光纤通信实验分析.ppt

光纤通信实验,南京理工大学物理实验中心,一、背景介绍二、实验目的三、实验原理四、实验仪器五、实验内容与步骤六、注意事项七、思考题,提纲,一、背景介绍概念,光通信的诞生是人类发展史上具有里程碑意义的大事。通过凭借光导纤维，使人类得以实现数据的海量传输，而数据的海量传输恰恰是人类成功构建信息高速公路的必由之路。光通信的本质就是用光来对信息进行编码以传递信号。这实际上并不是一个现代才提出的全新新的概念，中国人在古代就已经在利用光来传递信息。古人所用的光通信设备即烽火台，人们利用烽火台所产生的烟和火光来传递军事情报。,一、背景介绍,历史,1880年贝尔发明了第一个光电话系统，通话距离213米,弧光灯的恒定光束投射在话筒的音膜上，随声音的振动而得到强弱变化的反射光束，这个过程就是调制。但是，普通光源强度和纯度都成为制约光通信发展的因素。,一、背景介绍,历史,工作地点：英国标准电信研究所研究对象：光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题损耗原因：1)玻璃纤维中含有过量的铬、铜、铁与锰等金属离子和其他杂质；2)拉制光纤工艺造成芯、包层分界面不均匀及其所引起的折射率不均匀新的发现：一些玻璃纤维在红外光区的损耗较小,1966年，高锟和霍克哈姆发表的用于光频的光纤表面波导奠定了现代光通信的基础。高锟被尊为光纤之父。,一、背景介绍,当今世界范围的光纤通信系统,一、背景介绍,通信中的应用,通信网络,公用电信网：核心网、城域网,光纤接入网,海底光缆及洲际通信网,无线通信网,一、背景介绍,能源系统中的应用,电力、煤炭系统的监视、控制和管理电力系统：光纤可以放在输电线、地线的中心，不受干扰。尤其在观测雷击的时候能起到电设备不可替代的作用。煤炭系统：电监控系统信号均为电信号，在含瓦斯高的矿井中容易引起爆炸。因此，如果考虑安全因素，电信号功率不能太大，这又导致传输距离受限。而如果采用光纤系统，很多设备可以无源化，即保证了安全，又能实现远距离监控。,一、背景介绍,交通系统中的应用,铁路、地铁和高速公路通信及监控网络系统铁路通信网特点：1.节点多，分支、插入话路频繁2.通信量大小不一，需求不同(传输电话、数据、图像)3.要求有强抗电磁干扰能力除了光纤通信，没有哪一种通信方式能满足这些要求,一、背景介绍,军事中的应用,光纤制导武器：光纤制导导弹、光纤制导鱼雷需要获得实时的目标图像同时要求控制线轻巧水下通信系统是扫雷舰与浮游载体之间的数据传输线路。1.浮游载体需要传回声纳信号和遥测信号(都是视频信号)2.舰体对浮游载体进行控制雷达：要求保证雷达室与作战情报中心之间信息传输的抗干扰能力和保密性，要能保证作战情报中心的安全(长途控制),一、背景介绍,医学中的应用,利用传像束的内窥镜激光手术刀,激光手术中，有时需要手术的部位在人体腔道内，这就要求激光能拐弯。目前大多数医疗激光可以通过石英光纤来实现拐弯，因此激光手术刀又叫光纤手术刀。,二、实验目的,1、通过实验，加深对光纤通讯基本工作原理的理解；2、了解电话语音信号光纤通讯系统的原理；3、掌握固定速率时分复用、变速率时分复用以及波分复用原理,三、实验原理,光纤通信系统可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。用户要传输的信息多种多样，一般有话音、图像、数据或多媒体信息。为叙述方便，这里仅以数字电话和模拟电视为例。图1.1示出单向传输的光纤通信系统，包括发射、接收和作为广义信道的基本光纤传输系统。,图1.1光纤通信系统的基本组成(单向传输),1、发射和接收,如图1.1所示，信息源把用户信息转换为原始电信号，这种信号称为基带信号。电发射机把基带信号转换为适合信道传输的信号，这个转换如果需要调制，则其输出信号称为已调信号。对于数字电话传输，电话机把话音转换为频率范围为0.33.4kHz的模拟基带信号，电发射机把这种模拟信号转换为数字信号，并把多路数字信号组合在一起。模/数转换目前普遍采用脉冲编码调制(PCM)方式，这种方式是通过对模拟信号进行抽样、量化和编码而实现的。一路话音转换成传输速率为64kb/s的数字信号，然后用数字复接器把24路或30路PCM信号组合成1.544Mb/s或2.048Mb/s的一次群甚至高次群的数字系列，后输入光发射机。对于模拟电视传输，则用摄像机把图像转换为6MHz的模拟基带信号，直接输入光发射机。,为提高传输质量，通常把这种模拟基带信号转换为频率调制(FM)、脉冲频率调制(PFM)或脉冲宽度调制(PWM)信号，最后把这种已调信号输入光发射机。还可以采用频分复用(FDM)技术，用来自不同信息源的视频模拟基带信号(或数字基带信号)分别调制指定的不同频率的射频(RF)电波，然后把多个这种带有信息的RF信号组合成多路宽带信号，最后输入光发射机，由光载波进行传输。在这个过程中，受调制的RF电波称为副载波，这种采用频分复用的多路电视传输技术，称为副载波复用(SCM)。不管是数字系统，还是模拟系统，输入到光发射机带有信息的电信号，都通过调制转换为光信号。光载波经过光纤线路传输到接收端，再由光接收机把光信号转换为电信号。,电接收机的功能和电发射机的功能相反，它把接收的电信号转换为基带信号，最后由信息宿恢复用户信息。在整个通信系统中，在光发射机之前和光接收机之后的电信号段，光纤通信所用的技术和设备与电缆通信相同，不同的只是由光发射机、光纤线路和光接收机所组成的基本光纤传输系统代替了电缆传输。,2、基本光纤传输系统,基本光纤传输系统作为独立的“光信道”单元，若配置适当的接口设备，则可以插入现有的数字通信系统或模拟通信系统，或者有线通信系统或无线通信系统的发射与接收之间光发射机、光纤线路和光接收机，若配置适当的光器件，可以组成传输能力更强、功能更完善的光纤通信系统。例如，在光纤线路中插入光纤放大器组成光中继长途系统，配置波分复用器和解复用器，组成大容量波分复用系统，使用耦合器或光开关组成无源光网络，等等。下面简要介绍基本光纤传输系统的三个组成部分。,2.1、光发射机,光发射机的功能是把输入电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。光发射机由光源、驱动器和调制器组成，光源是光发射机的核心。光发射机的性能基本上取决于光源的特性，对光源的要求是输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，器件寿命长。目前广泛使用的光源有半导体发光二极管(LED)和半导体激光二极管(或称激光器)(LD)，以及谱线宽度很小的动态单纵模分布反馈(DFB)激光器。有些场合也使用固体激光器，例如大功率的掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器。,2.2、光纤线路,光纤线路的功能是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变(失真)和衰减传输到光接收机。光纤线路由光纤、光纤接头和光纤连接器组成。光纤是光纤线路的主体，接头和连接器是不可缺少的器件。实际工程中使用的是容纳许多根光纤的光缆。光纤线路的性能主要由缆内光纤的传输特性决定。对光纤的基本要求是损耗和色散这两个传输特性参数都尽可能地小，而且有足够好的机械特性和环境特性，例如，在不可避免的应力作用下和环境温度改变时，保持传输特性稳定。,光纤（OpticalFiber）是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。设纤芯和包层的折射率分别为n1和n2，光能量在光纤中传输的必要条件是n1n2。,图1.2光纤的结构,光纤类型光纤种类很多，这里只讨论作为信息传输波导用的由高纯度石英（SiO2）制成的光纤。实用光纤主要有三种基本类型，突变型多模光纤（Step-IndexFiber,SIF）渐变型多模光纤（Graded-IndexFiber,GIF）单模光纤（Single-ModeFiber,SMF）相对于单模光纤而言，突变型光纤和渐变型光纤的纤芯直径都很大，可以容纳数百个模式，所以称为多模光纤,图2.2三种基本类型的光纤(a)突变型多模光纤；(b)渐变型多模光纤；（c）单模光纤,特种单模光纤最有用的若干典型特种单模光纤的横截面结构和折射率分布示于图2.3，这些光纤的特征如下。双包层光纤色散平坦光纤（DispersionFlattenedFiber,DFF）色散移位光纤（DispersionShiftedFiber,DSF）三角芯光纤椭圆芯光纤双折射光纤或偏振保持光纤。,图2.3典型特种单模光纤(a)双包层；(b)三角芯；(c)椭圆芯,主要用途：突变型多模光纤只能用于小容量短距离系统。渐变型多模光纤适用于中等容量中等距离系统。单模光纤用在大容量长距离的系统。特种单模光纤大幅度提高光纤通信系统的水平1.55m色散移位光纤实现了10Gb/s容量的100km的超大容量超长距离系统。色散平坦光纤适用于波分复用系统，这种系统可以把传输容量提高几倍到几十倍。三角芯光纤有效面积较大，有利于提高输入光纤的光功率，增加传输距离。偏振保持光纤用在外差接收方式的相干光系统，这种系统最大优点是提高接收灵敏度，增加传输距离。,四、实验仪器,继续,图1系统图片,1550nm光发送模块,图2系统结构框图,五、实验内容与步骤,5.1观察模拟信号在光纤中的传输效果按实验手册对应说明连接电路；打开系统电源，用示波器在光接收模块的模拟信号输出端口观察输出信号；通过调节电位器R257(判决直流电平)、R242(增益调节)、R277(光传输信号大小调节)和R258(输入信号大小调节)得到最佳的模拟信号。,5.2观察数字信号在光纤中的传输效果按实验手册对应说明连接电路；打开系统电源，用示波器在光接收模块的数字信号输出端口观察输出信号；通过调节电位器R257(判决直流电平)、R242(增益调节)及R266(人工偏流调节)得到最佳数字信号。,5.3语音信号光传输的双工通讯实验按实验手册对应说明连接电路；开系统电源，左右电话摘机，双方进行通话。通过调节电位器R257(判决直流电平)、R242(增益调节)及R266(人工偏流调节)使语音信号清晰；,5.4固定速率时分复用实验按实验手册对应说明连接电路；观察固定速率时分复用分接模块的LED显示结果是否与对应信号源D1、D2的LED结果一致；用示波器观察并记