实验三 光波测试实验

1、光波测试实验一 实验背景光的本质是电磁波，它被广泛应用于数码、通信、保健等各个领域。其中，光在通信领域发挥了巨大作用，光通信得到了快速发展。光纤通信技术从光通信中脱颖而出，已成为现代通信的主要支柱之一，在现代电信网中起着举足轻重的作用。光纤通信是利用光波作载波，以光纤作为传输媒质将信息从一处传至另一处的通信方式，被称之为“有线”光通信。光纤是光在传输过程中必不可少的通道。当今，光纤以其传输频带宽、抗干扰性高和信号衰减小，而远优于电缆、微波通信的传输，已成为世界通信中主要传输方式。二 实验仪器1、 光纤实验系统结构简介光纤实验系统可分为电端机模块、光通信模块、管理控制模块、电源供给模块等四大功能

2、模块，每个功能模块又是由许多子模块组成。其结构框图如下所示：电话用户APCM编译码记发器DTMF检测电话用户BPCM编译码数据发送单元数字信号发生器线路编码器数据复接数据接收单元时钟提取、再生线路译码器数据解复接USB接口RS232串口 中央处理器功能扩展口模拟信号源LD光端机工作波长1550nmLD激光/探测器工作波长1310nm 键盘液晶显示电源模块图1 系统结构框图2、 配套仪器双踪示波器、单模尾纤、多种接口标准的光跳线、波分复用器等。3、 使用注意点1）进行铆孔连接时，务必注意铆孔标注的箭头方向：指向铆孔，说明此铆孔为信号输入孔；背离铆孔，说明此铆孔为信号输出孔。2）进行铆孔连接时，连

3、接线接头插入铆孔后，轻轻旋转一个小角度，接头将和铆孔锁死；拔出时，回转一个小角度即可轻松拔出，切勿使用莽力，以免插头针断在铆孔中。3）光器件连接：在摘掉光接口保护套前，请确保实验台板面清洁，注意收集好接口保护套；光接头连接时，请预先了解接头的结构，手持接头金属部分，按接口的轴线方向轻插轻拔，防止损坏纤芯；4）若不作特殊说明，本实验平台输出的串行数字序列，低位在前，高位在后。在示波器上观测到的波形即低位在窗口的左端，高位在窗口的右端。三 实验内容与结果实验1：电光、光电转换传输实验1、实验目的1）了解本实验系统的基本组成结构；2）初步了解完整光通信的基本组成结构；3）掌握光通信的通信原理。2、

4、实验仪器光纤通信实验箱，20M双踪示波器，FC-FC单模尾纤1根，信号连接线2根。3、 实验原理本实验系统主要由两大部分组成：电端机部分、光信道部分。电端机又分为电信号发射和电信号接收两子部分，光信道又可分为光发射端机、光纤、光接收端机三个子部分。实验系统基本组成结构如下图所示：光 电电 光电发射电接收光发射光接收P203P204 光纤 1550nmLD+单模图2 实验系统基本组成结构电发射部分可以是M序列，可以是各种线路编码（CMI、5B6B、5B1P等），也可以是语音编码信号或者视频信号等；光信道可以是1550nmLD+单模光纤组成，可以是1310nm激光/探测器组成，也可以是850nmL

5、ED+多模光纤（选配）组成。本实验系统中提供的1550nmLD光端机是一体化结构，其结构示意图如下： P204P203 TX光接收输入光发射输出光纤图 3 一体化数字光端机结构示意图光端机包括光发射端机TX（集成了调制电路、自动功率控制电路、激光管、自动温度控制等），光接收端机RX（集成了光检测器、放大器、均衡和再生电路）。其数字电信号的输入输出口，都由铜铆孔开放出来，可自行连接。4、 实验步骤1）关闭系统电源，将光跳线分别连接TX1550、RX1550两法兰接口（选择工作波长为1550nm的光信道），注意收集好器件的防尘帽。2）打开系统电源，液晶菜单选择“码型变换实验CMI码PN”。确认，即

6、在P101铆孔输出32KHZ的15位m序列。3）示波器测试P101铆孔波形，确认有相应的波形输出。4）用信号连接线连接P101、P203两铆孔，示波器A通道测试TX1550测试点，确认有相应的波形输出，调节W205即改变送入光发端机信号（TX1550）幅度，最大不超过5V。即将m序列电信号送入1550nm光发端机，并转换成光信号从TX1550法兰接口输出。5）示波器B通道测试光收端机输出电信号的P204试点，看是否有与TX1550测试点一样或类似的信号波形。6）按“返回”键，选择“码型变换实验CMI码设置”并确认。改变SW101拨码器设置（往上为1，往下为0），以同样的方法测试，验证P204和

7、TX1550测试点波形是否跟着变化。7）轻轻拧下TX1550或RX1550法兰接口的光跳线，观测P204测试点的示波器B通道是否还有信号波形？重新接好，此时是否出现信号波形。8）以上实验都是在同一台实验箱上自环测试，如果要求两实验箱间进行双工通信，如何设计连接关系，设计出实验方案，并进行实验。9）关闭系统电源，拆除各光器件并套好防尘帽。5、 实验结果及分析1）P101铆孔输出的波形如下图所示：2） P204和TX1550测试点输出的波形如下图所示：明显可以看出，P204和TX1550测试点输出的波形完全相同，并且与P101铆孔输出的波形是一样的。调节W205即改变送入光发端机信号（TX1550

8、）幅度，发现TX1550测试点输出的波形幅度发生了变化，但P204测试点输出的波形幅度始终保持不变。这是因为实验装置的发射段会自动调节增益，使得输出的信号幅度保持不变。3） 改变SW101拨码器设置，P204和TX1550测试点输出的波形如下图所示：P204和TX1550测试点波形会跟着SW101拨码器设的改变而变化。如上图所示，当拨码器设置为01100001时，观察示波器上一个周期的波形，从右往左看也是01100001。之所以示波器要从右往左看，是因为实验平台输出的串行数字序列低位在前、高位在后，在示波器上观测到的波形即低位在窗口的左端，高位在窗口的右端。4）轻轻拧下TX1550或RX155

9、0法兰接口的光跳线，P204和TX1550测试点输出的波形如下图所示：TX1550测试点输出的波形正常，而P204测试点没有信号波形输出。这是因为光发射端的信号仍然存在，所以TX1550测试点输出的波形正常；但光传输的通道光纤被切断了，所以光接收端接收不到信号，导致P204测试点没有信号波形输出。实验2：波分复用器的性能指标测量1、 实验目的1） 了解光波分复用器的指标要求；2） 掌握光波分复用器的测试方法；3） 了解光波分复用器的用途。2、 实验仪器光纤通信实验箱，20M双踪示波器，光功率计（FC-FC单模尾纤），光波分复用器（中心波长1310/1550）1对，活动连接器1个，信号连接线2根

10、。3、 实验原理1）光波分复用器光波分复用器又称为光合波/分波器。光波分复用器是为适应光波波分复用技术的需要研制出来的，使用光波分复用器的主要目的是提高光纤传输线路的传输容量。波分复用是指一条光纤中同时传输具有不同波长的几个光载波，而每个光载波又各自载荷一群数字信号，因此波分复用又称多群复用。波分复用通信的原理图如下所示：合波器/分波器分波器/合波器CH1CH2CHn-1CHnCH1CH2CHnCH1+CH2+CHn图4 波分复用通信原理图具有不同波长、各自载有信息信号的若干个载波经由通道CH1、CH2、CHn等进入合波器，被耦合到同一条光纤中去，再经过此条光纤长距离传输，到终端进入分波器，由

11、其按波长将各载波分离，分别进入各自通道CH1、CH2、CHn，并分别解调，从而使各自载荷的信息重现。同样过程可沿与上述相反的方向进行，如图中的虚线所示，这样的复用称为双向复用。显然，双向复用的复用量将增大一倍，如一个通道传输的信息量为B，单向复用传输的则为NB，双向复用传输的则为2NB。从上面分析不难看出，复用通信系统中关键的部件是合波、分波器，由于分波器与合波器在原理上是相同的，因此可统称波分复用器。光波分复用器的主要技术性能指标有工作波长、插入损耗、波长隔离度、温度范围、热稳定性、偏振稳定性、回波损耗和最大功率等。 本实验系统提供了1310nm、1550nm两个工作波长光源，所以配置波分复

12、用器也必须是这两个工作波长。如下所示为波分复用器的常用连接示意图：1310nm1550nm合波器分波器TX1310TX1550abcde Pg图5 波分复用器常用连接示意图a点1310nm光波与b点1550nm光波经合波器复用到达c点，即1310nm+1550nm光波；c点复用光波经分波器后，又分为d点1310nm光波和e点1550nm光波。理想情况下，d点应是与a点完全一样的1310nm光波，e点应是与b点完全一样的1550nm光波。由于插入损耗等性能指标并不十分理想，d点和e点输出的光波的功率与输入的a点，b点的参数会有差异。下面将对插入损耗和隔离度等指标进行测量。 2）插入损耗和波长隔离

13、度的测量 如图5所示，c点的1310nm光功率与a点的1310nm光功率的差值为光波分复用器对1310nm光传输的插入损耗，c点的1550nm光功率与b点的1550nm光功率的差值为光波分复用器对1550nm光传输的插入损耗。但由于便携式光功率计不能滤除1310nm光只测1550nm的光功率，同时也不能滤除1550nm光只测1310nm的光功率。所以我们改用下面方法进行插入损耗测量，也可以同时对其隔离度指标进行测量。如图所示：1310nm1550nmTX1310TX1550ab Pg波分复用器dec图6 波分复用器测量连接示意图（1） 测量1310nm的插入损耗和波长隔离度首先测出1310nm

14、光源的输出光功率，记为Pa；紧接着将波分复用器的c点接1310nm光源a点，用光功率计测出波分复用器的输出d、e两点功率，分别记为Pd 、Pe。代入下面公式得出对应的插入损耗和隔离度。插入损耗： （dB）隔离度： （dB）（2） 测量1550nm的插入损耗和波长隔离度首先测出1550nm光源的输出光功率，记为Pb；紧接着将波分复用器的c点接1550nm光源b点，用光功率计测出波分复用器的输出e、d两点功率，分别记为Pe、Pd。代入下面公式得出对应的插入损耗和隔离度。插入损耗： （dB）隔离度： （dB）4、 实验步骤由于实验当天没有光功率计，无法测量输入、输出光功率，因此我们考虑用示波器测量输

15、入、输出信号的幅值来替代。根据幅值与功率的比例关系，同样可以计算出插入损耗和隔离度。然而，正如我们在实验一中发现的，实验装置的发射段会自动调节增益，使得输出的信号幅度在一定范围内保持不变，所以用幅值之比计算插入损耗和隔离度的想法是不可行的。我们只能观察到波分复用器有隔离现象。我们可以用来两种方法显示波分复用器的隔离性。1） 方法一显示1310nm的波长隔离性（1）关闭系统电源，按照下图将1310nm光发射端机的TX1310法兰接口、FC-FC单模尾纤、光波分复用器、RX1310法兰接口、RX1550法兰接口连接好，注意收集好器件的防尘帽。bca波分复用器TX13101310nmRX1310RX

16、1550（2） 打开系统电源，液晶菜单选择“光纤测量实验平均光发功率”，确认。即在P103铆孔输出1KHZ的31位m序列。（3） 示波器测试P103铆孔波形，确认有相应的波形输出。（4） 用信号连接线连接P103、P201两铆孔，示波器A通道测试TX1310测试点，确认有相应的波形输出。即将1KHZ的31位m序列电信号送入1310nm光发端机，并转换成光信号从TX1310法兰接口输出。（5） 用示波器B通道测试RX1310测试点，观察是否有波形输出。（6） 再用示波器B通道测试RX1550测试点，观察是否有波形输出。（7） 关闭系统电源，拆除各光器件并套好防尘帽。2） 方法一显示1550nm的

17、波长隔离性（1）关闭系统电源，按照下图将1550nm光发射端机的TX1550法兰接口、FC-FC单模尾纤、光波分复用器、RX1310法兰接口、RX1550法兰接口连接好，注意收集好器件的防尘帽。bca波分复用器TX15501550nmRX1310RX1550（2） 打开系统电源，液晶菜单选择“光纤测量实验平均光发功率”，确认。即在P103铆孔输出1KHZ的31位m序列。（3） 示波器测试P103铆孔波形，确认有相应的波形输出。（4） 用信号连接线连接P103、P203两铆孔，示波器A通道测试TX1220测试点，确认有相应的波形输出。即将1KHZ的31位m序列电信号送入1550nm光发端机，并转

18、换成光信号从TX1550法兰接口输出。（5） 用示波器B通道测试RX1310测试点，观察是否有波形输出。（6） 再用示波器B通道测试RX1550测试点，观察是否有波形输出。（7） 关闭系统电源，拆除各光器件并套好防尘帽。3） 方法二显示1310nm的波长隔离性（1）关闭系统电源，按照下图将1310nm光发射端机接到光波分复用器的TX1550法兰接口、再将光波分复用器接到1310nm光接收端，注意收集好器件的防尘帽。RX1310TX1550TX13101310nm波分复用器abc（2） 打开系统电源，液晶菜单选择“光纤测量实验平均光发功率”，确认。（3） 用信号连接线连接P103、P201两铆孔

19、，示波器A通道测试TX1310测试点，确认有相应的波形输出。（4） 用示波器B通道测试RX1310测试点，观察是否有波形输出。（5） 关闭系统电源，拆除各光器件并套好防尘帽。4）方法二显示1550nm的波长隔离性（1）关闭系统电源，按照下图将1550nm光发射端机接到光波分复用器的TX1310法兰接口、再将光波分复用器接到1310nm光接收端，注意收集好器件的防尘帽。RX1550TX1310TX15501550nm波分复用器abc（2） 打开系统电源，液晶菜单选择“光纤测量实验平均光发功率”，确认。（3） 用信号连接线连接P103、P203两铆孔，示波器A通道测试TX1550测试点，确认有相应

20、的波形输出。（4） 用示波器B通道测试RX1550测试点，观察是否有波形输出。（5） 关闭系统电源，拆除各光器件并套好防尘帽。5、 实验结果及分析1） 方法一显示1310nm的波长隔离性：用示波器B通道分别测试RX1310、RX1550测试点，结果如下图所示： 图(a) RX1310 图(b) RX1550明显可以看出，当波分复用器的TX1310端输入1310nm的光波时，RX1310端的输出波形与输入波形一样，而RX1550端没有输出波形。由此可以说明1310nm的波长隔离性。2） 方法一显示1550nm的波长隔离性：用示波器B通道分别测试RX1310、RX1550测试点，结果如下图所示：

21、图(a) RX1550 图(b) RX1310 明显可以看出，当波分复用器的TX1550端输入1550nm的光波时，RX1550端的输出波形与输入波形一样，而RX1310端没有输出波形。由此可以说明1550nm的波长隔离性。3） 方法二显示1310nm的波长隔离性：用示波器B通道测试RX1310测试点，结果如下图所示：明显可以看出，当波分复用器的TX1550端输入1310nm的光波时，RX1310端没有输出波形。由此可以说明1310nm的波长隔离性。4） 方法二显示1550nm的波长隔离性：用示波器B通道测试RX1550测试点，结果如下图所示：明显可以看出，当波分复用器的TX1310端输入15

22、50nm的光波时，RX1550端没有输出波形。由此可以说明1550nm的波长隔离性。实验3：光纤信道眼图观察1、 实验目的1）了解眼图产生原理。2）用示波器观测扰码的光纤信道眼图。2、 实验仪器光纤通信实验箱，20M双踪示波器，FC-FC单模光跳线，信号连接线3根。3、 实验原理1）实验的组成结构本实验系统主要由两大部分组成：电端机部分、光信道部分。电端机又分为电信号发射和电信号接收两子部分，光信道又可分为光发射端机、光纤、光接收端机三个子部分。在本实验中，涉及的电发射部分有两个功能模块： 8位的自编数据功能和扰码功能。涉及的电接收部分就是收端均衡滤波器电路、时钟提取、再生、相应的解扰功能。眼

23、图观测的实验结构如下图所示：光 电电 光 光纤 1310nmLD+单模数字序列光发射光接收TX1310P112均衡滤波器图7 CMI码光纤通信基本组成结构在整个通信系统中，通常利用眼图方法估计和改善传输系统性能。我们知道，在实际的通信系统中，数字信号经过非理想的传输系统必定要产生畸变，也会引入噪声和干扰，也就是说，总是在不同程度上存在码间串扰。在码间串扰和噪声同时存在情况下，系统性能很难进行定量的分析，常常甚至得不到近似结果。为了便于评价实际系统的性能，常用观察眼图进行分析。 2）眼图眼图可以直观地估价系统的码间干扰和噪声的影响，是一种常用的测试手段。所谓“眼图”，就是由解调后经过接收滤波器输

24、出的基带信号，以码元同步时钟作为同步信号在示波器屏幕上显示的波形。干扰和失真所产生的传输畸变，可以在眼图上清楚地显示出来。图8 无失真及有失真时的波形及眼图(a) 无码间串扰时波形；无码间串扰眼图(b) 有码间串扰时波形；有码间串扰眼图图8中画出两个无噪声的波形和相应的“眼图”，一个无失真，另一个有失真(码间串扰)。由图8可以看出，眼图是由虚线分段的接收码元波形叠加组成的。眼图中央的垂直线表示取样时刻。当波形没有失真时，眼图是一只“完全张开”的眼睛。在取样时刻，所有可能的取样值仅有两个：+1或-1。当波形有失真时，在取样时刻信号取值分布在小于+1或大于-1附近，“眼睛”部分闭合。这样，保证正确

25、判决所容许的噪声电平就减小了。换言之，在随机噪声的功率给定时，将使误码率增加。“眼睛”张开的大小就表明失真的严重程度。3）眼图的性质为便于说明眼图和系统性能的关系，我们将它简化成图9的形状：图9 眼图的重要性质由此图可以看出：(1)最佳取样时刻应选择在眼睛张开最大的时刻；(2)眼睛闭合的速率，即眼图斜边的斜率，表示系统对定时误差灵敏的程度，斜边愈陡，对定位误差愈敏感；(3)在取样时刻上，阴影区的垂直宽度表示最大信号失真量；(4)在取样时刻上，上下两阴影区的间隔垂直距离之半是最小噪声容限，噪声瞬时值超过它就有可能发生错误判决；(5)阴影区与横轴相交的区间表示零点位置变动范围，它对于从信号平均零点

26、位置提取定时信息的解调器有重要影响。实验室理想状态下的眼图如图10所示：图10 实验室理想状态下的眼图4)眼图的参数衡量眼图质量的几个重要参数有：（1）眼图开启度(U-2U)/U指在最佳抽样点处眼图幅度“张开”的程度。无畸变眼图的开启度应为100%。 其中U=U+U- （2）“眼皮”厚度2U/U 指在最佳抽样点处眼图幅度的闭合部分与最大幅度之比，无畸变眼图的“眼皮”厚度应等于0。（3）交叉点发散度T/T 指眼图过零点交叉线的发散程度，无畸变眼图的交叉点发散度应为0。（4）正负极性不对称度 指在最佳抽样点处眼图正、负幅度的不对称程度。无畸变眼图的极性不对称度应为0。最后，还需要指出的是：由于噪声

27、瞬时电平的影响无法在眼图中得到完整的反映，因此，即使在示波器上显示的眼图是张开的，也不能完全保证判决全部正确。不过，原则上总是眼睛张开得越大，误判越小。4、 实验步骤1）关闭系统电源，按照图7将1310nm光发射端机的TX1310法兰接口、FC-FC单模尾纤、1310nm光接收端机的RX1310法兰接口连接好。注意收集好器件的防尘帽。2）打开系统电源，在液晶菜单选择“码型变换实验-扰码PN”的子菜单，确认； P101测试点观测菜单选择的基带数据序列。3）用信号连接线连接P103、P201两铆孔，示波器A通道测试TX1310测试点，确认有相应的波形输出，调节W201即改变送入光发端机信号（TX1310）幅度最大（不超过5V），记录信号电平值。连接P202、P111两铆孔，即将光电转换信号送入数据接收单元。信号转换过程如图6.5.14）对照加扰规则，观测P103测试点的加扰后序列信号，是否符合其规则。看波形码型是可用其时钟进行同步。P102为数据对应的时钟，P106为扰码数据。5）示波器B通道测试P202测试点，看是否有与TX1310测试点一样或类似的信号波形。测试P115译码输出测试点，看是否跟发端设置的基带数据P101测试点一样或类似的信号波形。6）连接P202、P112，即1310nm光接收端机光