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多媒體光纖傳輸實驗系統
【實驗目的】
1. 熟悉光纖數字通信原理
2. 熟悉光纖的接口方式
3. 了解語音編解碼原理
4. 了解多媒體數據的數字化過程
【實驗原理】
光纖是由高度透明的SiO2經過嚴格的工藝制成的良好通信媒介，它能夠約束并導引光波在其內或其表面附近沿其軸線方向向前傳播。光纖通信是以光波為載波，以光纖為傳輸媒介的一種通信方式。光波是由半導體光源（激光器）產生的，和一般的自然光不同，激光器產生的光是高純度的單色光，其波長由半導體的特性決定。光纖對單色光的損耗隨光波的波長變化而變化，它有三個低損耗窗口，對應的光波中心波長分別為850nm，1310nm或1550nm，所以光纖通信中常用的光波波長從這三個波長中選擇，其中1310nm為零色散窗口，1550nm為zui低損耗窗口。
光纖根據模式的不同分為多模光纖和單模光纖。當放射光波波長大于截止波長時，光纖將只能傳輸一個基模的光波。這種只允許一種模式的光波的傳輸的光纖叫單模光纖。一般芯徑小于10μm。多模光纖是允許多于一個模式光波傳輸的光纖。模式的數目取決于芯徑、數值孔徑、折射率分布特性和波長。
光纖與電路的接口叫光纖活動連接器，活動連接器按纖芯插針、插孔數目的不同分為單芯活動連接器和多芯活動連接器；按結構不同分有FC型、ST型、SC型、SMA型；按光纖插孔端面形狀不同有PC型、APC型；按功能分有插頭、插座、轉接器三類。
ST型連接器是一種卡口式的連接器，它采用帶鍵的卡口式緊鎖機構，確保每次連接均能準確對中。插針直徑為φ2.5mm，其材料可分為陶瓷或金屬。它可在現場安裝，也可和光收發模塊集成在一起形成光纖組件，光纖組件星連接和拆卸，重復性、互換性好，可靠性高。
SC型活動連接器是一種推拉式的連接器，外殼為矩形，采用模塑工藝制成，適用于多芯光纜的高密度封裝。其插入損耗很低，僅0.07DB，壽命為1000次。SC型活動連接器的外型圖如圖1所示。
FC型活動連接器的插座由C型插孔和插座體組成。它主要使用在光纜線路與傳輸設備間的連接，可以方便地進行光路的調度或線路的測試。連接器具有很高的精度。如圖2所示。
圖2 FC型活動連接器外型圖
語音信號包含有大量的冗余信息，為了解決通信系統的效率問題，語音信號在傳輸之前一般要經過編碼，信號送達目標地后要經過解碼運算。語音壓縮編碼技術有多種 ,歸納起來大致可分為三類 ,即波形編碼、參量編碼和混合編碼。另外，根據編碼速率的高低還可分為中速率和低速率兩大類。
波形編碼是將時間域信號直接變換為數字代碼進行傳輸 ,也就是說這種編碼是將語音信號作為一般的波形信號來處理 ,力圖保持重建的語音波形與原語音信號波形一樣。這種編碼方式的特點是適應能力強、重建語音的質量高 ,例如ＰＣＭ、ΔＭ、ＡＤＰＣＭ和自適應預測編碼 （ＡＰＣ）、子帶編碼（ＳＢＣ）及自適應變換編碼（ＡＴＣ）等均屬于這一種。但這種方式所需的編碼速率較高 ,在１６ｋｂｉｔ／ｓ～６４ｋｂｉｔ／ｓ速率范圍能得到較高的重建質量 ,而當速率進一步降低時 ,語音重建質量就會急劇下降。
參量編碼 ,又叫聲碼化編碼 ,是在信源信號頻率域或其它正交域提取特征參量并將其變換為數字代碼進行傳輸 ,以及在接收端從數字代碼中恢復特征參量 ,并由特征參量重建語音信號的一種編碼方式。這種方式在提取語音特征參量時 ,往往會利用某種語音生成模型在幅度譜上逼近原語音 ,以使重建語音信號有盡可能高的可懂性 ,即力圖保持語音的原意 ,但重建語音的波形與原語音信號的波形卻有相當大的區別。這種方式的特點是編碼速率低 （１．２ｋｂｉｔ／ｓ～２．４ｋｂｉｔ／ｓ或更低 ） ,但只能達到合成語音的質量 （即自然度、講話者的可識別性都較差的語音 ） ,并當碼率提高到與波形編碼相當時 ,語音質量也不如波形編碼。利用參量編碼實現語音通信的設備通常稱為聲碼器 ,例如通道聲碼器、共振峰聲碼器、同態聲碼器以及廣泛應用的線性預測 （ＬＰＣ）聲碼器等都是典型的語音參量編碼器。
當前 ,由參量編碼與波形編碼相結合的混合編碼的編碼器正在得到人們較大的關注。這種編碼器既具備了聲碼器的特點 （利用語音生成模型提取語音參數 ） ,又具備了波形編碼的特點 （優化激勵信號 ,使其與輸入語音波形相匹配 ） ,同時還可利用感知加權zui小均方誤差的準則使編碼器成為一個閉環優化的系統 ,從而在較低的比特率上能獲得較高的語音質量。例如 ,多脈沖激勵線性預測 （ＭＰＬＰＣ或ＭＰＣ ）編碼 ,正規脈沖激勵線性預測 （ＲＰＥ＿ＬＰＣ）編碼和碼激勵線性預測 （ＣＥＬＰ）編碼都屬于這一種 ,這種編碼方式能在４ｋｂｉｔ／ｓ～１６ｋｂｉｔ／ｓ中低編碼的速率上得到高質量的重建語音。
【實驗儀器】
本設備可實現圖像、聲音、任意波形數據的光纖傳輸。本系統分為兩個模塊，一個是數據采集模塊，另一個是數據回放模塊，兩個模塊的數據交換通過光纖實現，原理框圖見圖3。所有系統的控制功能，如：靜態圖像拍攝、聲音采樣、圖像顯示、聲音播放等，通過鍵盤實現。系統包含如下器件：
圖像傳感器一個、麥克風一個、5V直流電源一個、LCD顯示器一個、喇叭一個，光纖（跳纖）一根、鍵盤、連接電纜等。
圖3 系統原理框圖
【實驗內容】
1. 語音采集、光纖傳輸和回放
2. 隨機波形采集、光纖傳輸和顯示
3. 靜態圖像采集、光纖傳輸和顯示
【實驗步驟】
語音采集、光纖傳輸和回放
（1） 在LCD屏的“實驗內容”主菜單中，按鍵選擇“語音實驗”，確認后閱讀LCD屏上顯示
的提示信息。
（2） 按“確認”鍵開始語音采集和錄音過程，實驗者可對話筒講一段話，此時LCD屏上的
滾動條顯示出還有多長錄音時間。
（3） 滾動條結束后，LCD屏顯示出是否進行光纖傳輸的選項，選擇“是”則進行光纖傳輸，
選擇“否”則結束本次實驗，且刪除本次錄音數據。
（4） 實驗者選擇“是”后，LCD屏顯示光纖傳輸進程滾動條，滾動條到終點后，LCD屏上顯
示出是否播放當前錄音，選擇“是”則播放當前錄音，選擇“否”則結束本次實驗，
且刪除本次錄音數據。
（5） 實驗者選擇“是”后，系統播放當前錄音，播放完畢后LCD屏顯示“重放”和“結束”
選項，選擇“重放”則再次播放當前錄音，選擇“結束”則結束本次實驗，且刪除本
次錄音數據，LCD屏回到初始的“實驗內容”主菜單。
隨機波形采集、光纖傳輸和顯示
（1） 實驗者用示波器觀察并調整信號發生器的輸出波形，使其電壓峰峰值小于5V，信號頻
率小于10KHz。
（2） 在LCD屏的“實驗內容”主菜單中，按鍵選擇“隨機波形”，確認后閱讀LCD屏上顯示
的提示信息。
（3） 按“確認”鍵開始采集并光纖傳輸隨機信號，實驗者可在LCD屏上觀察輸入的隨機信
號波形，并與示波器對比。
（4） 實驗者按“退出”鍵結束本次實驗，并退回到初始的“實驗內容”主菜單。
靜態圖像采集、光纖傳輸和顯示
（1） 在LCD屏的“實驗內容”主菜單中，按鍵選擇“隨機波形”，確認后閱讀LCD屏上顯示
的提示信息。
（2） 按“確認”鍵拍攝一張靜態圖像，LCD屏顯示圖像處理滾動條。
（3） 滾動條到終點后，LCD屏上顯示出是否光纖傳輸當前圖像，選擇“是”則進行光纖傳
輸，選擇“否”則結束本次實驗，且刪除本次采集的圖像數據。
（4） 實驗者選擇“是”后，LCD屏顯示光纖傳輸進程滾動條，滾動條到終點后，LCD屏上顯
示出本次采集的禁止圖像。
（5） 實驗者按任意鍵返回“實驗內容”主菜單。
【注意】
隨機信號的電壓峰峰值必須小于5V，頻率必須小于10kHz 。
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