交流電壓，以1秒送，4秒斷的5秒斷續方式發送。

圖8.8 工作原理框圖
記發器電路是記發器模塊（CPU主處理器）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，它們在系統軟件的作用下，完成對話機狀態的監視、信號音及鈴流輸出的控制、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），可以是A、B，例如DETA是電話Ａ話路的用戶狀態檢測信號（下面文字說明中標號的X含義與此處相同），信號直接送入CPU的P1口，以識別主、被叫用戶摘掛機狀態。
2.信號音控制電路：主要由單片機U501及4066的電子開關組成，由CPU經EPM240口輸出的撥號音控制信號（SELA1）、忙音控制信號（SELA2）、回鈴音控制信號（SELA3）的作用下，分別分時地將上述三種信號通過電子開關送入主叫用戶的電話收端(聽筒)。
3．鈴流控制電路：由上述的單片機U501、EPM240和用戶線接口芯片PBL 38710的有關電路等組成。自動交換時，在單片機U501控制作用下，EPM240口輸出的振鈴音信號（RING），鈴流音控制信號(CA)送給PBL38710，RING信號由PBL38710提升功率后，使其有效值達到75V左右，在CA的控制下送往電話機，驅動振鈴。
4.DTMF接收控制電路：主要由EPM240可編程器件和CPU的中斷端口組成，當MT8870收到電話號碼后，便發出使能信號（12EN或34EN）向CPU(U501芯片)申請中斷，接收電話號碼數據（D1～D4）送給CPU（U501）和EPM240進行處理。然后，CPU（U501）譯成交換命令（COMM字節表示）送往交換單元。

圖8.9 記發器工作過程示意框圖
（四）雙音多頻（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、低群帶通濾器進行f_L/ f_H區分，然后過零檢測、比較，得到相應于DTMF的兩路f_L、f_H信號輸出。該兩路信號經譯碼、鎖存、緩沖，恢復成對應于16種DTMF信號音對的4比特二進制碼（D1～D4）。

圖8.10 典型DTMF接收器原理框圖
本實驗系統采用MT8870進行號碼檢測的，MT8870的譯碼表見7.1.1所示，圖7.1.10為雙音多頻實驗系統的電原理框圖。其中，數據輸出允許端EN和D1～D4見平臺上記發器模塊的左邊測試過孔。
表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、實驗步驟
（一）模擬電話光纖傳輸（單工）
1．關閉系統電源。連接好信號連接線（P601與P201相連，模擬信號的輸出口P205與P806相連,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，打開系統電源。
3．K01、K02、K03左側、K05左側均插上跳線器。
4．液晶選擇“光纖系統實驗”確認
4．電話A摘機（無需撥號呼叫，可直接語音通信）。
5．電話B摘機，電話A到電話B通，反之不通。感受一下電話語音的傳輸效果。
（二）數字電話光纖傳輸（雙工）
1．關閉系統電源，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光接收端機的RX1310法蘭接口連接好；1550nm光發射端機與接收端機用FC-FC單模尾纖相連（通信原理參見圖7.1.3）；另外，信號連接線連接P108、P111（否則電話無法完成信令呼叫接續）。注意K01、K02、K03左側、K05右側均插上跳線器收集好器件的防塵帽。
2．打開系統電源，在液晶菜單選擇“光纖傳輸實驗”的“PCM數據”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DTMF接收器進行譯碼，同時在撥第一個號碼時就通知記發器停止送撥號音信號；
5．電話A撥號完畢，記發器單元給電話A送回鈴音信號（P601等），同時給被呼叫方送振鈴信號；
6．被叫方電話B摘機，摘機信號DET通知記發器。此時，電話A的回鈴音和電話B的振鈴信號結束。
7．通話正常進行，電話A的語音經PCM1編碼，光纖1310nm信道傳輸后送至PCM2譯碼，恢復的語音信號從電話B聽筒播放出來；電話B的語音經PCM2編碼，光纖1550nm信道傳輸后送至PCM1譯碼，恢復的語音信號從電話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）通知記發器單元拆線，電話B空閑，同時給呼叫方電話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現在空閑；一次完整數字電話光纖傳輸系統過程結束。
10．認真思考整個呼叫的過程，實驗驗證系統是怎樣處理各種突發現象的。
測試實驗過程中的各個測試點，敘述信號變化的過程。
11．關閉系統電源，拆除各光器件并套好防塵帽。
注意：一般情況下，一體化數字光端機的輸入電平調節電位器，都右旋到底。如果配置了波分復用解復用器及法蘭1套，自行設計連接方案，實現兩路電話在光纖上的合波及解波的雙工通信，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，請做以下調節：輸入鉚孔接入一個周期性測試信號，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等電位器，保證輸入輸出的測試信號波形最大接近。
注：如對激光\探測器性能測試模塊的各個測試調節點功能不熟悉，請參見附錄三 “激光\探測器性能測試模塊介紹”。
四、測量點說明
電話用戶A測試點：
P601：電話A語音信號發送連接鉚孔；
P602：PCM1編碼的模擬信號輸入鉚孔。
P603：PCM1編碼數據輸出連接鉚孔；
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（譯碼的模擬信號由此孔送入電話機）
電話用戶B測試點：
P801：電話A語音信號發送連接鉚孔；
P802：PCM1編碼的模擬信號輸入鉚孔。
P803：PCM1編碼數據輸出連接鉚孔；
P804：PCM1譯碼數據輸入連接鉚孔；
P805：譯碼的模擬信號輸出
P806：電話機模擬信號輸入（譯碼的模擬信號由此孔送入電話機
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號輸入連接鉚孔。
P202：1310nm光接收端機輸出的數字信號輸出連接鉚孔。
TX1550：輸入1310nm光發射端機的電信號測試點。
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．畫出各個實驗連接示意圖，標上必要的實驗說明。
2．測試并記錄實驗過程中的各個測試點信號波形，分析信號的變化過程。
3．敘述記發器單元的工作過程，嘗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使用的器件。

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