光纤通信实验箱--光纤信道眼图观察

一、实验目的
1．了解眼图产生原理；
2．用示波器观测扰码的光纤信道眼图。
 
二、实验仪器
1．光纤通信实验箱
2．20M双踪示波器
3．FC-FC单模光跳线
4．信号连接线  3根
三、基本原理
本实验系统主要由两大部分组成：电端机部分、光信道部分。电端机又分为电信号发射和电信号接收两子部分，光信道又可分为光发射端机、光纤、光接收端机三个子部分。在本实验中，涉及的电发射部分有两个功能模块： 8位的自编数据功能和扰码功能。涉及的电接收部分就是收端均衡滤波器电路、时钟提取、再生、相应的解扰功能。眼图观测的实验结构如下图所示：

图7.1 CMI码光纤通信基本组成结构
在整个通信系统中，通常利用眼图方法估计和改善传输系统性能。
我们知道，在实际的通信系统中，数字信号经过非理想的传输系统必定要产生畸变，也会引入噪声和干扰，也就是说，总是在不同程度上存在码间串扰。在码间串扰和噪声同时存在情况下，系统性能很难进行定量的分析，常常甚至得不到近似结果。为了便于评价实际系统的性能，常用观察眼图进行分析。
眼图可以直观地估价系统的码间干扰和噪声的影响，是一种常用的测试手段。         
 什么是眼图?
所谓“眼图”，就是由解调后经过接收滤波器输出的基带信号，以码元同步时钟作为同步信号在示波器屏幕上显示的波形。干扰和失真所产生的传输畸变，可以在眼图上清楚地显示出来。

7.2 无失真及有失真时的波形及眼图
(a) 无码间串扰时波形；无码间串扰眼图
(b) 有码间串扰时波形；有码间串扰眼图
在图7.2中画出两个无噪声的波形和相应的“眼图”，一个无失真，另一个有失真(码间串扰)。
图7.2中可以看出，眼图是由虚线分段的接收码元波形叠加组成的。眼图中央的垂直线表示取样时刻。当波形没有失真时，眼图是一只“完全张开”的眼睛。在取样时刻，所有可能的取样值仅有两个：+1或-1。当波形有失真时，在取样时刻信号取值分布在小于+1或大于-1附近，“眼睛”部分闭合。这样，保证正确判决所容许的噪声电平就减小了。换言之，在随机噪声的功率给定时，将使误码率增加。“眼睛”张开的大小就表明失真的严重程度。
为便于说明眼图和系统性能的关系，我们将它简化成图7.3的形状。

7.3   眼图的重要性质
由此图可以看出：(1)最佳取样时刻应选择在眼睛张开最大的时刻；(2)眼睛闭合的速率，即眼图斜边的斜率，表示系统对定时误差灵敏的程度，斜边愈陡，对定位误差愈敏感；(3)在取样时刻上，阴影区的垂直宽度表示最大信号失真量；(4)在取样时刻上，上下两阴影区的间隔垂直距离之半是最小噪声容限，噪声瞬时值超过它就有可能发生错误判决；(5)阴影区与横轴相交的区间表示零点位置变动范围，它对于从信号平均零点位置提取定时信息的解调器有重要影响。实验室理想状态下的眼图如图7.4所示。
衡量眼图质量的几个重要参数有：
1．眼图开启度(U-2ΔU)/U
指在最佳抽样点处眼图幅度“张开”的程度。无畸变眼图的开启度应为100%。
其中U=U₊+U_-  
2．“眼皮”厚度2ΔU/U
指在最佳抽样点处眼图幅度的闭合部分与最大幅度之比，无畸变眼图的“眼皮”厚度应等于0。
3．交叉点发散度ΔT/T
指眼图过零点交叉线的发散程度，无畸变眼图的交叉点发散度应为0。
4．正负极性不对称度    
指在最佳抽样点处眼图正、负幅度的不对称程度。无畸变眼图的极性不对称度应为0。
最后，还需要指出的是：由于噪声瞬时电平的影响无法在眼图中得到完整的反映，因此，即使在示波器上显示的眼图是张开的，也不能完全保证判决全部正确。不过，原则上总是眼睛张开得越大，误判越小。
在图6.5.4中给出从示波器上观察到的比较理想状态下的眼图照片。

(a) 二进制系统    (b) 随机数据输入后的二进制系统
图7.4  实验室理想状态下的眼图
四、实验步骤
1．关闭系统电源，按照图7.1将1310nm光发射端机的TX1310法兰接口、FC-FC单模尾纤、1310nm光接收端机的RX1310法兰接口连接好。注意收集好器件的防尘帽。
2．打开系统电源，在液晶菜单选择“码型变换实验-扰码PN”的子菜单，确认； P101测试点观测菜单选择的基带数据序列。
3．用信号连接线连接P103、P201两铆孔，示波器A通道测试TP201测试点，确认有相应的波形输出。注意插好KO1、KO2、KO3跳线器。连接P202、P111两铆孔，即将光电转换信号送入数据接收单元。信号转换过程如图7.1
4．对照加扰规则，观测P103测试点的加扰后序列信号，是否符合其规则。看波形码型时可用其时钟进行同步。P102为数据对应的时钟，P106为扰码数据。
5．示波器B通道测试P202测试点，看是否有与TP201测试点一样或类似的信号波形。注意看K05插入右侧，测试P115译码输出测试点，看是否跟发端设置的基带数据P101测试点一样或类似的信号波形。
6．连接P202、P112，即1310nm光接收端机光电转换加扰后数据自动送往均衡滤波器电路。示波器A通道（触发TRTIGGER档）测试P102测试点（与码元同步的时钟T），示波器B通道测试TP106测试点（均衡滤波器输出波形）
7．调节调整示波器的扫描周期（=nT），使TP106的升余弦波波形的余辉反复重叠（即与码元的周期同步），则可观察到n只并排的眼图波形。眼图上面的一根水平线由连1引起的持续正电平产生，下面的一根水平线由连0码引起的持续的负电平产生，中间部分过零点波形由1、0交替码产生。
8．调整W901直到TP106点波形出现过零点波形重合、线条细且清晰的眼图波形（即无码间串扰、无噪声时的眼图）。在调整W901过程中，可发现眼图过零点波形重合时W901的位置不是唯一的，它正好验证了无码间串扰的传输特性不唯一。
9．关闭系统电源，拆除各光器件并套好防尘帽。
五、测量点说明
P101：菜单设置的数字序列输出序列波形测试点。
P102：P101对应的码元时钟测试点。
P103：对应的加扰后信号。
P106：扰码数据序列。
P111：数据接收单元的电信号接收铆孔。
P112：均衡滤波器的信号输入铆孔。
P115：解扰输出。
P201：光发射端机的外部电信号输入铆孔。
TP201：输入1310nm光发射端机的电信号测试点。
P202: 1310nm光接收端机输出的数字信号。
TP106：通过均衡滤波器输出波形，眼图观测点。
六、实验结果
1．绘出实验观察到的几种情况下的升余弦波形及眼图形状，标上必要的实验说明。
2．叙述眼图的产生原理以及它的作用。