《光纤通信》实验指导书

1、光纤通信实验指导书王玮中南大学信息科学与工程学院电子与通信工程系二一四年五月25目 录实验操作注意事项3实验基本操作规范4主控&信号源模块说明5光源的P-I特性测试11光发射机消光比测试13模拟信号光纤传输系统15PN序列光纤传输系统17CMI码编译码及其光纤传输系统19光纤通信实验报告22实验操作注意事项光学器件属于昂贵易损器件，所以在实验操作过程中应加倍小心，防止光学器件的损坏，除此之外，还应注意对人体的伤害。为了保证实验顺利地进行，请注意以下事项： 请仔细阅读实验指导书操作步骤后开机实验，实验各测试点、跳线及开关说明，正确连接导线，以免造成光学器件和芯片的损坏。 不要用力拉扯光纤，光纤弯

2、曲半径一般不小于30mm，否则可能导致光纤折断。 光学器件属于昂贵器件，在安装和拆卸过程中请注意轻拿轻放，遇到问题须向老师报告。 实验过程中切不可将光纤输出端对准自己或别人的眼睛，以免损伤眼睛。 实验箱使用完毕后，请立即将防尘帽盖住光纤输入、输出端口，用光纤端面防尘盖盖住光纤跳线端面，防止灰尘进入光纤端面而影响光信号的传输。 若不小心把光纤输出端的接口弄脏，需用酒精棉球进行清洗。实验基本操作规范为做好本实验，这里为实验者提出了一定的操作参考方法，请按本说明做好实验前期模块准备、参数设置、波形观测等一系列基本操作： 实验前先检查所需模块是否固定好，供电是否良好。在未连线的情况下打开实验箱总电源开

3、关及各模块电源开关，模块右边电源指示灯应全亮；若不亮，请关电后拧紧模块四角的螺丝再检查。 准备工作做完后，请在断电情况下根据实验指导书步骤进行连线。 打开电源开关后需要先进行菜单设置再进行实验。通电后，首先弹出的是公司LOGO界面，然后自动进入到主菜单界面，旋转控制旋钮选择所需实验课程，按下旋钮进入实验课程，再在实验课程中选择所需实验。选择所需实验时会弹出响应的实验信息提示，按下确定键，提示框即消失，进入所选实验界面。 实验观测前，需要调节信号源输出信号相关参数。用示波器探头夹夹住导线的金属头，将导线另一头连接待测信号源输出端口，再调节相应旋钮和按键开关。 观测实验波形时，有三种基本测试方法。

4、 对于测试勾，可直接用示波器探头夹夹住测试勾后并确定夹紧即可； 或将示波器探头夹取下来，直接用探头夹接触测试点，观察波形时需要注意固定好示波器探头； 对于台阶插座，可用导线连接台阶座与示波器探头夹子，连接方法与上面第点中的叙述相同。 本实验指导书中实验步骤基本分为四点： 连线； 实验初始状态设置，此设置中包含菜单设置，实验前模块拨码开关设置以及信号源输出设置等； 实验初始状态说明，统一说明了实验中各信号源初始状态及实验环境； 观测，针对各实验项目要求，用示波器等辅助仪器观测并记录实验结果。主控&信号源模块说明一、 按键及接口说明图1 主控&信号源按键及接口说明二、 功能说明该模块可以完成如下五

5、种功能的设置，具体设置方法如下：1、 模拟信号源功能模拟信号源菜单由“信号源”按键进入，该菜单下按“选择/确定”键可以依次设置：“输出波形”“输出频率”“调节步进”“音乐输出”“占空比”（只有在输出方波模式下才出现）。在设置状态下，选择“选择/确定”就可以设置参数了。菜单如下图所示： （a）输出正弦波时没有占空比选项 （b）输出方波时有占空比选项图2 模拟信号源菜单示意图注意：上述设置是有顺序的。例如，从“输出波形”设置切换到“音乐输出”需要按3次“选择/确定”键。下面对每一种设置进行详细说明：a. “输出波形”设置一共有6种波形可以选择：正弦波：输出频率 10Hz2MHz方波：输出频率 10

6、Hz200KHz三角波：输出频率 10Hz200KHzDSBFC（全载波双边带调幅）：由正弦波作为载波，音乐信号作为调制信号。输出全载波双边带调幅。DSBSC（抑制载波双边带调幅）：由正弦波作为载波，音乐信号作为调制信号。输出抑制载波双边带调幅。FM：载波固定为20KHz，音乐信号作为调制信号。b. “输出频率”设置“选择/确定”顺时针旋转可以增大频率，逆时针旋转减小频率。频率增大或减小的步进值根据“调节步进”参数来。在“输出波形”DSBFC和DSBSC时，设置的是调幅信号载波的频率；在“输出波形”FM时，设置频率对输出信号无影响。c. “调节步进”设置“选择/确定”顺时针旋转可以增大步进，逆

7、时针旋转减小步进。步进分为：“10Hz”、“100Hz”、“1KHz”、“10KHz”、“100KHz”五档。d. “音乐输出”设置设置“MUSIC”端口输出信号的类型。有三种信号输出“音乐1”、“音乐2”、“3K+1K正弦波”三种。e. “占空比”设置“选择/确定”顺时针旋转可以增大占空比，逆时针旋转减小占空比。占空比调节范围10%90%，以10%为步进调节。2、 数字信号源功能数字信号源菜单由“功能1”按键进入，该菜单下按“选择/确定”键可以设置：“PN输出频率”和“FS输出”。菜单如下图所示：图3 数字信号源菜单a. “PN输出频率”设置设置“CLK”端口的频率及“PN15”端口的码速率

8、。频率范围：1KHz2048KHz。b. “PN输出码型”设置c. “FS输出”设置设置“FS”端口输出帧同步信号的模式：模式1： 帧同步信号保持8KHz的周期不变，帧同步的脉宽为CLK的一个时钟周期。（要求“PN输出频率”不小于16K，主要用于PCM、ADPCM编译码帧同步及时分复用实验）模式2： 帧同步的周期为8个CLK时钟周期，帧同步的脉宽为CLK的一个时钟周期。（主要用于汉明码编译码实验）模式3： 帧同步的周期为15个CLK时钟周期，帧同步的脉宽为CLK的一个时钟周期。（主要用于BCH编译码实验）3、 移动通信实验菜单功能按“主菜单”按键后的第一个选项“移动通信”，再确定进入各实验菜单

9、。进入“移动通信”菜单后，逆时针旋转光标会向下走，顺时针旋转光标会向上走。按下“选择/确认”时，会设置光标所在实验的功能。有的实验有会跳转到下级菜单，有的则没有下级菜单，没有下级菜单的会在实验名称前标记“”符号。在选中某个实验时，主控模块会向实验所涉及到的模块发命令。因此，需要这些模块电源开启，否则，设置会失败。实验具体需要哪些模块，在实验步骤中均由说明，详见具体实验。4、 模块设置功能*（该功能只在自行设计实验时用到）按“主菜单”按键后的第二个选项“模块设置”，再确定进入模块设置菜单。在“模块设置”菜单中可以对各个模块的参数分别进行设置。如下图所示：图4“模块设置”菜单a. 1号 语音终端&

10、用户接口设置该模块两路PCM编译码模块的编译码规则是A律还是律。b. 2号 数字终端&时分多址设置该模块BSOUT的时钟频率。c. 3号 信源编译码可设置该模块FPGA工作于“PCM编译码”、“ADPCM编译码”、“LDM编译码”、“CVSD编译码”、“FIR滤波器”、“IIR滤波器”、“反SINC滤波器”等功能（测试功能是生产中使用的）。由于模块的端口会在不同功能下有不同用途，下面对每一种功能进行说明：i. PCM编译码FPGA完成PCM编译码功能，同时完成PCM编码A/律或/A律转换的功能。其子菜单还能够设置PCM编译码A/律及A/律转换的方式。端口功能如下：编码时钟：输入编码时钟。编码帧

11、同步：输入编码帧同步。编码输入：输入编码的音频信号。编码输出：输出编码信号。译码时钟：输入译码时钟。译码帧同步：输入译码帧同步。译码输入：输入译码的PCM信号。译码输出：输出译码的音频信号。A/-In：A/律转换输入端口。A/-Out：A/律转换输出端口。ii. ADPCM编译码FPGA完成ADPCM编译码功能，端口功能和PCM编译码一样。iii. LDM编译码FPGA完成简单增量调制编译码功能，端口除了“编码帧同步”和“译码帧同步”是没用到的（LDM编译码不需要帧同步），其他端口功能与PCM编译码一样。iv. CVSD编译码FPGA完成CVSD编译码功能，端口除了“编码帧同步”和“译码帧同步

12、”是没用到的（CVSD编译码不需要帧同步），其他端口功能与PCM编译码一样。v. FIR滤波器FPGA完成FIR数字低通滤波器功能（采用100阶汉明窗设计，截止频率为3KHz）。该功能主要用于抽样信号的恢复。端口说明如下：编码输入：FIR滤波器输入口。译码输出：FIR滤波器输出口。vi. IIR滤波器FPGA完成IIR数字低通滤波器功能（采用8阶椭圆滤波器设计，截止频率为3KHz）。该功能主要用于抽样信号的恢复。端口与FIR滤波器相同。vii. 反SINC滤波器FPGA完成反SINC数字低通滤波器。该功能主要用于消除抽样的孔径效应。端口与FIR滤波器相同。d. 7号 时分复用&时分交换功能一是

13、设置时分复用的速率256Kbps/2048Kbps。功能二是当复用速率为2048Kbps时，调整DIN4时隙。e. 8号 基带编译码设置该模块FPGA工作在“AMI”、“HDB3”、“CMI”、“BPH”编译码模式。f. 10号 软件无线电调制设置该模块的BPSK的具体参数。具体参数有：是否差分：设置输入信号是否进行差分，即是BPSK还是DBPSK调制。PSK调制方式选择：设置BPSK调制是否经过成形滤波。输出波形设置：设置“I-Out”端口输出成形滤波后的波形或调制信号。匹配滤波器设置：设置成形滤波为升余弦滤波器或根升余弦滤波器。基带速率选择：设置基带速率为16Kbps、32Kbps、56K

14、bps。g. 11号 软件无线电解调设置该模块的两个参数，BPSK解调是否需要逆差分变换和解调速率。5、 系统升级此选项用于模块内部程序升级时使用。三、注意事项1、实验开始时要将所需模块固定在实验箱上，并确定接触良好，否则菜单无法设置成功。2、信号源设置中，模拟信号源输出步进可调节，便于不同频率变化调节。 光源的P-I特性测试一、实验目的1、了解半导体激光器LD的P-I特性。2、掌握光源P-I特性曲线的测试方法。二、实验器材1、 主控&信号源模块、2号、25号模块 各一块2、 23号模块（光功率计） 一块3、 FC/PC型光纤跳线、连接线 若干4、 万用表 一个三、实验原理数字光发射机的指标包

15、括：半导体光源的P-I特性曲线测试、消光比（EXT）测试和平均光功率的测试。接下来的三个实验我们将对这三个方面进行详细的说明。LD半导体激光器P-I曲线示意图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，是光纤通信中最重要的一种光源，激光二极管可以看作为一种光学振荡器，要形成光的振荡，就必须要有光放大机制，也即启动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。半导体激光器的输出光功率与驱动电流的关系如上图所示，该特性有一个转折点，相应的驱动电流称为门限电流（或称阈值电流），用Ith表示。在门限电流以下，激光器工作于自发辐射，输出（荧光）光功率很

16、小，通常小于100pW；在门限电流以上，激光器工作于受激辐射，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类似于正向二极管的特性。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。P-I特性是选择半导体激光器的重要依据。在选择时，应选阈值电流Ith尽可能小，没有扭折点， P-I曲线的斜率适当的半导体激光器：Ith小，对应P值就小，这样的激光器工作电流小，工作稳定性高，消光比大；没有扭折点，不易产生光信号失真；斜率太小，则要求驱动信号太大，给驱动电路带来麻烦；斜率太大，则会出现光反射噪声及使自动光功率控制环路调整困难。四、实验步骤1、关闭系统电源，按如下说明进行连

17、线：（1）用连接线将2号模块TH7（DoutD）连至25号光收发模块的TH2（数字输入），并把2号模块的拨码开关S4设置为“ON”，使输入信号为全1电平。（2）用光纤跳线连接25号光收发模块的光发输出端和光收接入端，并将光收发模块的功能选择开关S1打到“光功率计”。（3）用同轴电缆线将25号光收发模块P4（光探测器输出）连至23号模块P1（光探测器输入）。2、将25号光收发模块开关J1拨为“10”，即无APC控制状态。开关S3拨为“数字”，即数字光发送。3、将25号光收发模块的电位器W4和W2顺时针旋至底，即设置光发射机的输出光功率为最大状态； 4、开电，设置主控模块菜单，选择主菜单【光纤通信

18、】【光源的P-I特性测试】功能。5、用万用表测量R7两端的电压（测量方法：先将万用表打到直流电压档，然后将红表笔接TP3，黑表笔接TP2）。读出万用表读数U，代入公式I=U/R7，其中R7=33, 读出光功率计读数P。调节功率输出W4，将测得的参数填入下表：P(uW)u(V)I(A)五、实验报告1、根据实验数据，绘制光源P-I特性曲线。光发射机消光比测试一、实验目的1、了解数字光发射机的消光比的指标要求。2、掌握数字光发射机的消光比的测试方法。二、实验器材1、 主控&信号源模块、2号、25号模块 各一块2、 23号模块（光功率计） 一块3、 FC/PC型光纤跳线、连接线 若干三、实验原理消光比

19、定义为：。式中P00是光发射机输入全“0”时输出的平均光功率即无输入信号时的输出光功率。P11是光发射机输入全“1”时输出的平均光功率。从激光器的注入电流（I）和输出功率（P）的关系，即P-I特性可以清楚地看出消光比的物理概念，如下图所示。PEXTADPPIN消光比对灵敏度的影响由图可知，当输入信号为“0”时，光源的输出光功率为P00，它将由直流偏置电流Ib来确定。无信号时光源输出的光功率对接收机来说是一种噪声，将降低光接收机的灵敏度。所以从接收机角度考虑，希望消光比越小越好。但是，应该指出，当Ib减小时，光源的输出功率将降低，光源的谱线宽度增加，同时，还会对光源的其它特性产生不良影响，因此，

20、必须全面考虑Ib的影响，一般取Ib = (0.70.9)Ith（Ith为激光器的阈值电流）。在此范围内，能比较好地处理消光比与其它指标之间的矛盾。考虑各种因素的影响，一般要求发送机的消光比不超过0.1。在光源为LED的条件下，一般不考虑消光比，因为它不加直流偏置电流Ib ，电信号直接加到LED上，无输入信号时的输出功率为零。因此，只有以LD作光源的光发射机才要求测试消光比。四、实验步骤1、关闭系统电源，按如下说明进行连线：（1）用连接线将2号模块TH7（DoutD）连至25号光收发模块的TH2（数字输入）。（2）用光纤跳线连接25号光收发模块的光发输出端和光收接入端，并将光收发模块的功能选择开

21、关S1打到“光功率计”。（3）用同轴电缆线将25号光收发模块P4（光探测器输出）连至23号模块P1（光探测器输入）。2、将25号光收发模块开关J1拨为“10”，即无APC控制状态。开关S3拨为“数字”，即数字光发送。3、将25号光收发模块的电位器W4和W2顺时针旋至底，即设置光发射机的输出光功率为最大状态；4、开电，设置主控模块菜单，选择【光功率计】功能。5、将2号模块的拨码开关S4设置为“ON”，使输入信号为全1电平。测得此时光发端机输出的光功率为P11。6、将2号模块的拨码开关S4设置为“OFF”，使输入信号为全0电平。测得此时光发端机输出的光功率为P00。7、代入公式，即得光发射机消光比

22、。8、调节W4，改变各参数，并将所测数据填入下表。P00(uW)P11(uW)EXT 模拟信号光纤传输系统一、实验目的1、了解模拟信号（正弦波、三角波、方波等）光纤传输系统。二、实验器材1、 主控&信号源模块、25号模块 各一块2、 双踪示波器 一台3、 FC型光纤跳线、连接线 若干三、实验原理1、实验原理框图模拟信号光纤传输系统2、实验框图说明主控信号源模块可输出正弦波、三角波、方波等模拟信号，信号送入光发射机的模拟输入端，经过光调制电路转换成光信号，完成电光转换；光信号经光纤跳线传输后，由接收机接收，并完成光电转换，输出原始信号。注：由于实验设备配置模块情况不同，光收发模块的波长类型有所不

23、同，比如1310nm、1550nm等，需根据实际情况确定。四、实验步骤1、关闭系统电源，用光纤跳线连接25号光收发模块的光发输出端和光收接入端，并将光收发模块的功能选择开关S1打到“光接收机”。2、将信号源&主控模块的模拟输出A-out连接到25号光收发模块的模拟信号输入端TH1。3、把25号光收发模块的S3设置为“模拟”。4、将25号光收发模块的W5（接收灵敏度的调节旋钮，逆时针旋转时输出信号减小）顺时针旋到最大，适当调节W6（调节电平判决电路的门限电压）。5、打开系统电源开关及各模块电源开关。在主控模块中设置实验参数主菜单【光纤通信】【模拟信号光纤传输系统】6、用示波器观测模拟信号源模块的

24、A-out，调节信号源模块的“输出幅度”旋钮，使信号的峰-峰值为2V。7、用示波器观测模拟信号源的A-out和25号光收发模块的TH4，适当调节W6，使得观测到的两处波形相同。此时，25号光收发模块无失真的传输模拟信号。五、实验报告1、分析实验电路的工作原理，简述其工作过程。2、观测并分析实验过程中的实验现象。PN序列光纤传输系统一、实验目的1、了解PN序列光纤传输系统的原理。二、实验器材1、 主控&信号源模块、25号模块 各一块2、 双踪示波器 一台3、 FC型光纤跳线、连接线 若干三、实验原理1、实验原理框图PN序列光纤传输系统实验框图2、实验框图说明本实验是了解和验证数字序列光纤传输系统

25、的原理。由主控信号源模块提供输入信号PN序列，PN序列经过光发射机完成电光转换，送入到光纤媒介中传输，最后通过光接收机完成光电转换以及门限判决，恢复出原始码元信号。注：由于实验设备配置模块情况不同，光收发模块的波长类型有所不同，比如1310nm、1550nm等，需根据实际情况确定。四、实验步骤1、关闭系统电源，用光纤跳线连接25号光收发模块的光发和光收，并将25号光收发模块的功能选择开关S1打到“光接收机”。2、将信号源&主控模块的数字信号PN15连接到25号光收发模块的数字信号输入端TH2。3、把25号光收发模块的光发模式选择S3设置为“数字”。4、将25号光收发模块中的光发模块的J1第一位

26、拨“ON”（数字光调制的通状态），第二位拨“OFF”（自动光功率控制补偿电流的断状态），将W5（接收灵敏度的调节旋钮，逆时针旋转时输出信号减小）顺时针旋到最大。5、将输出光功率旋钮W4顺时针旋转到最大。6、打开系统电源开关及各模块电源开关。在主控模块中设置实验参数主菜单【光纤通信】【PN序列光纤传输系统】。用示波器观测25号光收发模块的数字输入TH2和数字输出端TH3，比较二者码元情况，适当调节25号光收发模块W6（调节电平判决电路的门限电压），使两路波形相同。五、实验报告1、分析实验电路的工作原理，简述其工作过程。2、观测并分析实验过程中的实验现象。CMI码编译码及其光纤传输系统一、实验目的

27、1、了解和掌握CMI编译码原理和用途。2、了解CMI编译码光纤传输系统的相关原理。二、实验器材1、 主控&信号源模块、8、25号模块 各一块2、 双踪示波器 一台3、 FC型光纤跳线、连接线 若干三、实验原理1、实验原理框图实验原理框图2、实验原理说明和数字电缆通信一样，通常在数字光纤通信的传输通道中，一般不直接传输终端机输出的数字信号，而是经过码型变换电路，使之变换成为更适合传输通道的线路码型。在数字电缆通信中, 电缆中传输的线路码型通常为三电平的“三阶高密度双极性码”，即HDB3码，它是一种传号以正负极性交替发送的码型。在数字光纤通信中由于光源不可能发射负的光脉冲，因而不能采用HDB3码，只能采用“0”“1”二电平码。但简单的二电平码的直流基线会随着信息流中“0”“1”的不同的组合情况而随机起伏，而直流基线的起伏对接收端判决不利，因此需要进行线路编码以适应光纤线路传输的要求。线路编码还有另外两个作用：一是消除随机数字码流中的长连“0”和长连“1”码，以便于接收端时钟的提取。二是按一定规则进行编码后，也便于在运行中进行误码监测，以及在中继器上进行误码遥测。本实验CMI编码中，码字“0”由“01”表示，码字“1”由“00”、“11”交替表示。其变换规则如表所示：输入码字CMI码模式1模式20010110011CMI码型变换规则CMI（Coded Mar