光通信实验(郑2)

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1、1实验一 LED 光源 I-P 特性研究一、实验目的：1 了解 LED 光源的发光机理。2 学习 LED 光源的光学特性和电学特性。二、实验内容与步骤：LED 即发光二极管是靠 PN 结附近的电子和空穴对的复合而进行自发辐射发光。当给发光二极管的 PN 结加正向电压时,外加电场将削弱内建电场,使空间电荷区变窄,载流子的扩散运动加强,由于电子迁移率总是远大于空穴的迁移率,因此，电子由 N 区扩散到 P 区是载流子扩散运动的主体。由半导体的能带理论可知，当导带中的电子与价带中的空穴复合时，电子由高能级跃迁到低能级，电子将多余的能量与发射光子的形式释放出来，产生电致发光现象。这就是 LED 的发光机

2、理。本实验仪采用的 LED 光源，其中心波长为 850nm。为获得 LED 的驱动电流 I 与输出光功率 P 之间的特性曲线，可按如下步骤进行测试：1、 取仪器配套的光纤一根，将其中一端与 LED 光源的插座相连，另一端与 PIN 探测器的插座相连。2、 接通电源，选择模拟通信方式。光发射机显示窗上示值为相对偏置电流值，单位为 mA，光接收机显示窗上示值为光功率当量。注：偏置电流值与光功率当量均为相对值，与真实数值成线性关系，但并非真实数值，且仪器不同可能示值稍有差别。且由于光探测器有一直流偏置，即使没有光输入时光功率当量窗口仍然有显示（164 左右） ，数据处理时可将此数值减去。3、 调节光

3、发射机的“输入”至“MIC”档位，调节“调制”至“DIM”档位。4、 调节光接收机的“模拟”至“DIM”档位（仅在此档位光功率计示值有效） 。5、 调节光发射机上的偏置电流调节按键（上三角键和下三角键） ，从 0 开始逐渐加大驱动电流，观察接收机上光功率变化，至变化不明显为止。6、 选择实验起点，每次变化 1mA，对应记下响应光功率当量。7、 将所得到的数据电流作为横坐标，光功率当量作为纵坐标，既得到类似下图所示的 LED 驱动电流I 与光功率输出 P 的关系曲线。三、思考题：21 分析实验数据，叙述 LED 光源的 I-P 特性曲线的特点。2 若用此器件传输信号，应如何选择合适的静态工作点，

4、信号的幅度应控制在怎样的范围内？实验二 LD 光源 I-P 特性研究一、实验目的：1 了解 LD 光源的光源的发光机理。2 学习 LD 光源的光学特性和电学特性。二、实验内容及步骤：半导体激光器 LD 发光有三个条件：受激辐射、粒子束反转、谐振腔。受激辐射是在外来光影响下产生的，处于高能级上的原子在外来一个频率为 的光子激励下，由高能级向低能级跃迁。受hE121激辐射产生的光子与外来光子具有完全相同的特征，即它们的频率、相位、振动方向和传播方向均相同，因而，受激辐射发出的光是相干光。在外来一个光子作用下，最终可得到许多全同光子，这种现象称为光放大。受激吸收是受激辐射的逆过程，要使激光物质能对光

5、进行放大，必须使物质中受激辐射大于受激吸收，此时物质中原子数出现反转分布，即高能级上的粒子数多于低能级上的粒子数，这种现象称为粒子数反转。光通过粒子数反转分布的激活物质，发生受激放大作用。但此时还没有形成一定的振荡方式，为此必须由一个光学谐振腔，才能实现真正的激光作用。谐振腔的作用，一方面是使一些满足谐振条件的光，在往返多次振荡中得到放大；同时也使那些不能满足谐振条件的光在往返中逐渐消失，从而得到一定振荡模式的激光输出。因此，半导体激光器是利用在有源区中受激而发光的光器件。只有在工作电流超过阈值电流的情况下，才会输出激光，因而是有阈值的器件。本实验仪采用的 LD 光源，其中心波长为 650nm

6、。为获得 LED 的驱动电流 I 与输出光功率 P 之间的特性曲线，可按如下步骤进行测试：1、 取仪器配套的带调节架的光源和探测器一套，分别与光发射机、光接收机相连。2、 接通电源，选择模拟通信方式。光发射机显示窗上示值为相对偏置电流值，单位为 mA，光接收机显示窗上示值为光功率当量。3、 调节光发射机的“输入”至“MIC 档位，调节“调制”至“DIM”档位。4、 调节光接收机的“模拟”至“DIM”档位（仅在此档位光功率计示值有效） 。5、 调节光发射机上的偏置电流调节按键（上三角键和下三角键） ，从 0 开始逐渐加大驱动电流，观察接收机上光功率变化，至变化不明显为止。6、 选择合适亮度，调节

7、金属调节架上的调节旋钮，使激光束对准探测器。7、 选择实验起点，每次变化 1mA，对应记下响应光功率当量。8、 将所得到的数据电流作为横坐标，光功率当量作为纵坐标，既得到类似下图所示的 LED 驱动电流3I 与光功率输出 P 的关系曲线。三、思考题：1 分析实验数据，叙述 LD 光源的 I-P 特性曲线的特点。2 若用此器件传输信号，应如何选择合适的静态工作点，信号的幅度应控制在怎样的范围内？3与 LED 光源 I-P 特性曲线相比，LD 光源有哪些优点和缺点。实验三 语音信号的传输一、 实验目的：1 了解语音信号通信的有关知识；2 学习语音信号的光纤及激光的传输方式。二、实验步骤：按如下步骤

8、进行测试：1、 仪器配套的光纤一根，将其中一端与 LED 光源的插座相连，另一端与 PIN 探测器的插座相连；或取仪器配套带调节架的 LD 光源和探测器。2、 将仪器配套的麦克连接至音频输入端子（也可自加音频输入设备） 。3、 接通电源，选择模拟通信方式。4、 通过仪器后面版上的切换开关，选择通信方式（空间激光通信或光纤通信） 。5、 调节光发射机的“输入”至“MIC” ，调节“调制”至“DIM”档位。6、 调节光接收机的“模拟”至“MIC”档位。7、 用示波器观察光发射机 TP1，确定音频信号幅度。8、 根据实验一、实验二的结果，调节光发射机上的偏置电流调节按键，选择合适的静态工作点。9、

9、用示波器观察光发射机 TP6、TP8，观察经驱动电路调制后音频信号波形。10、用示波器观察光接收机 TP1、TP2 ，观察经传输线路（光纤或空间）传输后音频信号波形。11、调节音量调节旋钮，选择合适音量注：由于探测器端放大倍数极大，所以如果音量过大可能会造成扬声器驱动电路自激，此时扬声器有啸声，调节音量旋钮即可极大程度消除啸声。4实验四 空间激光通信的干扰、窃听一、实验目的：1 了解激光通信的有关知识；2 学习 LD 光源的基本调节方法和步骤。二、实验步骤：本实验属于实验三的增强型实验，只需要简单的分束镜就可实现激光通信的窃听，加深对学生对空间激光通信的理解。可作为基础实验，也可作为表演实验。

10、可按如下步骤操作：1、 在实验三的基础上，选择空间激光通信组件。2、 将分束镜插入通信激光束中，从中即可分出一束激光，而且对原通信质量影响不大。注：分束镜为普通玻璃，每个端面菲涅尔反射为 3%左右。3、 来回转动分束镜或插入一块毛玻璃，则通信质量会受到明显干扰。4、使用另一台光通信实验系统的光接收机（或仍使用原接收机） ，将探测器对准窃出的激光束，调节合适音量，即可实现窃听。 实验五 视频信号的光纤传输实验一、 实验目的：1 学习全电视信号的组成；2 学习视频信号的光纤传输。二、实验内容及步骤：在光通信实验系统中，使用 CCD 摄像头作为视频信号的输入设备。实际上发送端产生并发送的是一5个复合

11、视频图像信号全电视信号，它包括三个部分：全 电 视 信 号 图 象 信 号 携 带 图 象 内 容 消 隐 信 号 同 步 信 号 行 消 隐 信 号 场 消 隐 信 号 行 同 步 信 号 场 同 步 信 号 行消隐信号的作用是消除水平回扫线，场消隐信号的作用是消除竖直方向上的回扫线；行同步信号使显像管和摄像头中的行扫描同步，场同步信号使显像管和摄像头中的场扫描同步。全电视信号的波形如图 a 所示。图中第一排表示一幅画面的全电视信号，第二排是行扫描锯齿波电流波形，第三排是场扫描锯齿波电流波形。同步信号电平为 100%，消隐电平（黑色电平）为 75%，白色电平为 12.5%；黑色电平和白色电平

12、之间为灰色电平，图像信号的电平在此范围内。图 b 是将图 a 的一部分放大来看。图中，是一行时间内的视频图像信号，它携带着一行的图像信息，出现在行扫描的正程时间内；是行消隐信号，其脉冲宽度为 12s，出现在行扫描的逆程时间内；是场扫描信号，其脉冲宽度为 1.6ms，占有 25 行时间，它出现在场扫描的逆程时间内；是行同步信号，脉冲宽度 4.7s；是场同步信号，脉冲宽度为 0.16ms。实验步骤如下：1、取仪器配套的光纤一根，将其中一端与 LED 光源的插座相连，另一端与 PIN 探测器的插座相连。2、取仪器普通的视频线 2 根，分别连接摄像头与光发射机的视频输入端子、显示器与光接收机的视频输出

13、端子。3、接通摄像头、显示器、主机电源，按下发射机与接收机的“VIDEO” 。4、通过仪器后面版上的切换开关，选择光纤通信方式。5、将示波器拨至视频档位（多数示波器有此档位） ，观察光发射机 TP7、 TP8，此时示波器显示为视频信号。 6、 观察光接收机的 TP8 波形，比较与发射机有何不同。7、 录观察到的视频信号的大体形状，并指出各部分名称。三、思考题：1行消隐和场消隐信号的作用是什么，没有会怎样？2行同步和场同步信号的作用是什么，若发射与接收不同步，图像会怎样变化？3若一幅画面的信号数为 400625 个，为了保证活动图像的连续性，每秒应送出 25 幅画面，则视频信号的频率范围是多少。

14、 （答案 6.25 兆）图 b. 全电视信号64全电视信号的高频和低频部分分别传送的是图像的哪些部分。 （答案高频传送细节，低频传送大面积图像）7实验六 模拟信号的脉冲频率调制 (PFM)传输一、实验目的：1 掌握脉冲频率调制的基本原理；2 学习模拟信号的脉冲频率调制及光纤传输。二、实验内容：本节的主要内容是掌握脉冲频率调制的实验原理和实验电路。脉冲频率调制的特点是：脉冲序列的幅度维持不变，而脉冲的频率随外加低频信号的变化而改变。输出脉冲频率与中心频率的变化量与输入信号的幅度成正比，为了实现对外加信号所包含信息的调制，我们必须将中心频率设置至少大于输入信号的最高频率两倍以上，本实验设置为 50

15、kHz 左右。脉冲频率调制的专用电路，利用其输出方波频率受输入电压控制实现脉冲频率调制，使输出方波的信号频率受到输入信号的调制。脉冲频率调制解调方案为，将输入的脉冲频率信号倍频，将信号的频谱搬运到 2 倍频处，通过低通滤波便可实现脉冲频率信号的解调，恢复出原始信号。实验步骤：1、 将信号设置到正弦波输入状态，选择调制方式为 PFM，观察输入波形和调制输出波形；2、正确设置好 LED 的驱动电流，观察 LED 光源两端的调制波形；3、连结好传输光纤，在接收端将解调方式选择为 PFM；4、在此调节输入端的 LED 光源驱动电流大小，观察并纪录解调输入和解调输出波形。实验七 模拟信号的脉冲宽度调制

16、(PWM)传输一、实验目的：1 掌握脉冲宽度调制及解调的基本原理；2 学习模拟信号的脉冲宽度调制及光纤传输。二、实验内容及步骤：脉冲宽度调制（PWM）像调幅和调频一样可用于低频信号的调制传输。PWM 的特点是：载波脉冲信号的频率和幅度维持不变，而脉冲的宽度随外加低频信号的变化而改变。脉冲宽度调制器的作用就是实现上述变化，将输入的模拟信号变成一序列的宽度不等的脉冲信号。脉冲信号的传输相对模拟信号而言有利于减少噪声的干扰和防止信号的畸变，而且脉冲信号容易的恢复和中继。由于噪声和干扰的存在，脉冲信号容易受到破坏而导致失真变形，但即使这样的信号也很容易重新触发产生新的脉冲序列信号，进行下次传输。脉冲宽度调制其包含一个振荡器（产生频率不变的方波载波信号）和脉宽控制器（施密特触发器或单稳态触发器） 。外加的模拟信号控制脉宽控制器改变脉冲的宽度，将模拟信号包含的信息编入到脉冲序列中进行传输。本实验的实验电路由一片双时基集成电路