光纤通信实验指导书

1、光纤通信实验指导书（2011年试用版）广东石油化工学院计算机与电子信息学院2011年9月目 录前言 3实验一 数字基带信号实验 4实验二 数字信号电光、光电转换传输实验 9实验三 模拟信号电光、光电传输实验 15实验四 电话语音光传输系统实验19附页 光发送模块和光接收模块的器件特性20 前 言 光纤通信实验是为配合光纤通信原理课的理论教学而设计的。所安排的实验中，除了理论验证性实验外，还有三个综合性实验。 下面对光纤通信实验箱组成、系统特点以及配套仪器进行简要的说明：一、光纤通信实验箱组成简介光纤通信实验箱有两个工作波长（1310nm；1550nm），采用模块化结构设计，主要的功能模块有：1

2、.数字信号源单元； 2.AMI(HDB3)编译码单元；3.电话接口单元； 4.PCM&CMI编译码单元；5.可调信号源单元； 6.单行RS232接口单元；7.1310波长光发送单元； 8.1550波长光发送单元；9.1310波长光接受单元； 10.1550波长光接受单元；11.数字时分复用光纤传输实验；12.5B6B编译码实验单元；二、系统特点1.模式化设计，灵活搭线，可实现多个实验，并可以自己灵活搭接组成其他实验。2.实验箱上有光纤跳线的接口模块，可自由加入光纤无源器件，使用多种仪表如误码分析仪等进行观测。完全满足国家教学大纲的教学要求。3.本实验箱可谓一箱多用，精巧的结构，独特的创意，具有

3、超高的性价比。三、配套仪器必 备 仪器：20M通用示波器或者虚拟仪器可选配仪器：音频信号源，频率记，频谱分析仪，光功率计，稳定光源，光时域反射仪，误码测试仪，光纤熔接机，PCM终端测试仪。实验一 数字基带信号实验一、实验目的1、 了解单极性码、双极性码、归零码、不归零码等基带信号波形特点。 2、 掌握集中插入帧同步码时分复用信号的帧结构特点。二、实验内容 用示波器观察单极性非归零码（NRZ）、位同步信号（BS）及帧同步信号（FS），了解它们的对应关系。三、基本原理 本实验使用数字信源模块。 本模块是整个实验系统的发终端，其原理方框图如图1-1所示。本单元产生NRZ信号，信号码速率约为170.5

4、KB，帧结构如图1-2所示。帧长为24位，其中首位无定义，第2位到第8位是帧同步码（7位巴克码1110010），另外16位为2路数据信号，每路8位。此NRZ信号为集中插入帧同步码时分复用信号。发光二极管亮状态表示1码，熄状态表示0码。 图1-1 数字信源方框图图1-2 帧结构本模块有以下测试点及输入输出点： CLK 晶振信号测试点 BS OUT信源位同步信号输出点/测试点 FS OUT信源帧同步信号输出点/测试点 NRZ-OUTNRZ信号输出点/测试点 图1-3为数字信源模块的电原理图。图1-1中各单元与图1-3中的元器件对应关系如下： 晶振CRY1：晶体；U1：反相器7404 分频器U3：计

5、数器74161；U4：计数器74193；U9：计数器40160 并行码产生器 K4、K2、K3：8位手动开关，从左到右依次与帧同步码、数据1、数据2相对应；发光二极管左起分别与一帧中的24位代码相对应 八选一U4、U5、U8：8位数据选择器LS151 三选一U7：8位数据选择器LS151 倒相器U28：非门74HC04 抽样U30：D触发器74HC74 下面对分频器，八选一及三选一等单元作进一步说明。 （1）分频器 74161进行13分频，输出信号频率为341kHz。74161是一个4位二进制加计数器，预置在3状态。 74193完成2、4、8、16运算，输出BS、S1、S2、S3等4个信号。B

6、S为位同步信号，频率为170.5kHz。S1、S2、S3为3个选通信号，频率分别为BS信号频率的1/2、1/4和1/8。74193是一个4位二进制加/减计数器，当CPD= PL =1、MR=0时，可在Q0、Q1、Q2及Q3端分别输出上述4个信号。 40160是一个二一十进制加计数器，预置在7状态，完成3运算，在Q0和Q1端分别输出选通信号S4、S5，这两个信号的频率相等、等于S3信号频率的1/3。 分频器输出的S1、S2、S3、S4、S5等5个信号的波形如图1-4（a）和1-4（b）所示。 （2）八选一采用8路数据选择器4512，它内含了8路传输数据开关、地址译码器和三态驱动器，其真值表如表1

7、-1所示。U24、U25和U27的地址信号输入端A、B、C并连在一起并分别接S1、S2、S3信号，它们的8个数据信号输入端x0 x7分别与K1、K2、K3输出的8个并行信号连接。由表1-1可以分析出U24、U25、U27输出信号都是码速率为170.5KB、以8位为周期的串行信号。（3）三选一三选一电路原理同八选一电路原理。S4、S5信号分别输入到U8的地址端A和B，U24、U25、U27输出的3路串行信号分别输入到U8的数据端x3、x0、x1，U8的输出端即是一个码速率为170.5KB的2路时分复用信号，此信号为单极性不归零信号（NRZ）。图1-3 数字信源电原理图图1-4 分频器输出信号波形

8、表1-1 4512真值表CBAINHDISZ00000x000100x101000x201100x310000x410100x511000x611100x71001高阻 （4）倒相与抽样 图1-1中的NRZ信号的脉冲上升沿或下降沿比BS信号的下降沿稍有点滞后。在实验二的数字调制单元中，有一个将绝对码变为相对码的电路，要求输入的绝对码信号的上升沿及下降沿与输入的位同步信号的上升沿对齐，而这两个信号由数字信源提供。倒相与抽样电路就是为了满足这一要求而设计的，它们使NRZ-OUT及BS-OUT信号满足码变换电路的要求。 FS信号可用作示波器的外同步信号，以便观察2DPSK等信号。 FS信号、NRZ-

9、OUT信号之间的相位关系如图1-5所示，图中NRZ-OUT的无定义位为0，帧同步码为1110010，数据1为11110000，数据2为00001111。FS信号的低电平、高电平分别为4位和8位数字信号时间，其上升沿比NRZ-OUT码第一位起始时间超前一个码元。图1-5 FS、NRZ-OUT波形四、实验步骤1 熟悉信源模块的工作原理。用示波器观察数字信源模块上的各种信号波形。 2 用FS作为示波器的外同步信号，进行下列观察：（1） 示波器的两个探头分别接NRZ-OUT和BS-OUT，对照发光二极管的发光状态，判断数字信源单元是否已正常工作（1码对应的发光管亮，0码对应的发光管熄）；（2） 用K1

10、产生代码1110010（为任意代码，1110010为7位帧同步码），K2、K3产生任意信息代码，观察本实验给定的集中插入帧同步码时分复用信号帧结构，和NRZ码特点。按照实验指导书要求，用K1产生代码11110010,K2产生代码00011100,K3产生代码01110000(其中K1的代码为帧同步码,K2和K3是产生的信息码,可以任意定义).用示波器观察NRZ、FS、BS如下图:检测点波形数字信号远源单元FS数字信号远源单元NRZ数字信号远源单元BS注意:该实验不用连接线,直接在实验箱上的数字信源单元各个观察点加示波器探头进行观测.五、实验报告要求 根据实验观察和纪录回答：1、 不归零码和归零

11、码的特点是什么？2、 根据电路原理图设计出一任意伪随机码（RZ）产生电路，并用文字描述其产生原理.六、实验仪器示波器，光纤通信实验箱。实验二数字信号电光、光电转换传输实验一、 实验目的1、 了解数字光纤系统的通信原理。2、 掌握各种数字信号的传输机理。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：170KHz方波、NRZ码、CMI码等。三、 基本原理本次实验主要完成各种数据的光纤传输，本次实验所用到的数字信号主要有：170KHz方波、NRZ码、CI码。各信号的详细介绍及各组成部分电原理图请参

12、看前面实验的讲解。各信号的光纤传输示意图分别如图7-1、图7-2、图7-3所示。图7-1 方波信号光纤传输示意图图7-2 NRZ码光纤传输示意图图7-3 CMI码光纤传输示意图四、 实验步骤1310nm光纤模块实验：1. 熟悉光发送模块和光接收模块的工作原理及结构组成，了解半导体激光器件PHLC-XXX-R和PHPC-1S01-PFC的性能及在操作上应注意的事项。2. 打开系统电源，观察电源指示灯是否正常。用示波器检测数字信号源的NRZ、BS输出是否正常。3. 关闭系统电源，用实验导线把数字信号源的BS输出端与光发送模块的数字输入T2相连接，检查光发送模块的切换开关S1是否拨向数字状态，同时检

13、查模拟电源开关是否处于开启状态，接通系统电源，用示波器观察J8点的波形及电压，是否处于正常状态，正常状态时，此点的波形应该与输入点的波形同相，且幅度变小。可参见图5-4数字信号发送波形检测。4. 若J8点的信号电平正常，用示波器观察接收电路输出端口DIGITAL_OUT的波形，并与光发送输入端波形相比较。参见图7-5 BS信号在光纤传输前后的比较 检测点波形数字信号源单元BS点1310nm光纤收发模块光接受输出单元数字输入 T4图7-5 BS信号在光纤传输前后的比较5. 将输出接入误码测试仪，观察误码。（选做）6. 重复以上步骤，分别对NRZ、CMI信号进行光纤传输，对光纤输出的信号进行译码，

14、观察译码后的波形。（选做）7. 对于NRZ信号的光纤传输，接线如下所示，输出观测点是光接收输出单元 DIGITAL T4点。波形参见图7-6 NRZ信号在光纤传输前后的比较。模块连接点连接方式连接点模块数字信号源单元NRZ信号导线DIGITAL T2点1310nm光纤收发模块光发送输入单元1310nm光纤收发模块下方1310 nm TX光纤1310 nm RX1310nm光纤收发模块下方检测点波形数字信号源单元NRZ点1310nm光纤收发模块光接受输出单元DIGITAL T3点图7-6 NRZ信号在光纤传输前后的比较8. CMI码的光纤传输接线表如下，CMI译码还原信号测试点是PCM&CMI编

15、译码单元的DOUT1或DOUT2。波形参见图7-7 CMI信号在光纤传输前后的比较。模块连接点连接方式连接点模块数字信号源单元NRZ_OUT码导线DIN1PCM&CMI编译码单元PCM&CMI编译码单元CMI_OUT1导线数字输入 T21310nm光纤收发模块光发送输入单元1310nm光纤收发模块光接收输出单元数字输出T4导线CMI-IN1PCM&CMI编译码单元1310nm光纤收发模块下方1310 nm TX光纤1310 nm RX1310nm光纤收发模块下方检测点波形（对应数字码元）1 0 1 0数字信号源单元NRZ_OUT点PCM&CMI编译码单元CMI_OUT1点1310nm光纤收发模

16、块光接收输出T4单元点PCM&CMI编译码单元DOUT1图7-7 CMI信号在光纤传输前后的比较注意：做此实验时，请将1310nm光纤收发模块的转换开关S1拨到数字端。接线表中所指“1310nm光纤收发模块下方”的“1310 nm TX”和“1310 nm RX”这两个连接点位置在实验箱面板上左上区域，有两个已固定好的法兰盘，在其右边做了标注，包含以上两个标注。同时，由于实验测试仪器的原因，可能会出现波形无法分辨的情况，因此希望选用推荐的数字存储示波器进行波形的观察和采集。1550nm光纤模块部分的实验与1310nm部分相同。五、 实验报告1、 理实验记录，画出相应的信号波形。2、 总结出数字

17、光纤传输系统的工作过程，设计出一种光纤传输系统，并画出结构图。3、 总结出NRZ码经CMI及HDB3编译码后波形的不同点，解释为什么。（选做）六、实验仪器数字存储示波器，光功率计实验三 模拟信号电光、光电传输实验一、 实验目的1. 了解数字光纤系统的通信原理2. 掌握各种模拟信号的传输机理。3. 初步了解模拟电话光纤通信系统的基本组成结构（选做）二、 实验内容1. 用示波器观察各传输信号的波形。2. 用实验系统中提供的各种信号进行光传输实验，有不同频率的正弦信号、三角波和HDB3码等。三、 基本原理本次实验主要完成各种不同频率的模拟信号的光纤传输，本次实验所用到的模拟信号主要是标准正弦信号、三

18、角波和HDB3码。其实验框图如图8-1、图8-2和图8-3所示。本实验所用到的正弦信号和三角波产生电路的电原理图如图8-4所示，PCM编译码部分可参考实验四的介绍。图8-1 模拟信号光纤传输方式一图8-2 模拟信号光纤传输方式二对于模拟信号的传输，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经过数字化后，调制成为数字信号后再进行光纤传输，最后经解调把信号还原成原始信号。图8-3 HDB3码光纤传输示意图图8-4 标准正弦信号产生电路原理图现在使用最多的一种方法是PCM编译码方式，对于PCM编译码的详细资料请参考实验四PCM编译码实验。四、 实验步骤1310

19、nm光纤模块实验：1. 认真阅读光器件操作说明。2. 熟悉光发送模块和光接收模块的工作原理及结构组成，了解半导体激光器件PHLC-XXX-R和PHPC-1S01-PFC性能及在操作上应注意的事项。3. 打开系统电源，观察电源指示灯是否正常。用示波器检测标准信号源的输出三角波和正弦波的输出是否正常。4. 关闭系统电源，用实验导线把标准信号源的正弦输出端与光发送模块的，模拟输入T1相连接，检查光发送模块的切换开关S1是否拨向模拟状态，同时检查模块电源开关是否处于开启状态，接通系统电源，用跳线短接J8，用示波器观察J8点的波形及电压，是否处于正常状态，正常状态时，此点的波形应该与输入点的波形同相，只

20、是幅度变小。波形可参见图5-5 模拟信号发送波形检测5. 适当调节光发单元的R86，R95以防止输入信号失真。6. 三角波的实验与正弦波的实验操作相同，请参考步驟1至5。（选做）7. 对于把模拟信号进行PCM编码传输接线表如下，输出观察PCM的译码输出SRA或SRB。实验各点波形参见图8-5 模拟信号的PCM传输。（选做）模块连接点连接方式连接点模块可调正弦信号源模块OUT1单元正弦波导线STAPCM&CMI编译码单元可调正弦信号源模块OUT2单元正弦波导线STBPCM&CMI编译码单元PCM&CMI编译码单元PCM-OUT导线数字输入 T21310nm光纤收发模块光发送输入单元1310nm光

21、纤收发模块光接收输出单元数字输出 T4导线PCM- INPCM&CMI编译码单元1310nm光纤收发模块下方1310 nm TX光纤1310 nm RX1310nm光纤收发模块下方检测点采样率(Hz)波形可调正弦信号源模块OUT1单元SINE WAVE点100KPCM&CMI编译码单元PCM-OUT点20M1310nm光纤收发模块光接收输出单元DIGITAL T3点20MPCM&CMI编译码单元SRA点100K图8-5 模拟信号经PCM编码的光纤传输注意：做此实验时，请将1310nm光纤收发模块的转换开关S1拨到数字端。表中所指“1310nm光纤收发模块下方”的“1310 nm TX”和“13

22、10 nm RX”这两个连接点位置在实验箱面板左上区域，有两个已固定好的法兰盘，在其右边做了标注，包含以上两个标注。当您将三角波或方波通过PCM传输,进行译码后发现波形失真。这主要是因为TP3057内部有两个滤波器，一个低通滤波器，一个高通滤波器，这两个滤波器主要功能是滤除高频和超低频信号，通过话音信号。三角波和方波中含大量的高次谐波，被滤除后波形则显得失真较大。8. 对于HDB3信号的光纤传输及译码，接线表如下，观察译码后的波形测试点：（AMI）HDB3编译码模块的NRZ，与数字信号源模块的NRZ波形相比较。实验各点波形图参见图8-6 HDB3码的光纤传输。（选做）模块连接点连接方式连接点模

23、块（AMI）HDB3编译码模块CODE-OUT导线ANALOG T11310nm光纤收发模块光发送输入单元1310nm光纤收发模块光接收输出单元模拟输出 T3导线CODE-IN（AMI）HDB3编译码模块1310nm光纤收发模块下方1310 nm TX光纤1310 nm RX1310nm光纤收发模块下方检测点波形 （对应数字码元） 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0数字信号源模块的NRZ点1310nm光纤收发模块光发送输入单元ANALOG T1点1310nm光纤收发模块光发送输入单元ANALOG T4点（AMI）HDB3编译码模块的NRZ点图8-6 HDB3码的

24、光纤传输注意：图8-6 HDB3码的光纤传输中由数字信号源单元提供的数字码元为1111 0000 1010 1111 0000 1010。读者据此可判断出HDB3编码、译码与原码的对应关系。对于1550nm光纤模块部分的实验与1310nm部分相同。做此实验时，请将1310nm光纤收发模块的转换开关S1拨到模拟端。表中所指“1310nm光纤收发模块下方”的“1310 nm TX”和“1310 nm RX”这两个连接点位置在实验箱面板上左上边区域，有两个已固定好的法兰盘，在其右边做了标注，包含以上两个标注。五、 实验报告1、 理实验记录，画出相应的信号波形。2、 总结出模拟信号光纤传输系统的工作过

25、程。3、 对于两种方式的模拟信号光纤传输，写出各自优缺点，选择出一种最优的传输方式。（选做）4、 在光纤通信中，对于数字信号要尽量减少其连0及连1的个数，根据本实验的实验思想，设计出一套电话光纤通信系统，画出组成结构框图。（选做）六、实验仪器数字存储示波器，光功率计实验四 电话语音光传输系统实验一、实验目的1. 了解电话语音信号光纤系统的通信原理。2. 了解完整的电话语音信号光纤通信系统的基本结构。3. 掌握电话语音信号的多种传输机理。二、实验内容1. 原始语音信号的光传输实验2. 通过不同的方式对话音信号进行光传输实验三、基本原理本实验用电话接口模块监测光发送模块、光接受模块的语音传输，并通

26、过与话音信号的PCM 编码传输效果进行对比、比较，以了解和熟悉光纤传输话音信号系统的组成。其实验框图如下：图4-1 话音信号光纤传输方式一 图4-2 话音信号光纤传输方式二图4-3 话音信号光纤传输方式三图4-4 话音信号光纤传输方式四电话语音信号的光纤传输，可以有多种方式，一种是直接用原始话音信号，经过光纤直接进行传输；另一种方式是把话音信号数字化后，进行调制，然后将调制好的数字信号再进行光纤传输，最后再经过解调，把话音信号还原。四、实验步骤（以下实验步骤以1310nm 光端机部分讲解。1550nm 光端机部分与其相同）第一部分：检测模拟传输通道，方法如下：1. 关闭系统电源，把光跳线分别连

27、接到1310 的TX 和RX 端。2. 将模拟信号源模块的正弦波或三角波、方波连接到光发送模块的模拟信号输入端口。3. 把开关S200 拨到模拟传输端，短接跳线J200。4. 打开系统电源，用示波器在光接受模块的模拟信号输出端口观察输出信号。5. 通过电位器R257（调节直流分量电平）及R242（增益调节）得到最佳传输的模拟信号。第二部分：传输模拟话音信号，方法如下：（以下连接线为图4-1 的详细说明，其他方式请自行连接）1. 关闭系统电源，保持第一步的光路连接不变，连接电话接口模块的输出TX 到光发端的模拟信号输入端口，RX 到光收端的模拟信号输出端口，将电话机接入电话机接口。2. 开启系统

28、电源，摘起话机，对MIC 端吹气，在听喇叭端听是否有吹气声。第三部分：以图4-2，连接传输通道，请自行连接。第四部分：检测数字传输通道，方法如下：1. 关闭系统电源，保持光路连接的连接，对于PCM 的接线为：关闭系统电源，将开关S200 拨到数字传输端。集群通信实验接线方法左模拟信号源的输出-正弦波 PCM 编译码单元的A_IN右模拟信号源的输出-正弦波 PCM 编译码单元的B_INPCM 编译码单元A_TXDPCM 编译码单元TXD_APCM 编译码单元A_RXDPCM 编译码单元RXD_APCM 编译码单元B_TXDPCM 编译码单元TXD_BPCM 编译码单元B_RXDPCM 编译码单元

29、RXD_BPCM 编译码单元PCM_OUT光发送数字信号输入端PCM 编译码单元PCM_IN光接收数字信号输出端2. 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与光发送的数字信号输入端信号。3. 通过电位器R257（调节判决直流电平）及R242（增益调节）得到最佳传输的数字信号。4. 用示波器观测PCM 编码前译码后的波形，比较波形，是否有信号失真。若有失真，调节电位器R257、R242，直到输出信号无失真。第五部分：话音信号的PCM 数字传输，方法如下：（以图4-4 为参考）1. 保持第四部分的所有连接线，做以下调整：PCM 编译码单元的A_IN电话接口模块一TX；PCM

30、 编译码单元的B_IN电话接口模块二TX；PCM 编译码单元的A_OUT电话接口模块一RX；PCM 编译码单元的B_OUT电话接口模块二RX；2. 开启系统电源，电话一、电话二摘机，双方进行通话。3. 实验结束，关闭电源，拆除所有连接线，收拾整齐。五、实验报告要求1. 记录并画出实验所用及所得到的波形，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。六、实验仪器示波器、光纤通信实验箱、电话、波分复用器（可选）。附：光发送模块和光接收模块的器件特性一、光发送模块的器件特性1310nm/1550 nm FP腔同轴激光二极管特点： 1310nm/1550nm FP Las

31、er diode with MQW structure MQW结构1310nm/1550nm FP腔激光二极管 -40C to 85C operating temperature -40C 至 85C工作温度 High temperature operation without TE cooler 高工作温度，无需制冷器 Built-in InGaAs monitor photodiode 内置背光检测激光二极管应用 SONET OC-3/OC-12 SDH STM-1/STM-4 Stable light source 稳定光源 Insertion / Return loss meter 置入损耗测量表光电特性 Parameter参数Symbol符号Min最小值Typ典型值Max.最大值Unit单位Test condition工作温度Central Wavelength中心波长128013101340nmCW,Po15