级光纤通信实验讲义

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1、光纤通信原理与应用实验讲义南阳师范学院物理与电子工程学院编订人：海涛目 录实验一 双光纤通信传输认识1实验二 激光器PN特性曲线测量8实验三 自动功率控制(APC)原理12实验四 光接收机电路原理20实验五 数字信号电光、光电传输24实验六 模拟信号电光、光电传输26实验七 光纤通信线路码29实验八 波分复分(WDM)光纤通信35实验九 电话语音光传输42实验十 二八台计算机单/双光纤全双工通信传输46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。

2、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

3、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

4、 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

5、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。PC

6、M 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

7、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 CPL

8、D)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

9、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

10、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

11、) 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 1550

12、nm 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

13、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

14、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L