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数字信号光纤通信技术实验

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数字信号光纤通信技术实验
预习要求
通过预习应理解以下几个问题：
1．数字信号光纤传输系统的基本结构及工作过程;
2．衡量数字通信系统有那两个指标？;
3．数字通信系统中误码是怎样产生的？；
4．为什么高速传输系统总是与宽带信道对应？；
5．引起光纤中码元加宽有那些因素？;
6．本实验系统数字信号光—电/电—光转换电路的工作原理 ；
7．为什么在数字信号通信系统中要对被传的数据进行编码和解码？；
8．时钟提取电路的工作原理。
目的要求
1. 了解数字信号光纤通信技术的基本原理
2. 掌握数字信号光纤通信技术实验系统的检测及调试技术
实验原理
一、数字信号光纤通信的基本原理
数字信号光纤通信的基本原理如图8-2—1示(图中仅画出一个方向的信道）。工作的基本过程如下:语音信号经模/数转换成8位二进制数码送至信号发送电路，加上起始位（低电平）和终止位(高电平）后，在发时钟TxC的作用下以串行方式从数据发送电路输出。此时输出的数码称为数据码，其码元结构是随机的。为了克服这些随机数据码出现长0或长1码元时,使接收端数字信号的时钟信息下降给时钟提取带来的困难,在对数据码进行电/光转换之前还需按一定规则进行编码，使传送至接收端的数字信号中的长1或长0码元个数在规定数目内。由编码电路输出的信号称为线路码信号。线路码数字信号在接收端经过光/电转换后形成的数字电信号一方面送到解码电路进行解码，与此同时也被送至一个高Q值的RLC谐振选频电路进行时钟提取. RLC谐振选频电路的谐振频率设计在线路码的时钟频率处。由时钟提取电路输出的时钟信号作为收时钟RxC,其作用有两个:1.为解码电路对接收端的线路码进行解码时提供时钟信号；2.为数字信号接收电路对由解码电路输出的再生数据码进行码值判别时提供时钟信号.接收端收到的最终数字信号，经过数/模转换恢复成原来的语音信号。

图8-2—1 数字信号光纤通信系统的结构框图
在单极性不归零码的数字信号表示中，用高电平表示1码元，低电平表示0码元.码元持续时间(亦称码元宽度)与发时钟TxC的周期相同.为了增大通信系统的传输容量，就要求提高收、发时钟的频率。发时钟频率愈高码元宽度愈窄.
由于光纤信道的带宽有限,数字信号经过光纤信道传输到接收端后,其码元宽度要加宽。加宽程度由光纤信道的频率特性和传输距离决定.单模光纤频带宽，多模光纤频带窄。因为按光波导理论[1］分析:光纤是一种圆柱形介质波导，光在其中传播时实际上是一群满足麦克斯韦方程和纤芯—包层界面处边界条件的电磁波,每个这样的电磁波称为一个模式。光纤中允许存在的模式的数量与纤芯半径和数字孔径有关。纤芯半径和数字孔径愈大，光纤中参与光信号传输的模式也愈多，这种光纤称为多模光纤（芯径50或62。5μm)。多模光纤中每个模式沿光纤轴线方向的传播速度都不相同。因此，在光纤信道的输入端同时激励起多个模式时，每个模式携带的光功率到达光纤信道终点的时间也不一样,从而引起了数字信号码元的加宽。码元加宽程度显然与模式的数量有关。由多模传输引起的码元加宽称为模式色散。当光纤纤芯半径减小到一定程度时，光纤中只允许存在一种模式（基模)参与光信号的传输。这种光纤称为单模光纤（芯径5—10μm）.单模光纤中虽然无模式色散存在,但是由于光源器件的发光光谱不是单一谱线、光纤的材料色散和波导效应等原因，光信号在单模光纤中传输时仍然要引起码元加宽.这些因素产生的码元加宽称为材料色散和波导色散。材料色散和波导色散比起模式色散要小很多。本文为互联网收集，请勿用作商业用途文档为个人收集整理，来源于网络
当码元加宽程度超过一定范围，就会在码值判别时产生误码。通信系统的传输率愈高，码元宽度愈窄，允许码元加宽的程度也就愈小。所以，多模光纤只适用于传输率不高的局域数字通信系统.在远距离、大容量的高速数字通信系统中光纤信道必须采用单模光纤。
长距离、高速数字信号光纤通信系统中常用的光源器件是发光波长为1﹒3μm和1﹒5μm 的半导体激光器LD。在传输速率不高的数字信号光纤通信系统中也可采用发光中心波长为0﹒86μm的半导体发光二极管LED。光电探测器件，主要有PIN光电二极管和雪崩光电二极管.有关光纤通信中采用的上述电光和光电器件的结构、工作原理及性能的详细论述见参考文献［2]。
二、实验系统的硬件结构及工作原理
为了使非通讯专业的理工科学生在近代物理实验中学习到有关数字信号光纤通信的基本原理，我们在《数字信号光纤通信实验》中着重于对光信号的发送、接收和再生；数字信号的并串/串并转换;模拟信号的AD/DA转换以及误码现象和原因等问题加以论述。有关编码、时钟提取和解码问题先不作为本实验的基本要求.有必要时，做完这一实验后,可作为设计性实验对这些问题进行深入研究。
（一） 实验系统的硬件结构
实验系统的结构如图8—2—2示。其中,光讯号发送部分采用中心波长为0.86μm

图8-2—2 数字信号光纤通信实验系统的基本结构
的半导体发光二极管（LED）作光源器件。传输光纤采用多模光纤。光讯号接收部分采用硅光电二极管（SPD）作光电检测元件。计算机通过RS—232串口控制单片机。单片机再去控制模数转换电路ADC0809、数模转换电路DAC0832和数字信号并串/串并转换电路8251,实现A/D、D/A转换和数字信号的并串/串并转换。以上器件和集成电路工作原理及性能的详细说明见文献[3］.图8-2-2中的单片机、ADC0809、DAC0832及8251等部分是集中在实验系统的电端机内，而LED的调制和驱动电路、SPD的光电转换部分是集中在实验系统的光端机内。
（二） 工作过程
实验系统传输的数字信号可以是ASCII字符的2进制代码，也可是语音信号经ADC0809集成芯片进行A/D转换后的数字信号。在实验内容基本要求阶段（避开编、译码和收时钟提取问题，此时图8-2—2中的开关K1、K2和K3均应打在“1"位)，实验系统的工作过程如下:
1。传输ASCII字符时,ASCII字符的2进制代码由计算机提供,经RS—232串口送至电端机，经电端机内的8251数据发送端（TxD）送至光端机LED调制电路输入端，进行数字信号的电—光变换。从LED发出的数字式光信号，经传输光纤、光电二极管（SPD)和再生电路变换成数字式电信号送至电端机内的8251数据接收端RxD,经码值判别后再由RS—232串口送回计算机，并在计算机屏幕上显示出相应的字符。
2。传输语音信号时，语音信号放大后送至电端机内ADC0809模拟信号输入端进行A/D转换，所形成的数字信号经8251并/串转换后由其数据发送端TxD送至光端机对LED进行调制。然后经过ASCII字符同样的传输过程在实验系统接收端形成的数字信号再送至电端机，进行D/A转换。由此生成的模拟信号经滤波、放大后再由音箱输出.
以上过程均在程序控制下由计算机和电端机中的单片机完成。
(三） 数字信号的发送和电光转换
在8251芯片设定为异步传输工作方式并波特率因子等于1的情行下,电端机发送端所发送的数据码是由起始位(S)、数据位（D0～D7）和终止位（E）等共10位码元组成。第一位是起始位，紧接着是从D0到D7的8位数据，最后一位是终止位。每位码元起始时刻与发送时钟TxC的下降沿对应、码元持续时间与发送时钟TxC的周期相等.对数字信号进行电-光转换的LED驱动和调制电路如图8-2-3示。由于电端机内的8251集成电路的数据发送端TxD在传输系统处于空闲状态时始终是高电平，为了

图8—2—3 LED的驱动和调制电路 图8—2—4 数字信号的光电转换及再生
延长发光二极管LED的使用寿命，对应这一状态应使LED无电流流过。为此,在其驱动调制电路输入端设置了一个由IC1组成的反相器.因此LED发光，对应电信号的0码,无光则对应电信号1码。图8-2—3中W1是调节LED工作电流的电位器.
（四) 数字信号的光电转换及再生调节
由传输光纤输出的数字光信号在接收端经过硅光电二极管SPD和再生调节电路变换成数字电信号，再送至电端机内8251集成电路的数据接收端RxD进行码值判别.图8—2-4是数字信号光电转换及再生调节电路的原理图，其工作原理如下：当传输系统处于空闲状态时，传输光纤中无光，硅光电二极管无光电流流过,这时只要RC和Rb2的阻值适当，晶体管BG2就有足够大的基极电流Ib注入，使BG2处于深度饱和状态，因此它的集-射极之间的电压Vce极低，既使经过后面放大也能使反相器IC2的输出电压维持在高电平状态，以满足实验系统数据接收端RxD在空闲状态时也应为高电平的要求。当传输0码元时,发送端的LED发光，光电二极管有光电流I3流过,它是从SPD的负极流向正极，这对BG2的基极电流具拉电流作用，能使BG2的基极电流Ib减小。由于SPD结电容、其出脚接线的线间电容以及BG2基—射极间杂散电容的存在（在图8-2—4中用Ca表示以上三种电容的总效应），使得BG2基极电流的这一减小不是突变的，而是按某一时间常数的指数规律变化.随着BG2基极电流的减小,BG2逐渐脱离深饱和状态，向浅饱和状态和放大区过渡，其集—射极电压Vce也开始按指数规律逐渐上升。由于后面的放大器放大倍数很高，Vce还未上升到其渐近值时,放大器输出电压就到达了能使反相器IC2状态翻转的电压值，这时IC2输出端为低电平。在下一个1码元到来时，接收端的SPD无光电流，BG2的基极电流Ib又按指数规律逐渐增加，因而使BG2原本按指数规律上升的Vce在达到某一值时就停止上升，并在此后又按指数规律下降。Vce下降到某一值后，IC2的输出由低电平翻转成高电平。调节图8-2—3中W1或图8-2—4中W2，使LED的工作电流与SPD无光照射时BG2饱和深度之间适当的配匹，既使在被传输的数据码中1码元和0码元随机组合的情况下，也能使接收端所接收到的数字信号在码元结构和码元宽度方面与发送的数字信号一致。本文为互联网收集，请勿用作商业用途本文为互联网收集，请勿用作商业用途
（五） 数字信号的码值判决和误码
数字信号传输到接收端8251的RxD端后还不能算信号传输过程的结束.此后,尚需在收时钟RxC上升沿时刻对再生信号每位码元的码值进行“0”、“1” 判别.在8251芯片设定为异步传输工作方式时，码值判别过程如下：8251内部有一时钟和计数系统，它随时检测着数据接收端RxD的电平状态,一旦检测到RxD的电平为低电平，接收端得知被传数据的起始位已到的信息.此后开始计时，计时到半个码元宽度时再次对RxD端的电平状态进行检测，若仍为低电平,表明先前检测到的低电平状态确实是被传数据的起始位，而不是噪声干扰。确认了传数据起始位的确到来之后，从确认时刻开始，每隔一个收时钟RxC周期对RxD端的电平状态进行一次检测，若检测到为高电平,赋予的码值为“1”，反之为“0”。若判别结果所形成的二进制代码与发送数据的代码一致，表明码值判别结果正确。根据正确判别结果的二进制代码从计算机字符库内调出的字符就会与发送字符一致;若判别结果所形成的二进制代码与发送字符代码不一致，计算机屏幕上显示的字符就与发送字符不一样，这表明实验系统在信号传输过程中有误码产生。
在本实验系统中误码原因有以下两种：
1．送到8251数据接收端RxD信号的码元宽度还未调节到再生状态（与TxC相比过宽或过窄）；
2．在以上实验过程中收时钟RxC不时从时钟提取电路获得，而是与发时钟TxC采用同一时钟。在此情况下，由于再生信号的波形相对于发送信号的波形具有一定延迟，当这一延迟超过一定范围时，既使接收端数字信号的码元宽度调节到了TxC相等的再生状态，在码值判别时也要发生错误。以上延迟既包含了信号在传输过程中光路上的延迟，也包括了电路上的延迟。在实验系统所提供的光纤长度情况下,电路延迟是主要的。而电路延迟又与再生调节电路中晶体管BG2的饱和深度有关.BG2的饱和深度不同，为使接收端的数字信号达到再生状态所要求SPD的光电流也不同.BG2的饱和深度愈深,要求SPD提供的光电流也愈大.所以,若在接收端虽有再生波形但仍有误码现象出现的情况下，适当调节图8—2—3中W1使LED导通时工作电流为另一值后,再调节图8—2-4中W2可使再生波形的以上延迟达到无误码的状态。
实验装置
本实验所用仪器由：数字信号光纤通信实验仪和示波器组成.其中数字信号光纤通信实验仪采用四川大学研制的DOF—E型仪器，它由光端机、电端机和光纤信道三部分组成。光端机和电端机前、后面板的布局如图8-2-5和图8—2—6示.

图8—2—5 （a） 光端机前面板布局图
C1－电源插座;C2－外接音箱插孔 ；C3－连接电端机的DDK-20电缆插座 ；W－正弦信号起振与波形调节；K－音箱切换开关
图8—2—5 （b） 光端机后面板布局图

图8—2—6(a） 电端机前面板布局

C1： 与计算机RS-232串口联接的九针插座; C2： 电源插座; C3： 连接光端机的DDK-20电缆插座
图8-2-6（b）。 电端机后面板布局
实验内容
1．半导体发光二极管（LED）电光特性的测定
（1）．把发光二极管LED、光纤信道和光电二极管SPD按图8-2—7示接至光端机前面板的“LED插孔”和“SPD插孔”，光端机前面板的SPD切换开关K1拨至左侧，观测并记录光端机前面板光功率计的示值。以此示值作为光功率计的零点．
（2)．用导线连接图8—2—7中“调制输入”和“GND”插孔，反时钟方向调节W1，使光端机前面板的毫安表为一最小整数值，然后顺时钟方向调节W1，使毫安表读数慢慢增加,每增加5mA读取一次光功率计的示值，直到毫安表示值为50mA止，列表记录测量结果。 根据实验读数，以毫安表读数为横坐标、光功率计读数(扣除零点后）为纵坐标,绘制LED的电光特性。

图8—2—7 半导体发光二极管（LED）电光特性的测定
2．传输系统发送时钟TxC周期的测定
把光端机前面板“时钟信号”切换开关拔至“Txc1”侧、双迹示波器CH1通道接至光端机前面板“时钟信号"插孔、示波器扫描时间分度值选为2μs、调节示波器同步旋钮使荧光屏上出现一稳定的波形后，观测并记录其周期值。
3．时钟信号的电光／光电转换及再生调节
图8—2—8 时钟信号的电光／光电转换及再生调节
按图8—2-8接线。光端机开关K1置右侧，调节W1使毫安表指示的LED(在时钟信号调制状态下）的平均工作电流为适当值（比如20mA)后,保持W1的调节位置不变，观察示波器荧光屏上是否有时钟信号波形出现。若无，并示波器荧光屏上显示出一条代表低电平的直线，就需沿顺时钟方向慢慢调节W2，直到示波器荧光屏上出现占空比为50%的时钟信号为止;若示波器荧光屏上显示出一条代表高电平的直线就需沿反时钟方向慢慢调节W2实现时钟信号的再生调节。若示波器荧光屏上有时钟信号波形出现,但占空比小于50％，就需顺时钟方向慢慢调节W2； 若占空比大于50%，就需反时钟方向慢慢调节W2。
4．ASCII字符代码的光纤传输实验
按图8—2—9示，进一步连接好实验系统的后面板。

图8—2—9 实验系统的后面板连接
（1）．实验系统发送功能的检测
按图8-2-10接好实验系统前面板的连线， 并把电端机前面板的开关K1执向左侧 。启动计算机、运行配套软件后计算机屏幕上将出现图8—2-11示的界面.点击“串口设置” 按钮,计算机屏幕将换成图8-2-12示界面。根据电端机与计算机的连接情况，串口号选择COM1或COM2。再点击“确定”按钮,待计算机屏幕再一次出现图8-2—11示的界面后，点击“数字传输”按钮。计算机屏幕上就出现图8—2-13示界面。

图8—2-11
把光标移至“请输入十进制数”的窗口中后，在0—127的范围内从键盘输入被传输的ASCII字符的十进制数代码（比如，字符U、Z和7…等等，它们相应的十进制数代码分别为85、90和55…等等）,再点击“发送”按钮 ，界面的“本地回显” 栏将显示出该代码的ASCII字符。观察示波器荧光屏上显示的串行数字信号波形的数码结构是否与被发送的ASCII字符的二进制代码一致。若一致，表示实验系统的发送功能正常;若示波器荧光屏上观察不到这一波形，按电端机的“Reset”按钮后用以上方式重新发送。

图8—2-12

图8—2-13
（2）．实验系统数字信号的电光／光电转换及再生调节
继续以上实验，把双迹示波器CH2通道接至光端机前面板的“再生输出”插孔。调节W1使LED的平均工作电流为2mA以上。然后保持W1的这一调节位置不变，调节W2使双迹示波器CH2通道出现码元宽度和数码结构均与CH1通道一样的再生波形为止.
(3）．码值判别、误码及实验系统无误码状态的调节
完成了上一步调节之后，虽然光端机的再生输出端出现了与发送端波形一样的再生信号,但还不能算完成了数字信号的传输过程。此后，尚需在接收时钟RxC的作用下对再生信号每位码元的码值进行“0”、“1” 判别。在判别时刻， 若检测到再生波形的电平为高电平,赋予的码值为“1”，反之为“0”.若判别结果所形成的二进制代码与发送端发送的字符代码一致，表明码值判别结果正确。根据正确判别结果所形成的二进制代码从计算机字符库调出的字符（显示在图8-2-13示的界面接收栏中）就会与“本地显示" 栏中出现的字符一致.若判别结果所形成的二进制代码与发送端发送的字符代码不一致，从计算机字符库调出的字符就与“本地显示”栏中出现的字符不一样。这表明实验系统在传输过程中有误码产生。
使实验系统产生误码的原因有以下两种：
a． 实验系统数据接收端(RxD）的“1”码元高电平持续时间过长，即接收端波形还未达到再生状态;
b． 在实际的数字通信系统中接收时钟RxC是用复杂的时钟提取技术从接收信号中提取的， 而本实验系统到目前为止,发送时钟TxC和接收时钟RxC是由同一时钟供给. 另一方面，由于接收端再生信号波形相对发送端的发送波形具有一定延迟, 当这一延迟超过一定范围时,既使实验系统数据接收端波形达到了再生状态，也会产生误码判别.
接收端再生波形相对发送端的发送波形的总延迟由电路上和光路上两部分延迟组成。本实验系统,电路上延迟是主要的。电路上延迟与传输系统在空闲状态下光电转换和再生调节电路中晶体三极管的饱和深度有关.为了实现光电转换信号的再生调节,接收端这一晶体三极管的饱和深度又应与发送端LED导通时的发光强度匹配。若发送端LED导通时发光强度愈大，就需光电转换和再生调节电路中晶体三极管的饱和深度愈深，对应的电路延迟就愈短.所以，若在接收端虽有再生波形但仍有误码现象出现的情况下，应调节W1使LED导通时工作电流为另一值后，再调节W2使再生输出端波形达到再生状态…如此反复几次调节直到实验系统无误码状态出现为止。点击图8—2—13示界面中的“停止”按钮，重复以上操作可进行传输其它字符代码的实验。
5．传输模拟信号时的模数、数模转换实验和模数转换采样周期的测定
保持以上实验连线不变的基础,把1kHz左右的正弦信号引入光端机前面板的语音信号插孔.点击图8-2—13示界面中的“退出” 按钮，计算机屏幕再次回到图8—2-11示界面，然后点击“声音传输” 按钮，计算机屏幕就将显示图8-2-14示界面。点击“开始"按钮，实验系统

图8-2—14
就进入模拟信号传输状态。在模拟信号传输状态下，用示波器观测以下实验内容：
（1） 模数转换前和数模转换后的模拟信号波形的观测及实验系统无误码状态的调节
把示波器的CH1通道和CH2通道分别接至电端机前面板左上角的ADin插孔和光端机右下角的DAout插孔。 通过拨动光端机后面板无标注的开关，把光端机内设的正弦信号源接至模拟信号输入端。用示波器观察CH2通道波形是否也是一个与CH1通道波形同频率、但具有离散化特征的正弦波形？若CH2通道波形具有这一特点，表明实验系统处于语音信号无误码传输状态；否则,需要调节光端机前面板的W2调节旋钮或W1调节旋钮,使CH2通道波形具有这一特征的正弦波。
（2） 模数转换采样频率的测定
在传输模拟信号的情况下,由于每次传输的数码结构不一样，故在示波器上看不到一个固定数码结构的波形出现。但每次所传输数据的数码结构中起始位都是低电平。所以,调节示波器同步旋钮可清楚观察到它在荧光屏上的位置（如图8—2-15示）.两个相邻起始位间隔的时间就是实验系统模数转换过程的采样周期，该周期的倒数值就是采样频率。因语音信号的频率在300—3400Hz范围内，根据采样定理，采样频率应大于7000次/每秒，通信部门规定为8000次/每秒.
用收音机或单放机提供的语音信号接至光端机前面板的语音信号插孔，。示波器CH1和CH2通道分别接至光端机的调制输入和再生输出插孔。在时钟信号为TxC1和TxC2两种情况下，用示波器观测传输语音时模数转换过程的采样周期、计算相应的采样频率、用采样定理评估本实验系统传输语音信号时的性能。

图8-2-15
6 数字信号的编码、解码和时钟提取(设计性选作实验）
在前面所有的实验过程中发送时钟和接收端码值判别所需时钟信号均由同一时钟信号提供。在实际通信系统中,接收端码值判别所需时钟信号是由接收端所接收到的数据码流中提取出来的.为了便于提取时钟信号,需要对从电端机送至光端机的数据码进行编码。
编码的方式很多,本实验系统的编码码型采用CMI码，CMI是Coded Mark Inversion（传号反转码）的缩写。其变换规则是：用01代表数据码的0, 用00或11代表数据码的1，若一个数据码1已用00表示，则下一个数据码1必须用11表示，也即表示数据码1的线路码在00和11之间交替反转。CMI线路码长0和长1码元数目最多不超过3个，这对接收端的时钟提取十分有利.按CMI线路码的编码

图8-2—16 CMI码编码电路
规则，数据码的一个码元变成了线路两个码元。在不降低通信速率的情况下就要求发送CMI线路码的时钟频率提高1倍,或在沿用数据码发时钟的情况下，CMI线路码的码元宽度应减小一半.实现CMI码变换规则的电路如图8—2—16示。用这一电路进行编码生成的CMI线路码的码元宽度相对于数据码的码元宽度减小了一半。因此其频谱中就含有等于发时钟频率2倍的谱线。接收端的CMI解码电路如图8-2—17示，其变换规则与CMI码编码电路相反.
接收端对CMI码进行解码和对解码后的数字信号进行码值判别时，需要与发时钟TxC同频率、同相位的时钟信号.这一时钟信号是从接收端的再生CMI线路码中提取。按图8-2—18示的电路结构设计一个时钟提取电路。设计任务与步骤：
（一)首先测定实验系统发时钟的频率fTxC；
（二)选择和计算图8—2-18中RLC谐振电路的参数:谐振频率f0=2fTxC
（三）音频信号源作输入信号,用示波器观测RLC谐振电路的选频特性，需要时适当改变电路参数，使RLC谐振电路的选频特性满足设计要求。
（四）按图8-2-2中的所有开关均打在2位的连接方式，把设计好的RLC谐振电路接入实验系统后，依照本实验第一阶段要求的内容重新实验。

图8-2—17 CMI码解码电路

图8-2—18 时钟提取电路
问题与思考
一、 语音信号数字光纤通信经历那些过程？
二、 数字信号的码元宽度与什么因素有关？
三、 数字光信号经光纤信道传输后码元宽度为什么要变宽?
四、 如果利用一条光纤信道分时传输32（或更多）路模拟语音信号，在对语音信号以每秒8000次采样进行8位模数转换的情况下，光纤数字通信系统的发时钟的频率fTxC至少应等于多少？
五、 为什么在数字信号发送端进行数据发送之前要进行编码？
六、 在接收端由时钟提取电路输出的时钟信号有那些作用？
七、 图8-2-11中RLC谐振选频电路依据的工作原理是什么?
参考文献
［1］ 朱世国 付克祥， 纤维光学—原理及实验研究 ，成都：四川大学出版社，1992。
[2］ 张德琨等，光纤通讯原理 ,重庆：重庆大学出版社，1992.
［3］ 高传善等，接口与通信 ，上海：复旦大学出版社，1989
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