光纤通信原理与应用实验研究.doc

光纤通信原理与应用实验研究实验一 双光纤通信传输认识光纤通信是近代通信发展的一个重要部分，初步了解光纤通信的基本组成，建立光纤通信的基本概念。一、实验目的 1了解双光纤通信传输实验箱的结构。 2了解各模块的功能和作用。 3了解双光纤通信传输实验的特点。 二、实验内容 1熟悉双光纤通信传输实验箱各模块的功能和作用。 2熟悉双光纤通信传输实验箱的使用与操作。3了解双光纤通信的波分复用传输方法。 三、实验仪器THKEGC-2 型实验箱一台、FC/PC 连接器一只、1310nm/1550nm 波分复用器两只(接头类型：FC/PC)、示波器一台。 四、实验箱结构、特点 (一) 结构简介 实验系统结构见图 1-1 所示。光纤通信传输实验系统采用模块化结构设计，分为左右两大模块(两套光纤发送接收系统)，每一个模块中又由许多子模块组成： 图 1-1 双光纤通信传输实验箱模块结构图11310nm 光发送接收系统 1）固定速率时分复用/解复用模块 复接模块：三路串行数据输入接口，一路串行数据输出接口。完成将三路串行数据打包成一路串行数据，结合解复用模块及光纤收发模块即可完成三路串行数据的单光纤传输。 解复用模块：一路串行数据输入接口，二路并行数据(三路数据中的一路是帧信号)直接输出到 LED 灯显示。完成将一路串行数据还原成二路并行数据，结合复接模块及光纤收发模块即可完成三路串行数据的单光纤传输。接口参数：三路输出数据的速率：64Kbps 接口类型：NRZ。 固定速率数据信号源模块 此模块产生三路速率为 64K 的单极性不归零码(NRZ)，数据信号帧长为 8 位，其中两路可作为数据信息，每路 8 位，另外 8 位中的 7 位可作为集中插入帧同步码。通过拔动开关，可以很方便地改变码信息，并由发光二极管指示。 固定速率时分复用复接模块此模块将固定速率数据信号源模块产生的三路 NRZ 码复接成一路速率为 128K 的信号，该信号由 24 位信息组成，其中 16 位为数据信息，另外 8 位作为帧同步码。 固定速率时分复用分接模块 此模块将固定速率时分复用复接模块产生的信号分接，还原成与固定速率数据信号源模块拔动开关相对应的并行数据信息，并通过发光二极管指示。 2） 变速率时分复用/解复用模块 复接模块：四路串行数据输入接口，一路串行数据输出接口。完成将四路串行数据打包成一路串行数据，配合解复用模块及光纤收发模块即可完成四路串行数据的单光纤传输。 解复用模块：一路串行数据输入接口，四路串行数据输出接口。完成将一路串行数据还原成四路串行数据，配合复接模块及光纤收发模块即可完成四路串行数据的单光纤传输。 接口参数：四路输入数据的速率：064Kbps 接口类型：RS232、NRZ 等。 3）CMI 编译码模块 编码模块：将输入的数字信号进行 CMI 编码。译码模块：将输入的 CMI 码进行译码。由CPLD(EPM3256)完成。 4）电话接口模块 此模块为独立的电话输入、输出接口，通过专用电话接口芯片实现。 5）PCM 编译码模块 此模块通过专用芯片来实现 PCM 编译码电路，可同时完成两路信号的编译码。PCM 模块可以实现传输两路语音信号的功能，采用 TP3067 编译码芯片。 6）可调信号源模块 此模块能输出三种模拟信号：方波、正弦波、三角波。频率(0.510KHz)可调。正弦波幅度可调。 7）四个串行通信接口模块 此模块配有 RS232 接口和信号端口 TXD(发送)和 RXD(接收)。与变速率时分复用/解复用模块及光纤收发模块结合，可实现自发自收通信实验、两台计算机、四台计算机之间的全双工数据光纤通信实验。 若再与两种波长的光纤收发模块结合可完成二八台计算机之间的全双工数据通信实验。 8）1310nm 波长光发送模块 主要完成电光信号的转换，即可传输模拟信号(包括视频、音频信号)，又可传输数字信号，同时具有无光告警及光器件损坏告警指示。它主要有模拟调制模块和数字调制模块(包括：自动功率控制电路(APC)、无光检测电路、光器件损坏检测电路等)组成。配有视频专用接口。 9）1310nm 波长光接收模块 主要完成光电信号的转换，小信号的检测与信号的恢复放大等功能。它主要有光检测电路、滤波电路、第一放大电路、第二放大电路、判决电平调节电路、整形电路等组成。配有视频专用接口。 21550nm 光发送接收系统 1550nm 光发送接收系统中的模块与 1310nm 光发送接收系统的功能一样。主要是波长不一样。 (二) 系统特点 1 采用对称模块化双光端机设计，体现了现代性(如新型器件 CPLD)和系统性(各模块既可单独做实验又可灵活组合做系统实验)。 2光器件全外置设计。 3每个光端机自带数字信号源和终端显示模块，无示波器也可观测实验现象与结果。 4包含双三路固定速率时分复用模块。 5包含双四路固定速率时分复用模块。 6采用高可靠性的接插件，灵活搭线，性能稳定。 7系统自带两片 CPLD 芯片，并有下载接口和下载线，可进行二次开发。 3双光纤通信的波分复用传输以模拟信号、数字信号双向通信的波分复用传输为例，介绍双光纤通信传输实验箱的特点。由实验老师进行演示。系统结构如图 1-2所示。图 1-2 模拟信号、数字信号的波分复用传输模拟信号源（可以是实验箱自带的信号源；也可以采用模拟摄像头，对应的示波器改为监视器。）接入 1310nm 光端机部分的模拟信号输入端口，通过光发送器件转换为光信号发送，经光纤和波分复用器传输后，由 1550nm 光端机部分光接收器件转换为电信号，经模拟信号输出端口输出，由示波器（监视器）显示。数字信号源（R_D1、R_D2 等）接入 1550nm 光端机部分的数字信号输入端口，通过光发送器件转换为光信号发送，经光纤和波分复用器传输后，由 1310nm 光端机部分光接收器件转换为电信号，经数字信号输出端口输出，由示波器或终端显示模块显示。 五、实验注意事项 1波分复用器属易损器件，应轻拿轻放。 2光器件连接时，注意要用力均匀。 六、演示实验步骤 1了解双光纤通信传输实验箱的结构 对照图 1-1 了解双光纤通信传输实验箱的结构及各功能模块所在区域。了解各信号输入/输出端口的位置和意义。 2模拟信号、数字信号的波分复用传输（由实验老师演示） 1) 电气实验导线的连接： 关闭系统电源，将 1310nm 光端机的模拟信号源正弦波输出端 L_SINE（或模拟摄像头）与1310nm 光发送模块的模拟信号输入端口 L_AIN 相连，将开关 S71 拨向右边 (传输模拟信号)；将 1550nm 光端机的固定速率数据信号源输出端 R_D1 与 1550 nm 光发送模块的数字信号输入端口 R_DIN 相连，将开关 S91 拨向左边 (传输数字信号)。 2) 光路部分的连接： 取下 1310nm 光发/光收端口上的红色橡胶保护套。 取一只波分复用器，取下其双光纤端的两根光纤的橡胶保护套。 将波分复用器的 1310nm 端与 1310nm 光发送端口(1310nm TX)的连接器对接，即：将光纤小心地插入连接器，在插入的同时保证光纤的凸起部分与连接器的凹槽完全吻合，然后拧紧固定帽即可。 同样将波分复用器的 1550nm 端与 1310nm 光接收端口(1310nm RX)的连接器对接。 用同样的方法将另一只波分复用器的 1550nm 端与 1550nm 光发送端口(1550nm TX)的连接器对接；同样将波分复用器的 1310nm 端与 1550nm 光接收端口(1550nm RX)的连接器对接。 取一只连接器，取下其两端的保护套；取下两只波分复用器单光纤端的保护套，分别将它们与连接器连接好。 3) 模拟信号的观测： 开启系统电源，分别用示波器（或监视器）观察 1310nm 光发端机的模拟信号输入端 L_AIN与 1550nm 光收端机模拟信号输出端 R_AOUT 的波形。可调节电位器改变模拟信号源的频率和幅度。调节电位器 W73 顺时针旋转到底，使偏置电流最大。分别调节电位器 W71(输入模拟信号衰减)和 WA 1 (增益调节)使示波器上看到不失真的波形。改变模拟信号源的频率，观察波形。 4) 数字信号的观测： 开启系统电源，分别用示波器观察1310nm光收端机的数字信号输出端L_DOUT与1550nm光发端机数字信号输入端 R_DIN 的波形。调节电位器W81(增益调节)，使输出波形与信码一致。通过拔动开关改变数字信号源的码型，观察波形。 七、实验报告要求 1 画出双光纤通信传输实验箱模块结构图。 2 对光纤传输系统的认识和体会。 实验二 激光器PI特性曲线测量一、实验目的1了解半导体激光器的发光原理。2了解半导体激光器平均输出光功率与驱动电流的关系。3掌握半导体激光器P-I 曲线的测试及绘制方法。二、实验内容测量半导体激光器的功率和驱动电流，并画出P-I 关系曲线。三、实验仪器示波器一台、THKEGC-2 型实验箱一台、光功率计一只、万用表一只、FC-ST 光跳线一根。四、基本原理1半导体激光器的功率特性及伏安特性。半导体激光器的输出光功率与驱动电流的关系如图2-1 所示，该特性有一个转折点，相应的驱动电流称为门限电流(或称阀值电流)，用Ith 表示。在门限电流以下，激光器工作于自发发射，输出荧光功率很小，通常小于100puW；在门限电流以上，激光器工作于受激发射，输出激光，功率随电流迅速上升，基本上成直线关系。激光器的电流与电压的关系相似于正向二极管特性，如图2-2 所示，由于包含两个PN 结，所以在正常工作电流下激光器两极间的电压约为1.2V。图2-1 激光器的功率特性 图2-2 激光器的伏安特性阈值条件就是光谐振腔中维持光振荡的条件。设受激发射所产生的光介质的平均增益系数 (单位长度上的增益)为g ，光介质的平均损耗系数为a ，则光谐振腔产生和维持光振荡的条件为光子在光谐振腔中来回反射一次所产生的光能增益大于或等于光能的损耗，用公式表示为： （2-1）式中L 为光谐振腔的长度，r1、r2 分别为光谐振腔两端镜面的反射系数(01、0 1 为电流侧向扩展因子。采用BH，DC-PBH 和RWG 激光器结构，可使 接近于1，故能获得小的门限电流。激光器功率特性的线性程度对模拟光纤传输系数的非线性失真指标影响很大。半导体激光二极管(LD)或简称半导体激光器与发光二极管LED 不同，它通过受激辐射发光，是一种阀值器件。由于受激与自发辐射的本质不同，导致了半导体激光器不仅能产生高功率(10mW)辐射，而且输出光发散角窄(垂直发散角为3050，水平发散角为030)，与单模光纤的耦合效率高(约30%50%)，辐射光谱线窄(A 入=0.11.0nm)，适用于高比特工作，载流子复合寿命短，能进行高速(20GHz)直接调制，非常适合于作高速远距离光纤通信系统的光源。对于线性度良好的半导体激光器，输出功率可以表示为：其中这里的量子效率int(表征驱动电子通过受激辐射转化为光子的比例)。在高于阀值区域，大多数半导体激光器的int 近于1。(2-3)式表明，激光输出功率决定于内量子效率和光腔损耗，并随着电流而增大，当驱动电流IIth 时，输出功率与I 成线性关系。其增大的速率即P-I 曲线的斜率，称为斜率效率。P-I 特性是选择半导体激光器的重要依据。在选择时，应选阀值电流Ith 尽可能小，Ith 对应P 值小，而且没有扭折点的半导体激光器，这样的激光器工作电流小，工作稳定性高，消光比大，而且不易产生光信号失真。且要求P-I 曲线的斜率适当。斜率太小，则要求驱动信号小，给驱动电路带来麻烦：斜率太大，则会出现光反向噪声和自动光功率控制环路调整困难。半导体激光器具有高功率密度和极高量子效率的特点，微小的电流变化会导致光功率输出变化，是光纤通信中重要的一种光源，激光二极管可以看作为一种光学振荡器，要形成光的振荡，就必须要有光放入机制，也即激活介质处于粒子数反转分布，而且产生的增益足以抵消所有的损耗。将开始出现净增益的条件称为阀值条件。一般用驱动电流值来标定阀值条件，也即阀值电流Ith，当输入电流小于Ith 时，其输出光为非相干的荧光，类似于LED 发出的光，当电流大于Ith 时，则输出光为激光，且输入电流和输出光功率成线性关系，该实验就是对该线性关系进行测量，以验证P-I 的线性关系。在实验中所用到的半导体激光器输出波长分别为1310nm、1550nm，FC 接口。图2-3半导体激光器P-I 曲线示意图五、实验步骤以1310nm 光发端机(1550nm 光发端机与其相同)为例，即实验箱左边的模块。1）电气实验导线的连接： 关闭系统电源，将光发送模块中的可调电位器W73 逆时针旋转到底，将输入模拟信号幅度调节电位器W71 逆时针旋转到底，使模拟驱动电流和输入信号幅度达到最小值。 将开关S71 拨向右边 (传输模拟信号)。 将短路帽J71 拨出，使其处于断开状态，在测量点TP71 和TP72 之间串接一外置的直流电流表。2）光路部分的连接：用一段短光纤(光跳线)将光功率计的输入端连接到“1310nmTX”端，同时打开光功率计电源开关。3）打开实验箱电源。4）缓慢调节电位器W73，依次测量电流和对应的光功率值。并将测得的数据填入下表。5）参照上述步骤，测量1550nm 光端机的P-I 曲线。6）实验完毕，关闭实验箱电源。7）拆下光跳线、电流表、实验导线，整理实验器件与导线。六、实验报告要求整理实验数据。分别画出1310nm 激光器和1550 激光器的P-I 曲线，找出规律并比较其异同点。实验三 自动功率控制(APC)原理一、实验目的1了解光发送的电路原理。2了解光发送各模块的功能。3掌握自动功率控制电路的工作原理。二、实验内容1学习自动功率控制电路的工作原理。三、实验仪器示波器一台，THKEGC-2 型实验箱一台，光功率计一只，万用表一只、FC-ST 光跳线一根。四、基本原理1电路方框图LD 数字光发送电路方框图如图3-1 所示。它由B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7 组成。B1是接口及电平移动电路，由集成电路U72 等组成。B2 是驱动电路，由三极管Q74、Q75 等组成。B3 是LD 激光器(LD71)，它把码型速率为04096kb/s 的信息码流变为光信号后射入光纤。B4 为监测电路，采用PIN 二极管对激光器的工作情况进行监测。B5 为自动功率控制电路(APC)，设置APC 的目的是为了得到稳定的光功率输出。APC 由U71 中的三只运算放大器及相关电路组成。无光告警电路由U71D、Q73 及红色发光二极管组成。损坏告警电路由U74、Q77 和红色发光二极管组成。图3-1 LD 数字光发电路原理框图2电路原理(见图3-6)1) 接口及电平移动电路由相应电路送来的NRZ 信码由数字信号输入端口加入本模块。接口及电平移动电路由U72等组成。U72 是电平转换电路，它的作用是将TTL 电平转换成ECL。电阻R77 和R710、R75和R79 既是U72 的负载电阻，又起电平的移动作用。将U72 输出的ECL 向负方向移动，以保证驱动电路工作在开关状态。设置TTL/ECL 电平转换电路是由于LD 的正极接外壳(接地)，所以驱动电路必须采用负电源，而输入信码是TTL 电平，不适宜直接驱动，必须转换成ECL 电平，即转换成以-0.8V 为逻辑“1”，-1.6V 为逻辑“0”的电平，再经过电阻R77 和R710、R75 和R79 进行电平移动，将“1”移到-2.56V，将“0”移到-3.04V，作为Q74、Q75 基极电平，其射极电平-3.25V。这样就可以保证Q74、Q75 在非饱和态与非深截止状态之间的转换。2) LD 驱动电路LD 驱动电路由晶体管Q74、Q75 组成的耦合电流开关电路构成。激光器LD 的正极接地，负极经电阻R723 接到Q75 的集电极。R724、R725 为LD 提供偏流。U72 输入端的信码流设为Vin，U72 的反相端(2)经电阻R75 连接到Q75 的基极，电压设为Vsc ，同相端(1)经电阻R77 连接到Q74 基极，电压设为VSC ，当输入Vin 为高电平“1”时， Vsc 为低电平“0”，而VSC 为高电平“1”，这样Q74 基极电位高于Q75 的基极电位，Q74 导通， Q75 截止，集电极无电流输出，LD 不发出激光。反之，当输入Vin 为低电平“0”时，VSC 为高电平“1”；而VSC 为低电平“0”，这样Q75 基极电位高于Q74 的基极电位，Q75 导通，Q74截止，Q75 集电极输出的数字脉冲电流驱动LD，直接驱动LD 发出激光。3) 偏置电路因为LD 是阀值元件，阀值为Ith，如图3-2 所示。通常设置预偏置电流Ib(Ib 略小于Ith)。设置Ib 的理由是：如果不设置Ib，而直接用调制信号Id 来进行调制的话，则需要提供幅度变化较大的电流；有了Ib 后，相当于减小了Id 的变化范围，这样有利于提高调制速度。当驱动电流较低时，只有自发幅射存在，这时半导体激光器发射的是荧光，相当于发光二极管的情况。当驱动电流达到Ith 时，输出功率急增，这时LD 发射的是激光。图3-2 LD 的调制示意图由于这些理由，就在LD 上加一个预偏置电流Ib，再叠加上Id。即用I=Id+Ib 进行调制，LD的预偏置电路如图3-3 所示。由R725、C77、Q76、Q78、R743 组成。R725 用于限制Ib 的最大值，C77 为滤波电容，用来进一步滤除交流分量。Q76 用来构成APC 电路，Q76 的基极受APC电路控制。图3-3 LD 的预偏置电路4) 自动光功率控制电路(APC)APC是Automatic Power Control 的缩写。设置自动功率控制APC 的因素有两个：一是因为LD 的阀值电流随温度的影响变化很大，如图3-4 所示，由图看出，当温度由20升高到50时，由于Ith 增大得过多，LD 根本不能工作，此时无激光发出；二是因为P-I 曲线的斜率随使用时间的增长而减小，即电光转换效率降低。如图3-5 所示是一典型的LD 损坏试验的P-I曲线，每隔100200h 测一条曲线，当使用时间达1700h 时，LD 不能连续使用。为了稳定输出光功率必须设置APC 电路。本机有自动功率控制电路，采用背向光反馈自动偏置控制方式，即用半导体激光器组件中的PIN 光二极管监测激光器背向输出光功率。因为背向输出光功率与前向输出光功率是跟踪变化的，所以通过闭环控制系统，就可自动调节激光器的电流，达到稳定输出光功率的目的。 图3-4 LD 阀值和P-I 特性随温度 图3-5 LD P-I 特性使用时间变化的典型曲线 变化的典型曲线自动功率控制电路原理图如图3-6 所示。由运算放大器U71 和Q76 等组成控制环路。反馈取自LD 的背向光，由PIN 检出并转换成相应的电流，经E73 滤波后加到U71C 运算放大器， U71C 实际上是并联反馈放大器，电位器W74 用来调节增益，以适应灵敏度不同的PIN 管，使得在相同光功率时输出电压(U2)基本不变，并加于U71B 的反相端，U71B 是比较积分放大器，在理想情况下积分器的输出电压为：这里R734、E75 的乘积称为积分器的时间常数。U3 经二极管D73 和电阻R712 加于Q76的基极，以控制基极电流，进而控制预置电流Ib。从而构成反馈控制回路。控制过程如下：当某种原因使LD 输出光功率降低时，背向光减弱，PIN 输出电流减小，U1 是运算放大器U71C 的输入电压，由于运算放大器U71C 的输出电压U2 与输入电压U1 成比例，所以运算放大器输出电压U2 也减小。U2 加于比较积分放大器U71B 的反相输入端，所以U71B 的输出电压U3 增加，预置电流Ib 增大，使LD 的输出光功率增大，从而维持输出光功率不变。U71A 用来引入参考信号。U71A 的同相输入端引入直流参考电压。直流参考电压由-5V电源经R727 和W75 取得。引入直流参考电压的目的是为了实现用人工的办法来调节偏流，调节电位器W75，即可实现人工调节偏流。在U71A 的反相输入端引入数字信号作参考。引入数字参考信号的作用是防止控制电路在无信号输入或输入长连“0”时，偏流自动增大并使激光器工作，毫无意义的消耗光能量并造成误码，甚至因发出过高的直流光而烧毁LD。由图中看出，加于驱动电路Q74 基极的是来自U72 同相端的Uin，加于Q75 基极的信号是来自U72 反相端的/Uin，加于U71A 反相端的数字参考信号来自U72 的反相端/Uin。当输入信号消失或送入长连“0”时，如果没有引入数字信号，因Uin 为“0”，Id 减小并实施负反馈调节的结果，使Ib 上升。当引入数字参考信号后，因Uin 为低电平，使得/Um 为高电平。Uin 的低电平，U3、Ib 增大；/Uin 的高电平，使U71A 的输出为低电平，使U71B 同相端的电位下降，并使U3 下降，Ib 减小，结果保持Ib 不增大。R738、C79 是Ib 慢启动电路，开机后，Ib 缓慢增大，以避免LD 受到大电流的冲击而损坏， Q78 为偏流的限流保护。当Ib 达到一定值时，R743 上的电压加大，Q78 的基极电位升高，Q78导通；使Q76 的基流被分流，限制了Ib 的增加。Q78 与R724、R725 均起到对Ib 的限流作用。五、实验步骤以1310nm 光发端机(1550nm 光发端机与其相同)为例，即实验箱左边的模块。1）电气实验导线的连接： 关闭系统电源，将L_FY_OUT(L_FY_OUT 码型为10101010、10101010、10101010)数字信号作为光发送端的数字输入信号。将开关S71 拨向左边 (数传输字信号)。2）光路部分的连接： 取下光发端口上的红色橡胶保护套。 取一根FC-ST 的光跳线，取下其两端的保护套。 将光跳线的A 端1310nm 光发送端口(1310nm TX)的连接器对接。 将光跳线的B 端与光功率计端口的连接器对接。3）调节电位器W75 (APC 控制器人工偏流调节)，使光功率为-2.5dBm。4）将J72 短路帽拿掉，串接一个直流电流表测量电流Ib。5）改变输入信号的码型（改变码元中1 的个数），依次减少一个“1”码即增大光功率，根据下表分别记录光功率和电流Ib。6）完成实验后，先关闭系统电源，再拆下光路的连接(注意轻拆轻放)，最后拆下电路的连接线，整理好实验箱。六、实验报告要求将实验过程中记录的各种数据结合原理进行分析，加深理解自动功率控制的原理实验四 光接收机电路原理 光接收电路是光纤通信结构中重要的一部分内容，它的作用是把光信号转换电信号，还原出有用的信号。一、实验目的 1了解光接收端机的功能。 2掌握光接收端机的电路结构原理。 二、实验内容学习光接收机的电路组成原理。 三、实验仪器THKEGC-2 型实验箱一台、示波器一台、FC/PC 光纤跳线两根。 四、基本原理光接收机是把光纤送来的光信号变换为电信号，经过均衡放大，箝位，电位调整，整形后，送出相应的模拟或数字信号。 图 4-1 光接收电路原理方框图光接收机的电路组成如图4-1 所示。光接收机电路原理图如图 4-2 所示。光接收电路的功能是把来自光纤的光脉冲信号转换为电脉冲信号，并给予足够的放大，输出一个适合定时判决的脉冲信号到判决电路。光电检测前置放大级： 光电检测器的功能是把光信号转换为电信号。前置放大器是光接收机的关键器件之一，它直接影响接收机的灵敏度。光接收机的质量指标就是接收机的灵敏度。所谓接收灵敏度就是在保证特定的误码率条件下所需的最小输入光功率。一般输入光功率(即接收光功率)是指整个码流平均的光功率，前置放大器提供优良的信噪比，将来自光电检测器的微弱电信号进行放大。由 A1、A2、A3 组成。A1 为光电检测器，采用飞通公司的光深测器件，对应于电原理图中的 PIN81。 A2 为前置放大器一，由三级管 Q82 及相关元件组成。 A3 为前置放大器二，由线性集成放大器 MAX4113 组成，对应于电原理图中的 U81。 A4 为宽频放大器一，由三级管 Q83、Q81 及相关元件组成。 A5 为箝位电路：信号经射极跟随器 Q84 后，送到二极管箝位电路。箝位电路由电容 C818、二极管 D81、电位器 W82、电阻 R811 和 Q85 等组成。箝位电路的作用是将信号的底部箝位在由电位器 W82 调定的电位 E 上，以消除输入信号基线漂移。 A6 为幅度判决电路：幅度判决电路的作用是识别信号是“1”还是“ 0”，并形成数字信号。五、实验步骤 以 1310nm 光端机(1550nm 光端机与其相同)为例，即实验箱左边的模块。 1）光路部分的连接 取下光发/光收端口上的红色橡胶保护套； 取一根 FC-FC 的光跳线，取下其两端的保护套。 将光跳线的 A 端与光发送端口的连接器对接，即：将光跳线小心地插入连接器，在插入在同时保证光跳线的凸起部分与连接器凹槽完全吻合，然后拧紧固定帽即可； 将光跳线的 B 端与光接收端口的连接器对接，方法同上。 2）数字信号的接收 关闭系统电源，用实验导线将数字信号 L_D1(01100010)接入光发模块的数字输入端口L_DIN。 图 4-2 光接收机电路原理图 将开关 S71 拨向左边(传输数字信号)。 打开电源，将示波器 CH1 接在光发模块的数字输入端口 L_DIN，CH2 接在光收模块的数字输出端口 L_DOUT。 调节光接收模块的可调电位器 W81(放大器增益调节)或电位器 W82(判决电平调节)，观察光接收端输出波形和占空比的变化。 3）模拟信号的接收 关闭系统电源，用实验导线将模拟信号源模块的正弦波输出端口 L_SINE 接入发光模块的模拟输入端口 L_AIN。 将开关 S71 拨向右边(传输模拟信号)。 打开电源，将示波器 CH1 接在光发模块的模拟输入端口 L_AIN，CH2 接在光收模块的模拟输出端口 L_AOUT。 调节光发送模块的可调电位器 W71(输入信号衰减调节)、W73(激光器驱动电流调节)，观察光接收端输出波形的变化。 调节光接收模块的可调电位器 W81，观察光接收端输出波形的变化。六、实验报告要求记录实验过程中所得到的各种传输信号波形，并分析。 实验五 数字信号电光、光电传输 一、实验目的 1了解数字光纤通信的基本原理。 2掌握各种数字信号的传输特性。 3初步了解完整光纤通信系统的基本组成结构。 二、实验内容 1用示波器观察各种传输信号的波形。 2使用实验系统中提供的各种信号进行光传输实验，有：NRZ、CMI、PCM 编码。 三、实验仪器 示波器一台、THKEGC-2 型实验箱一台、FC/PC 光纤跳线两根。四、基本原理本实验主要完成各种数据信号的光纤传输，其原理如图5-1 所示，本次实验所用到的数字号主要有：NRZ(D1、D2、D3)、FS、CMI 码。各信号的详细介绍及各部分电路原理请参考续的实验内容。 图 5-1 数字信号光纤传输框图图 5-2 CMI 码光纤传输框图五、实验步骤以 1310nm 光端机(1550nm 光端机与其相同)为例，即实验箱左边的模块。用光跳线分别连接 1310nm 的 TX 和 RX 端。 1数字信号光纤传输实验。1) 将固定速率数字信号源模块的 L_D1 或 L_D2、L_D3、L_FS、L_BS、L_FY_OUT 连接光发送模块的数字信号输入端口 L_DIN。 2) 把开关 S71 拨到左边(传输数字信号)。 3) 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 L_DOUT 观察输出信号。 4) 通过调节电位器 W81、W82 得到最佳的数字信号。 5）通过拔动开关改变数字信号的码型，观察输出端的波形变化。 2CMI 码光纤传输实验 1) 关闭系统电源，选数字信号模块中的 L_D1、L_D2、L_D3、L_FS、CPLD 模块的 L_D_IN，进行 CMI 码的编码。将 L_CMI_OUT 连接到光发入端口 L_DIN，并将光接收模块的输出端 L_DOUT 用导线连接到 L_CMI_IN进行译码成原始信号。 2) 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 L_DOU3) 通过电位器 W82 来调节判决直流电平得到最佳的数字信号。 4) 用示波器观察编码前后的两个波形。 5）通过拔动开关改变数字信号的码型，观察输出端的波形变化。 六、实验报告要求 1记录数字信号 CMI 编码后的波形并与原始波形作比较。 2分析数字信号光纤传输的编码规则。 3归纳各种数字信号光纤传输的特点。 实验六 模拟信号电光、光电传输 一、实验目的1了解模拟信号光纤传输的基本原理。 2了解完整的模拟信号光纤系统的基本结构。 3掌握各种模拟信号的传输特性。 二、实验内容 1通过不同频率的正弦信号、方波信号、三角波信号进行光传输实验。 2正弦信号通过 PCM 编码后进行光传输实验。 三、实验仪器示波器一台、THKEGC-2 型实验箱一台、FC/PC 光纤跳线两根。四、基本原理本实验用示波器观察光发送模块和光接收模块的模拟信号波形，并通过调节模拟信号源模块的频率进行比较。了解和熟悉光纤传输模拟信号系统的组成。其实验框图如下： 图 6-1模拟信号光纤传输方式之一 图 6-2模拟信号光纤传输方式之二模拟信号的传输，可以有多种方式，一种是直接用模拟信号，经过光纤直接进行传输；另一种方式是把模拟信号数字化后，进行编码，然后将编码好的数字信号再进行光纤传输，最后再经过译码，把模拟信号还原。现在使用最多的一种方式是 PCM 编译码，对于 PCM 编译码的详细资料请参考教材。 五、实验步骤以 1310nm 光端机(1550nm 光端机与其相同)为例，即实验箱左边的模块。用光跳线分别连接 1310nm 的 TX 和 RX 端。 1模拟信号光纤传输方式之一 1) 将模拟信号源模块的正弦波 L_SINE 连接到光发送模块的模拟信号输入端口 L_AIN。 2) 把开关 S71 拨到右边(传输模拟信号)。 3) 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 L_AOUT 观察输出信号。 4) 通过调节电位器 W71、W73、W81 得到最佳的模拟信号，用示波器观察模拟信号输入端口 L_AIN 和模拟信号输出端口 L_DOUT 的波形。 2模拟信号光纤传输方式之二 1) 实验连线 左边模拟信号源的输出正弦波 L_SINE 与 PCM 编译码单元的 A_IN 相连。PCM 编译码单元 A_TXD 与光发送数字信号输入端 L_DIN 相连。 PCM 编译码单元 B_RXD 与光接收数字信号输出端 L_DOUT 相连。2) 把开关 S71 拨到左边，调节电位器 W75，逆时针旋到底。 3) 打开系统电源，仔细调节电位器 W82(调节判决直流电平)、W81(增益调节)得到最佳的模拟信号，用示波器观察 PCM 编码前(A_IN)和译码后(B_OUT)的波形，比较波形是否有信号失真。注意信号的幅度和频率。由于 PCM 码流的速率比较高，因此在光纤传输过程中如果有时延产生，调节 W81、W82 就是为了消除时延的影响。在这个实验过程中必须仔细反复调节这两个电位器才能将信号恢复。 六、实验报告要求 1记录并画出实验所观测的波形，并进行比较。2比较模拟信号两种传输方式，分析哪种传输方法的传输效果更好。 实验七 光纤通信线路码一、实验目的1了解光纤通信编译码的方式。2了解各种编译码方式的性能。3了解光纤线路码的选码原则。4掌握CMI 编码/译码原理。5学习CMI 编译码模块的使用。二、实验内容1光纤通信编译码的方式。2光纤线路码的选码原则。3观察CMI 编译码的波形。三、实验仪器示波器一台、THKEGC-2 型实验箱一台。四、基本原理(一) 常见光纤线路码1mBnB 码mBnB 码又叫分组码(BlockCode)。其特点是将输入的原始二进制码流按m 比特分组，形成m 比特的码字，然后将每一码字在同样长的时隙内变成n 比特的码字输出（取nm）。常见的有1B2B 码、3B4B 码、4B6B 码、5B6B 码、5B7B 码和6B8B 码等等，由于nm 2n 个nB 码字中仅有2n 个与mB 码字对应，其余不用的nB 码字称为禁字。通常把nB 码字中的“1”、“0”个数悬殊的码字作禁字，而且把录用的“1”、“0”个数不均字分成两种模式，并使“1”多的正模式与“0”多的负模式交替出现，这样就消除了线路码的直流电平浮动。mB码字到nB码字的变换及逆变换是按预定的码表进行的，不同的码表产生不同的线路码。mBnB 码中，5B6B 码被认为是在编码复杂性和比特冗余度之间最合理的折衷。它的线路码速只比原始码速增加20%，而变换、反变换电路也不太复杂。2mBIP 码mBIP 码是一种脉冲插入码。在mB 码字后插入1 比特P 码，作为前面m 比特码元的奇偶校验比特。奇偶校验可以是奇数性的，也可以是偶数性的。在偶数时，若mB 中传号个数为偶数，取P 码为“0”；若mB 传号个数为奇数，则取P 码为“1”。奇数性可以解决长连“0”问题，使连“0”数2m，当“1”为奇数时又使连“1”数2m。偶数性不能解决连“0”问题，但便于不中断业务的误码监测。图7-1 17B18B(17B1P)码的例子应当指出，在某些外国产品资料中，线路码的名称不够规范，易造成mB1P 码与mBnB 的混淆，例如，7B8B 码、17B18B 码实际上是7B1P 码和17BIP 码(如图7-1 所示)。3mBICi 码mBICi 码是另一类脉冲插入码，在原始的mB 码字后，插入1 比特C 码，它是前面m 比特码元中第i 位的补码(i 值从C 码往前数)。图7-2 是5B1C 码的例子。补码的插入可以控制连“1”数和连“0”数。改变i 值可以调节线路码的功率谱形状。误码监测可以靠检查C 是否与前面对应码元互补来实现。放弃部分C 码，而以交替插入的各种附加信息比特代替，在我国又叫mBIH码，这种线路码具有帧结构。图7-2 5B1C 码结构示例4CMI 码和DMI 码CMI 码和DMI 码是两种二电平传号交替反转码，它们的变换规则如表7-1 所示。图7-3是CMI 码变换的实例。变换后码率提高了一倍。图7-3 CMI 码变换实例表7-1 CMI 与DMI 码变换规则CMI 的连“0”最大数为3，DMI 的连“0”最大数为2，因此这两种线路含有丰富的定时信息，便于定时提取。这两种码都允许进行不中断业务的误码监测。CMI 码在ITU-TG.703 建议中被规定为139.264Mbit/s 和155.520Mbit/s 的物理/电气接口的码型。因此有不少139.264Mbit/s 数字光纤传输系统就用CMI 码作为光线路码。除了上述优点外，直接将四次群复用设备送来的CMI 码调制到光器件上，接收端再生还原的CMI 码直接送给四次群复用设备，这样做无需电接口和线路码型的变换/反变换，设备简单。(二) 光纤线路码选择线路码型的选择是复杂的问题，除了技术因素之外，还有系统结构、网络拓朴、经济等诸方面的因素。自光纤通信问世以来，各国对线路码型都进行了大量的深入研究。在已付诸实用的数字光纤通信系统中，采用了多达数十种的线路码型。但是原ITU-T 却一直没有对光线路码型制定统一的规范，而且不打算制定这种规范。单从技术的角度来说，因为光传输系统的电气输入输出接口都是符合ITU-TG.703 建议的，易于互相连接，一般的数字信道连接或转接都是通过这类接口实现的。而光接口上通常不进行不同制造厂家之间设备的互连，因此也无须规定统一的码型。当然从管理的角度来说，在一个国家统一几种码型有一定的意义，但也有相当的难度。因为要全面满足上述对线路码型的要求是不可能的。因为在这些要求中，有些相互就是矛盾的，很难选出一种在各种条件下均为最佳的码型。只能根据具体情况选用能满足主要要求的码型。这从码型研究和选用历史发展的过程也可以看出这一点。光通信发展的初期，着重考虑简单易行地监测误码方面，因此采用插入奇偶校验位码型的相对较多。随着对光线路码型研究的深入，对码型性能的分析渐渐完备，把码的谱特性、定时成分及误码性能监测的要求放在了重要位置，因此mBnB 码特别是5B6B 的采用相对较多。当前，对网络管理的要求越来越高，而电子技术飞跃发展，特别是超大规模集成技术的迅速发展，使各种复杂电路的实现变得简单，定时提取电路的性能也越来越好，因此对码型传送监控、公务等操作、维护和管理信息的要求显得更为重要，于是插入混合比特的码型就用得多起来。从同步数字系列(SDH)的研究开发可以看出来，已不再额外考虑光线路码型，而把帧结构中插入大量的电信号扰码后直接放到光路中传输，这从另一个角度来看，也可以认为是一种插入类的光线路码型。从各种实用的光线路码型来看，考虑了光源器件的特点、光调制的方便及接收端的简易性，几乎无例外地采用了单极性码或者说两电平码，而极少采用三电平、四电平码。由于光发送机、光接收机的制作困难，四电平以上的光线路码型没有实用化。(三) CMI 编译码电路介绍通过对以上各种编码方式的学习，参考表7-2，在本系统中，我们对输入信号所取用的编码方式为CMI 编码。表7-2 三种典型线路码比较CMI 编码译码电路是由CPLD 来完成，其功能框图分别见图7-10、7-11 所示。图7-10 CMI 编码电路框图图7-11 CMI 译码电路框图端口说明：L_D_IN：左边需进行编码的信号输入端L_CMI_OUT：左边编码后的信号输出端L_CMI_IN：左边需进行译码的信号输入端L_D_OUT：左边译码后的信号输出端R_D_IN：右边需进行编码的信号输入端R_CMI_OUT：右边编码后的信号输出端R_CMI_IN：右边需进行译码的信号输入端R_D_OUT：右边译码后的信号输出端五、实验步骤以1310nm 光端机(1550nm 光端机与其相同)为例，即实验箱左边的模块。1关闭系统电源， 选取一路数字信号( 如： L_FS 、L_D1 、L_D2 、L_D3 、L_FY-OUT(L_FY_OUT 信号的产生参考实验二十一、二十二) 用一根短实验导线连接到左边CMI 编码的信号输入端L_D_IN，进行CMI 编码。2 将编码后的信号L_CMI_OUT 用一根短实验导线连接到L_CMI_IN 的端口，进行译码。3打开电源，示波器CH1 接L_D_IN，CH2 接L_CMI_OUT，观察CMI 码的编码规则。4示波器CH1 接L_D_IN，CH2 接L_D_OUT，观察CMI 码的译码规则。观察L_D_OUT的结果和L_D_IN 输入的数字信号是否相符。5改变数字信号，观察各点的波形变化。六、实验报告要求1 观察数字信号被CMI 编码后的波形与原始波形的关系。2 熟悉光纤数字信号传输的编码原则和传输效果的关系。实验八 波分复分(WDM)光纤通信一、实验目的 1了解光纤接入网波分复用传输路径。 2掌握波分复用技术及实现方法。 二、实验内容 1模拟、数字信号波分复用光纤传输。 2混合信号波分复用光纤传输。 三、实验仪器示波器一台、THKEGC-2 型实验箱一台、FC-FC 波分复用器两个、FC-FC 连接器一个。四、基本原理 WDM 技术就是为了充分利用单模光纤低损耗区带来的巨大的带宽资源，根据每一信道光波的频率(或波长)不同可以将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道，把光波作为信号的载波，在发送端采用波分复用器(合波器)将不同规定波长的光载波合并起来送入一根光纤进行传输；在接收端，再由一波分复用器(分波器)将这些不同波长承载不同信号的光载波分开。由于不同波长的光载波信号可以看作互相独立的(不考虑光纤非线性时)，从而在一根光纤中可实现多路光信号的复用传输。波分复用系统原理图如图 8-1 所示。 图 8-1 WDM 原理图完整的 WDM 系统由以下两类组成：一类是 WDM 分波前后所需的元件，如 EDFA、Mux/DeMux(Multiplexer/DeMultiplexer，合波/分波多工器)；一类是 WDM 的应用，如OADM(Optical Add Drop Multiplexer，光塞取多工器)、OXC(Optical Cross Conncets 光交换链接器)。 EDFA 是 WDM 系统中最重要的元件之一，不需要经光电转换便可放大光能量。在 EDFA的制造上是以常规石英系光纤为母材掺进铒离子，由于铒离子的掺入，提供了一个 1550nm 的能带，使得原本的讯号和高功率泵激激光(pumping laser，波长 980nm 或 1480nm，功率1015