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多媒体光纤传输实验系统


发布日期:[2013-11-18] 共阅[2418]次

【实验目的】
1.    熟悉光纤数字通信原理
2.    熟悉光纤的接口方式
3.    了解语音编解码原理
4.    了解多媒体数据的数字化过程
【实验原理】
光纤是由高度透明的SiO2经过严格的工艺制成的良好通信媒介,它能够约束并导引光波在其内或其表面附近沿其轴线方向向前传播。光纤通信是以光波为载波,以光纤为传输媒介的一种通信方式。光波是由半导体光源(激光器)产生的,和一般的自然光不同,激光器产生的光是高纯度的单色光,其波长由半导体的特性决定。光纤对单色光的损耗随光波的波长变化而变化,它有三个低损耗窗口,对应的光波中心波长分别为850nm,1310nm或1550nm,所以光纤通信中常用的光波波长从这三个波长中选择,其中1310nm为零色散窗口,1550nm为zui低损耗窗口。
光纤根据模式的不同分为多模光纤和单模光纤。当放射光波波长大于截止波长时,光纤将只能传输一个基模的光波。这种只允许一种模式的光波的传输的光纤叫单模光纤。一般芯径小于10μm。多模光纤是允许多于一个模式光波传输的光纤。模式的数目取决于芯径、数值孔径、折射率分布特性和波长。
光纤与电路的接口叫光纤活动连接器,活动连接器按纤芯插针、插孔数目的不同分为单芯活动连接器和多芯活动连接器;按结构不同分有FC型、ST型、SC型、SMA型;按光纤插孔端面形状不同有PC型、APC型;按功能分有插头、插座、转接器三类。
ST型连接器是一种卡口式的连接器,它采用带键的卡口式紧锁机构,确保每次连接均能准确对中。插针直径为φ2.5mm,其材料可分为陶瓷或金属。它可在现场安装,也可和光收发模块集成在一起形成光纤组件,光纤组件星连接和拆卸,重复性、互换性好,可靠性高。
SC型活动连接器是一种推拉式的连接器,外壳为矩形,采用模塑工艺制成,适用于多芯光缆的高密度封装。其插入损耗很低,仅0.07DB,寿命为1000次。SC型活动连接器的外型图如图1所示。

FC型活动连接器的插座由C型插孔和插座体组成。它主要使用在光缆线路与传输设备间的连接,可以方便地进行光路的调度或线路的测试。连接器具有很高的精度。如图2所示。
 
图2 FC型活动连接器外型图
    语音信号包含有大量的冗余信息,为了解决通信系统的效率问题,语音信号在传输之前一般要经过编码,信号送达目标地后要经过解码运算。语音压缩编码技术有多种 ,归纳起来大致可分为三类 ,即波形编码、参量编码和混合编码。另外,根据编码速率的高低还可分为中速率和低速率两大类。
波形编码是将时间域信号直接变换为数字代码进行传输 ,也就是说这种编码是将语音信号作为一般的波形信号来处理 ,力图保持重建的语音波形与原语音信号波形一样。这种编码方式的特点是适应能力强、重建语音的质量高 ,例如PCM、ΔM、ADPCM和自适应预测编码 (APC)、子带编码(SBC)及自适应变换编码(ATC)等均属于这一种。但这种方式所需的编码速率较高 ,在16kbit/s~64kbit/s速率范围能得到较高的重建质量 ,而当速率进一步降低时 ,语音重建质量就会急剧下降。
参量编码 ,又叫声码化编码 ,是在信源信号频率域或其它正交域提取特征参量并将其变换为数字代码进行传输 ,以及在接收端从数字代码中恢复特征参量 ,并由特征参量重建语音信号的一种编码方式。这种方式在提取语音特征参量时 ,往往会利用某种语音生成模型在幅度谱上逼近原语音 ,以使重建语音信号有尽可能高的可懂性 ,即力图保持语音的原意 ,但重建语音的波形与原语音信号的波形却有相当大的区别。这种方式的特点是编码速率低 (1.2kbit/s~2.4kbit/s或更低 ) ,但只能达到合成语音的质量 (即自然度、讲话者的可识别性都较差的语音 ) ,并当码率提高到与波形编码相当时 ,语音质量也不如波形编码。利用参量编码实现语音通信的设备通常称为声码器 ,例如通道声码器、共振峰声码器、同态声码器以及广泛应用的线性预测 (LPC)声码器等都是典型的语音参量编码器。
当前 ,由参量编码与波形编码相结合的混合编码的编码器正在得到人们较大的关注。这种编码器既具备了声码器的特点 (利用语音生成模型提取语音参数 ) ,又具备了波形编码的特点 (优化激励信号 ,使其与输入语音波形相匹配 ) ,同时还可利用感知加权zui小均方误差的准则使编码器成为一个闭环优化的系统 ,从而在较低的比特率上能获得较高的语音质量。例如 ,多脉冲激励线性预测 (MPLPC或MPC )编码 ,正规脉冲激励线性预测 (RPE_LPC)编码和码激励线性预测 (CELP)编码都属于这一种 ,这种编码方式能在4kbit/s~16kbit/s中低编码的速率上得到高质量的重建语音。
【实验仪器】
本设备可实现图像、声音、任意波形数据的光纤传输。本系统分为两个模块,一个是数据采集模块,另一个是数据回放模块,两个模块的数据交换通过光纤实现,原理框图见图3。所有系统的控制功能,如:静态图像拍摄、声音采样、图像显示、声音播放等,通过键盘实现。系统包含如下器件:
图像传感器一个、麦克风一个、5V直流电源一个、LCD显示器一个、喇叭一个,光纤(跳纤)一根、键盘、连接电缆等。
 
 
图3 系统原理框图
【实验内容】
 1. 语音采集、光纤传输和回放
2. 随机波形采集、光纤传输和显示
3. 静态图像采集、光纤传输和显示
【实验步骤】
语音采集、光纤传输和回放
 (1) 在LCD屏的“实验内容”主菜单中,按键选择“语音实验”,确认后阅读LCD屏上显示
的提示信息。
  (2) 按“确认”键开始语音采集和录音过程,实验者可对话筒讲一段话,此时LCD屏上的
滚动条显示出还有多长录音时间。
  (3) 滚动条结束后,LCD屏显示出是否进行光纤传输的选项,选择“是”则进行光纤传输,
选择“否”则结束本次实验,且删除本次录音数据。
  (4) 实验者选择“是”后,LCD屏显示光纤传输进程滚动条,滚动条到终点后,LCD屏上显
示出是否播放当前录音,选择“是”则播放当前录音,选择“否”则结束本次实验,
且删除本次录音数据。
  (5) 实验者选择“是”后,系统播放当前录音,播放完毕后LCD屏显示“重放”和“结束”
      选项,选择“重放”则再次播放当前录音,选择“结束”则结束本次实验,且删除本
次录音数据,LCD屏回到初始的“实验内容”主菜单。
随机波形采集、光纤传输和显示
(1) 实验者用示波器观察并调整信号发生器的输出波形,使其电压峰峰值小于5V,信号频
率小于10KHz。
(2) 在LCD屏的“实验内容”主菜单中,按键选择“随机波形”,确认后阅读LCD屏上显示
的提示信息。
  (3) 按“确认”键开始采集并光纤传输随机信号,实验者可在LCD屏上观察输入的随机信
号波形,并与示波器对比。
  (4) 实验者按“退出”键结束本次实验,并退回到初始的“实验内容”主菜单。
静态图像采集、光纤传输和显示
(1) 在LCD屏的“实验内容”主菜单中,按键选择“随机波形”,确认后阅读LCD屏上显示
的提示信息。
  (2) 按“确认”键拍摄一张静态图像,LCD屏显示图像处理滚动条。
(3) 滚动条到终点后,LCD屏上显示出是否光纤传输当前图像,选择“是”则进行光纤传
输,选择“否”则结束本次实验,且删除本次采集的图像数据。
  (4) 实验者选择“是”后,LCD屏显示光纤传输进程滚动条,滚动条到终点后,LCD屏上显
示出本次采集的禁止图像。
  (5) 实验者按任意键返回“实验内容”主菜单。

【注意】
   随机信号的电压峰峰值必须小于5V,频率必须小于10kHz 。

http://www.chinacmm.com.cn/

 
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