光纖通信實驗箱--模擬/數(shù)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(xù)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(fā)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(tǒng)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(fā)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(jīng)過光纖直接進行傳輸；另一種方式是先把話音信號數(shù)字化，然后再經(jīng)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(shù)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(jù)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(shù)字用戶接口電路兩種。
模擬用戶線接口電路在實現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(wǎng)絡處理的是數(shù)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(jiān)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(huán)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(jiān)視（S-Supervision）監(jiān)視用戶線的狀態(tài)，檢測話機摘機、掛機與撥號脈沖等信號以送往控制網(wǎng)絡和交換網(wǎng)絡。
（5）編解碼與濾波（C-CODEC/Filter）在數(shù)字交換中,它完成模擬話音與數(shù)字碼間的轉換。通常采用PCM編碼器（Coder）與解碼器(Decoder)來完成,，統(tǒng)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(xiàn)模擬二線雙向信號與PCM發(fā)送，接收數(shù)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(xiàn)，現(xiàn)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(tǒng)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(nèi)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(huán)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(tài)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(jīng)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(nèi)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(nèi)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(jīng)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(nèi)部提供一振鈴繼電器感應電壓抑制箝位二極管。
4. 監(jiān)視用戶線的狀態(tài)變化即檢測摘掛機信號，具體如下：
   A.用戶掛機時，用戶狀態(tài)檢測輸出端輸出低電平，以向CPU中央集中控制系統(tǒng)表示用戶“閑”；
   B.用戶摘機時，用戶狀態(tài)檢測輸出端輸出高電平，以向CPU中央集中控制系統(tǒng)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(tài)輸出端應能送出撥號數(shù)字脈沖?；芈窋嚅_時，送出低電平，回路接通時送出高電平（注：本實驗系統(tǒng)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?shù)恼Z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?shù)男盘枮槭瞻l(fā)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(nèi)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(xù)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(tài)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(tài)都有計時，若超過規(guī)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(tài)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(xiàn)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(fā)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(tài)的信號。
由此可見，一個完整電話通信系統(tǒng)，除了交換系統(tǒng)和傳輸系統(tǒng)外，還應有信令系統(tǒng)。用戶向電信局交換機發(fā)送的信號有用戶狀態(tài)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(fā)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(tǒng)中，電話呼叫接續(xù)時的各種可聞信號音由CPLD可編程邏輯器件EPM240產(chǎn)生，在記發(fā)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(xù)發(fā)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秒送，0.35秒斷的0.7秒斷續(xù)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(xù)方式發(fā)送。

圖8.8  工作原理框圖
 
記發(fā)器電路是記發(fā)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(tǒng)軟件的作用下，完成對話機狀態(tài)的監(jiān)視、信號音及鈴流輸出的控制、電話號碼的識別、交換命令發(fā)送等功能。見圖7.1.9，具體敘述如下：
1.用戶狀態(tài)檢測電路：接收各個用戶線接口電路輸出的用戶狀態(tài)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(tài)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(tài)。
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(jīng)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(fā)出使能信號（12EN或34EN）向CPU(U501芯片)申請中斷，接收電話號碼數(shù)據(jù)（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(jié)表示）送往交換單元。
 
圖8.9  記發(fā)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(jīng)高、低群帶通濾器進行f_L  / f_H區(qū)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(jīng)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(tǒng)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(tǒng)的電原理框圖。其中，數(shù)據(jù)輸出允許端EN和D1～D4見平臺上記發(fā)器模塊的左邊測試過孔。
  表7.1.1  MT8870譯碼表

fL（Hz）	fH(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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(shù)字電話光纖傳輸（雙工）
1．關閉系統(tǒng)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(fā)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(fā)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(xù)）。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(tǒng)電源，在液晶菜單選擇“光纖傳輸實驗”的“PCM數(shù)據(jù)”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(shù)字信號輸出。
3．電話A摘機，此時摘機信號DET通知記發(fā)器做好呼叫通話的一切準備，同時，記發(fā)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(fā)器停止送撥號音信號；
5．電話A撥號完畢，記發(fā)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(fā)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(jīng)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(jīng)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(fā)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(fā)器單元，電話A現(xiàn)在空閑；一次完整數(shù)字電話光纖傳輸系統(tǒng)過程結束。
10．認真思考整個呼叫的過程，實驗驗證系統(tǒng)是怎樣處理各種突發(fā)現(xiàn)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(tǒng)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(shù)字光端機的輸入電平調節(jié)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(xiàn)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(jié)：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(jié)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(jié)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”。

五、測量點說明
電話用戶A測試點：
P601：電話A語音信號發(fā)送連接鉚孔；
P602：PCM1編碼的模擬信號輸入鉚孔。
P603：PCM1編碼數(shù)據(jù)輸出連接鉚孔；
P604：PCM1譯碼數(shù)據(jù)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(fā)送連接鉚孔；
  P802：PCM1編碼的模擬信號輸入鉚孔。
  P803：PCM1編碼數(shù)據(jù)輸出連接鉚孔；
  P804：PCM1譯碼數(shù)據(jù)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(fā)射端機的電信號測試點。
P201: 1310nm光發(fā)射端機的數(shù)字信號輸入連接鉚孔。
P202：1310nm光接收端機輸出的數(shù)字信號輸出連接鉚孔。
 
TX1550：輸入1310nm光發(fā)射端機的電信號測試點。
P203: 1550nm光發(fā)射端機的數(shù)字信號輸入連接鉚孔。
P204：1550nm光接收端機輸出的數(shù)字信號輸出連接鉚孔。
 
六、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(fā)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(xiàn)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。