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1、光纤通信原理编撰闽江学院计算机实验教学中心印制2目 录第一章 光器件认识实验3实验一 光纤结构和分类3实验二 光纤活动连接器8实验三光耦合器件11实验四 光隔离器和光环行器17实验五光衰减器20实验六光开关23实验七激光器与光检测器26第二章光发射机与光接收机实验31实验八 光发射机的组成31实验九 自动光功率控制电路35实验十无光告警和寿命告警电路37实验十一 光发射机指标测试40实验十二 光接收机的组成45实验十三 光接收机主要技术指标测量及眼图观测47第三章模拟信号光纤传输系统实验51实验十四 模拟信号光纤传输系统51（正弦波、三角波、方波）51实验十五 电话语音光纤传输系统53实验十六
2、 图像光纤传输系统57第四章数字信号光纤传输系统实验59实验十七PN序列光纤传输系统59实验十八 CMI编译码原理及CMI码光纤传输系统61实验十九 扰码和解扰码原理及扰码光纤传输系统64实验二十 PCM编译码原理及数字电话光纤传输系统66第五章光纤综合传输系统实验73实验二十一 波分复用光纤传输系统（WDM）73实验二十二 HDB3编译码原理及实现77实验二十三 位时钟提取（数字锁相环DPLL）80原理及实现80实验二十四 固定速率时分复用原理及实现85实验二十五 解固定速率时分复用原理及实现89实验二十六 变速率时分复用原理及实现93实验二十七 解变速率时分复用原理及实现98实验二十八 综
3、合实验一：4路数据两路电话光纤104综合传输系统实验104实验二十九 综合实验二：4路数据3台计算机1路108图像图像/语音全双工光纤综合传输系统实验108实验三十 综合实验三：2台实验箱8台计算机2路110图像/语音全双工光纤综合传输系统110第六章二次开发实验112实验三十一 pn序列程序设计112实验三十二CMI编译码程序设计114实验三十三5B6B码程序设计116实验三十四4B1P和4B1C程序设计121实验三十五HDB3编译码程序设计125实验三十六扰码、解扰码程序设计128实验三十七数字锁相环（DPLL）程序设计130实验三十八固定速率时分复用程序设计132实验三十九 解变速率时分
4、复用程序设计135第一章 光器件认识实验实验一 光纤结构和分类一、实验目的1.了解光纤的分类与各种光纤的特点。2.了解光纤的各种性能参数。二、实验内容1.介绍光纤的构成与分类。2.成品光纤的主要参数的介绍。3.测量光纤的插入损耗。三、实验仪器1.光纤实验系统1台。2.FC/PC型光纤跳线2根。3.光固定衰减器1个。4.光功率计1台四、实验原理光纤是光导纤维的简称，它是一种由玻璃或透明聚合物构成的绝缘波导。光被耦合进光纤后只能在其波导内部传播。一般的光纤都是由纤芯、包层和外套涂层三部分组成。其外套涂层作为光纤的保护层，用于加强光纤的机械强度。其光纤结构如图1-1所示：外套包层区纤芯区图1-1 光
5、纤结构示意图1、光纤的分类光纤有很多种分类方法。按其传输光波的模式来分，有单模光纤与多模光纤两大类。它们的结构不同，因而各具不同的特性与用途。1)单模光纤用来传输单一基模光波的光纤称为单模光纤，它要求入射光的波长大于光纤的截止波长，单模光纤的纤芯直径很小，一般为5-10m。单模光纤对于光的传输损耗将是最小的，因为光场只在光纤的中心传导。但是由于纤芯直径很小，对于光纤与光源的耦合及光纤之间的接续将带来明显困难。单模光纤可彻底消除模间色散，在波长为1.27m时，材料色散趋近于零，或者可以使得材料色散与波导色散相抵消。因此，长距离大容量的长途通信干线及跨洋海底光缆线路全部采用单模光纤。由于1.55m
6、波长时单模光纤的损耗更低，人们已研究了使光纤的零色散波长移到1.55m的技术和使激光器（LD）的频谱更窄的技术，以求同时达到最低的损耗及最宽的带宽，从而最大限度地增大中继距离及信息容量。2)多模光纤用来传输多种模式光波的光纤称为多模光纤，模式的数目取决于芯径、数值孔径（接收角）、折射率分布特性和波长。将单模光纤的纤芯增大，光纤将成为多模光纤。多模光纤的纤芯直径远远大于单模光纤，一般为50-200m。在临界角内，各个模式的入射光波分别以不同角度，在光纤内的纤芯与包层的的界面处发生全反射而沿光纤全长传输。突变型多模光纤的纤芯部分折射率保持不变，而在纤芯与包层的界面折射率发生突变。这种光纤模间群时延
7、时差大，一般传输带宽为100MHzKm。常做成大芯径（例如100m）、大数值孔径（例如NA大于0.3）光纤，提高光源与光纤的耦合效率，适用于短距离、小容量的系统。这种光纤的使用相当广泛。3)识别单模光纤与多模光纤的方法识别单模光纤与多模光纤的基本方法是从光纤的产品规格代号中去了解。如我国光纤光缆型号的规格代号的第二部分用J代表多模渐变型光纤，用T代表多模阶跃型光纤，用Z代表多模准阶跃型光纤，用D代表单模光纤。其次是从光纤的纤芯直径去识别。单模光纤的芯径很细，通常芯径小于10m；多模光纤的芯径比单模光纤大几倍。第三种方法是从光纤外套的颜色上识别。通常黄色表示单模光纤，橙色表示多模光纤。本实验系统
8、用的光纤外套是黄色的，故为单模光纤。4)尾纤波长的测试光纤线路的两端一般是通过一段短光纤把线路与光端机连接起来的。这一段短光纤长度为3米或5米、10米，因其位置处于光纤线路的尾部，故称为尾纤。尾纤的传输特性有工作波长、信号传输模式、带宽与损耗等，通常这些通过光纤光缆的型号标志来识别，也可以用仪表来测试。每种光纤都有特定的工作波长，当注入光信号的波长等于工作波长时，光纤损耗最小，反之光纤损耗增大。因此把不同波长的光信号注入光纤，测量光纤损耗，当光纤损耗最小时，该光信号的波长即为尾纤的工作波长。2、成品光纤的主要参数一般光纤成品有以下主要参数：1)光纤的纤芯折射率分布纤芯折射率分布一般分为两类，即
9、梯度型分布及阶跃型分布。一般的多模光纤可采用这两种分布的一种，而单模光纤只有阶跃型分布一种。2)光纤的尺寸一般光纤的外径是125m,单模光纤纤芯芯径是9-10m，多模光纤的纤芯芯径是40-50m，同心度偏差1-5m，这是对光纤通信所用光纤的尺寸。3)光纤的传播损耗引起光纤损耗的原因主要有三方面：（1）瑞利散射，这主要是由于玻璃中密度分布涨落引起的。（2）水吸收带，在玻璃中若残存百万分之一克重量的氢氧根，就会引起对各波长的光波的光损耗。（3）固有损耗，这是由于微观波导的不连续性引起的。4)数值孔径数值孔径是描述光纤受光程度的参数，通常用光从空气入射到纤芯允许的最大入射角的正弦值来描述。5)带宽带
10、宽是光纤的一个重要参数，它使渐变型光纤像一个低通滤波器一样，对光发射机的功率调制产生影响。它使光纤的传输函数的大小随调制频率升高而减小，而在整个频谱内的相关相位失真保持很小。为计算方便，这种频响可以近似为一个等效的高斯低通滤波器，最高带宽仅可能在某一个波长上发生，对于其它波长，带宽将减少下来，那带宽是波长的函数。其低通滤波器的截止频率与玻璃组成材料及剖面折射率分布有关。6)有效截止波长这是描述单模光纤的一个重要参数。它表明，在单模光纤的波长域中仅可以传播的模，所谓截止波长是指基模。测量有效截止波长的方法有多种，一般采用挠曲法，在这种方法中，首先将一段光纤在直线状态下测量一下损耗；然后在弯曲状态
11、下测量损耗。这样可以推算出由于弯曲增加的衰耗，而有效截止波长就是这样定义的，在截止波长下由于弯曲增加的损耗是0.1dB。当工作频率低于这个截止波长所对应的频率时，规定的传播模不能存在，大于截止波长的相应频率的光进入包层区域损耗掉。这个名词是从以前波导理论研究中借用来的。7)模场直径这是单模光纤的另一重要参数，也称为光点尺寸。在单模光纤中主要传送的是基模，而模场直径与基模光斑的大小有关，它以基模场强减少到1/e处的宽度来定标，它表征入纤的光功率分布。五、实验注意事项1.在实验过程中切勿将光纤端面对着人，切勿带电进行光纤的连接。2.在插拔光纤跳线时一定要水平的轻轻的插拔，切勿弯折！在插之前要将光纤
12、跳线的凸部和光纤活动连接器的凹部对准后再插入！3.由于光纤的损耗很小，一般为0.20.5dB/km，为了使实验效果明显，则至少需要数千米的光纤，实现起来比较困难，所以在实验中用光固定衰减器来代替。六、实验步骤1.关闭实验系统。按以下方式用连信号连接导线连接：数字信号源模块（数字信号输出一）P300P1001310数字光发模块（数字光发信号输入）2.用光纤跳线连接1310nm光发模块和光功率计。3.将1310nm光发模块的J100第一位拨到ON，第二位拨到OFF，将1310nm光发模块的RP100逆时针旋到最大。4.将1310nm光发模块的101设置为“数字”。5.打开系统电源。将数字信号源输第
13、一路的拨码开关U311全拨到“OFF”状态，即输入到1310nm数字光发模块的信号始终为“1”。6.观测并记录光功率计的读数P1。7.关闭系统电源。在光纤跳线和光功率计之间插入一个光固定衰减器。8.打开系统电源。观察并记录光功率计的读数P2。9.关闭系统电源，拆除实验导线，将各实验仪器摆放整齐。七、实验报告1.记录实验参数P1、P2。按公式P=P1-P2，得到光纤的插入损耗P。2.换1550nm光发端。然后再测量插入损耗。实验二 光纤活动连接器一、实验目的1.了解光纤活动连接器在光纤通信系统中的作用2.了解光纤的各种性能参数。二、实验内容1.介绍光纤活动连接器的特点与作用。2.介绍光纤活动连接
14、器的分类。3.测量光纤活动连接器的插入损耗。三、实验仪器1.光纤通信实验系统1台。2.光功率计1台。3.光纤活动连接器1个。4.FC/PC型光纤跳线2根.。四、实验原理光连接器是光纤传输系统中光通路的基础部件，是光纤系统中必不可少的光无源器件。它能实现系统中设备之间、设备与仪表之间，设备与光纤之间以及光纤与光纤之间的活动连接，以便于系统接续、测试、维护。目前，光纤通信对活动连接器的基本要求是：插入损耗小，受周围环境变化的影响小，易于连接和拆卸，重复性、互换性好，可靠性高，价格低廉。光纤通信使用的光连接器按纤芯插针、插孔的数目不同分有单芯活动连接器和多芯活动连接器两类；单芯活动连接器的基本结构是插针和插孔。由光纤连接损耗的计算可知，影响损耗的主要外在因素是相互连接的两根光纤的纤芯之间的错位和倾斜，所以在连接器的结构中，要求插针中的纤芯与插孔有很高的同心度，相连的两根插针在插孔中能精确的对准。按结构不同分有FC型、ST型、SC型、PC型等等。1.FC型活动连接器FC型（平面对接型）光连接器。这种连接器插入损耗小，重复性、互换性和环境可靠
