要用版 光纤实验指导书I.docx

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要用版光纤实验指导书I

实验一固定速率时分复用实验

一、实验目的

1、掌握集中插入帧同步码时分复用信号的帧结构特点。

2、掌握固定速率时分复用的同步复接原理。

二、实验内容

1、连接相应的实验导线，组成实验电路。

2、用示波器观察被复用信号、集群信号、位同步信号及帧同步信号，了解它们的对应关系。

3、阅读实验指导书，学习简单时分复用的同步复接原理。

三、实验仪器

示波器,RC-GT-Ⅲ（+）型光纤通信实验系统。

四、基本原理

（一）数字复接的基本组成：

在实际应用中，通常总是把数字复接器和数字分接器装在一起做成一个设备，称为复接分接器（缩写为Muldex）。

在这里我们首先讨论数字复接器。

数字复接器的基本组成如图1-1所示。

图1-1数字复接器的基本组成

数字复接器的作用是：

把两个或两个以上的支路数字信号按时分复接方式合并成为单一的合路数字信号。

数字复接器由定时、调整和复接单元所组成。

定时单元的作用是：

为设备提供统一的基准时钟信号，备有内部时钟，也可以由外部时钟推动。

调整单元的作用是：

对各输入支路数字信号进行必要的频率或相位调整，形成与本机定时信号完全同步的数字信号。

复接单元的作用是：

对已同步的支路信号进行时间复接，形成合路数字信号。

复接方式：

将低次群复接成高次群的方法有三种：

逐比特复接、按码字复接、按帧复接。

在本实验中，由于速率固定，信息流量不大，所以我们所应用的方式为按码字复接，下面我们将这种复接方式做一下简单介绍，对于其它两种方式将在以后的实验中进行介绍。

按码字复接：

对本实验来说，速率固定，信息结构固定，每8位码代表一“码字”。

这种复接方式是：

按顺序每次复接1个信号的8位码，输入信息的码字轮流被复接。

复接过程是这样的：

首先取第一路信息的第一组“码字”，接着取第二路信息的第一组“码字”，再取第三路信息的第一组“码字”，轮流将3个支路的第一组“码字”取值一次后再进行第二组“码字”取值，方法仍然是：

首先取第一路信息的第二组码，接着取第二路信息的第二组码，再取第三路信息的第二组码，轮流将3个支路的第二组码取值一次后再进行第三组码取值，依此类推，一直循环下去，这样得到复接后的二次群序列（d）。

这种方式由于是按码字复接，循环周期较长，所需缓冲存储器的容量较大，目前应用的很少。

图1-2按码字复接示意图

（a）第一路信息；（b）第二路信息；（c）第三路信息；（d）复接后

（二）所用实验模块的结构原理：

本实验使用固定速率信号源及固定速率时分复用复接端接口两个模块。

本实验所用到的模块组合是固定速率时分复用的复用端，其原理方框图如图1-3所示。

这些模块产生三路信号时分复用后的FY_OUT信号，信号码速率约为32K，帧结构如图1-4所示。

帧长为24位，其中首位无定义，第2位到第8位是帧同步码（7位巴克码×1110010,×表示无定义位是0，是1均可），另外16位为2路数据信号，每路8位。

此FY_OUT信号为集中插入帧同步码时分复用信号。

同时通过发光二极管来指示码型状态：

发光二极管亮状态表示1码，熄状态表示0码。

本实验中用到的电路，除并行码产生器和8选一电路是由分立器件组成的外，其它电路全集成在大规模集成芯片EPC2LC20中。

本实验用到以下测试点及输入输出点：

D1，D2，D38位串行信号输出/测试点

D_IN1，D_IN2，D_IN38位串行信号输入/测试点

BS位同步信号输出点/测试点

FS帧同步信号输出点/测试点

FY-OUT复用信号输出点/测试点

下面对时钟信号源、分频器、八选一、调整器及复接器等单元作进一步说明。

（1）时钟信号源

时钟是由晶振X1（16.384MHz）提供，它也是整个系统的时钟信号源。

16.384MHz时钟经EPC2LC20分频得到本实验所需的各种时钟信号。

图1-3复用器原理方框图

（2）分频器

分频器一首先对EPC2LC20分频得到的一时钟信号进行16分频，输出信号频率为64kHz。

然后分频器二再对64KHz的输出信号进行÷2、÷4、÷8、÷16运算，输出信号为BS、S1、S2、S3。

其中BS为位同步信号，频率为32kHz。

S1、S2、S3为3个选通信号，作为八选一的选通信号，频率分别为BS信号频率的1/2、1/4和1/8。

分频器三是一个二--十进制加计数器，对BS信号进行24分频，分别输出选通信号S4、S5，这两个信号的频率相等、等于BS信号频率的1/24。

其中S5作为帧同步信号FS。

分频器输出的S1、S2、S3、S4、S5等5个信号的波形如图1-5（a）和1-5（b）所示。

图1-4帧结构

图1-5分频器输出信号波形

表1-174151真值表

C

B

A

INH

DIS

Z

0

0

0

0

0

x0

0

0

1

0

0

x1

0

1

0

0

0

x2

0

1

1

0

0

x3

1

0

0

0

0

x4

1

0

1

0

0

x5

1

1

0

0

0

x6

1

1

1

0

0

x7

Φ

Φ

Φ

1

0

0

Φ

Φ

Φ

Φ

1

高阻

（3）八选一

采用8路数据选择器74LS151，它内含了8路传输数据开关、地址译码器和三态驱动器，其真值表如表1-1所示。

U100、U101和U102的地址信号输入端A、B、C并联在一起并分别接S1、S2、S3信号，它们的8个数据信号输入端x0~x7分别与k100、k101、k102输出的8个并行信号连接。

由表1-1可以分析出U100、U101、U102输出信号都是码速率为32kB、以8位为周期的串行信号。

（4）调整器

调整器的作用是将输入的3路串行信号进行速率及时隙调整，以达到复接的时序要求。

（5）复接器

如图1-2中所示，三路串行信号a，b，c经复接后的复接输出信号FY_OUT见波形d。

复接器主要有两种复接电路：

一种为同步复接电路，一种为异步复接电路。

在固定速率时分复用时，由于被复接的三个支路是同步的信号，所以本实验采用的是同步复接电路，而异步复接电路将在变速率时分复用实验中进行详细阐述。

同步复接电路：

在本实验中，送入复接器的三路信号为同频同相的信号，且帧长一样，我们所使用的复接方式为按码字复接，即一次复接8位码，示意图如图1-6所示。

其中：

F1、F2、F3分别为复接时钟，D1、D2、D3为调整后的三路数据，FY_OUT为复接后的信号。

图1-6复接波形示意图

图1-7FS、FY-OUT波形

FS信号与FY_OUT信号之间的相位关系如图1-7所示。

FS信号可用做示波器的外同步信号，以便观察FY_OUT的帧结构。

图中FY_OUT的无定义位为0，帧同步码为01110010，数据1为11110000，数据2为00001111。

FS信号的低电平、高电平分别为8位和16位数字信号时间，其上升沿比NRZ-OUT码第一位起始时间超前一个码元。

五、实验步骤

（以下实验步骤以1310nm光端机部分讲解，即实验箱左边的模块。

1550nm光端机部分与其相同）

1、关闭系统电源，取三根短实验导线将固定速率数字信号源模块的输出端D1、D2、D3、分别对应接到固定速率时分复用复接端接口D_IN1、D_IN2、D_IN3。

2、打开实验箱电源，将示波器的A通道探头接FS，B通道探头接BS，分别记录示波器双通道的二个波形，分析它们的对应关系。

3、将示波器的A通道探头分别接FS、BS中的一个端端口，B通道探头分别接D_IN1、D_IN2、D_IN3中的一个端口，分别记录示波器双通道的波形，分析它们的对应关系。

4、将示波器的A通道探头接FY-OUT端口，B通道探头分别接FS、BS，分别记录双通道示波器的波形，分析它们的对应关系。

5、将示波器的A通道探头接FY-OUT端口，B通道探头分别接D_IN1、D_IN2、D_IN3中的一个端口，分别记录示波器双通道的波形，分析它们的对应关系。

六、实验结果

用示波器观察波形是否和理论相一致。

1、接上示波器观察D1、D2、D3的波形，记录下来。

2、接上示波器观察FY_OUT的波形。

3、接上示波器观察FS的波形。

4、对比复用和单个波形的关系。

实验二P-I特性曲线绘制实验

七、

3、给出1310nm激光器和1550nm激光器的阈值电流。

4、计算1310nm激光器和1550nm激光器外微量子效率。

实验三纤耦合器参数测量

一、实验目的

1.了解光纤耦合器的工作原理及相关特性；

2.掌握光纤耦合器特性参数的测量方法；

二、实验内容

用光功率计测量光发射机的光功率；

连接光耦合器，用光功率计测量每个输出端口的光功率；

三、实验仪器

光功率计，RC-GT-II型光纤通信实验系统

四、实验原理

光纤耦合器：

光纤耦合器是实现光信号分路／合路的功能器件，一般是对同一波长的光功率进行分路或合路。

简单的耦合器结构见图1。

图1

光纤耦合器的耦合机理基于光纤的消逝场耦合的模式理论。

多模与单模光纤均可做成耦合器，通常有两种结构型式，一种是拼接式，另一种是熔融拉锥式。

拼接式结构是将光纤埋人玻璃块中的弧形槽中，在光纤侧面进行研磨抛光，然后将经研磨的两根光纤拼接在一起，靠透过纤芯一包层界面的消逝场产生耦合。

熔融拉锥式结构是将两根或多根光纤扭绞在一起，用微火炬对耦合部分加热，在熔融过程中拉伸光纤，形成双锥形耦合区，见图2。

图2

光耦合器是一种光无源器件，该领域内的一般技术术语对它也适用，同时，它还另有一些体现自身特点的参数。

1）．插入损耗（InsertionLoss）：

插入损耗是指输入端口i和输出端口j之间产生的损耗，为输出与输入端口光功率之比，即

2）．附加损耗（ExcessLoss），表示耦合器带来总的损耗，定义为

其中，Pj是在端口j的输出功率，Pi是端口i的输入功率。

3）耦合比（分光比）：

耦合比形式上定义为某一端口输出的光功率与所有端口的输出光功率之比，即

耦合比公式：

分光比公式：

对于光纤耦合器，附加损耗是体现器件制造工艺质量的指标，反映的是器件制作过程带来的固有损耗；而插入损耗则表示的是各个输出端口的输出功率状况，不仅有固有损耗的因素，更考虑了分光比的影响。

因此不同种类的光纤耦合器之间，插入损耗的差异，并不能反映器件制作质量的优劣，这是与其他无源器件不同的地方。

五、实验装置

图2实验装置图

六、实验内容及步骤（以1*2耦合器为例）

1.按实验装置图2（a）所示结构连接1310nm半导体激光器、跳线和光功率计，检查无误后打开电源，调节注入电流大小，测得LD输出光功率。

2.固定LD输出光功率，按图2（b）所示结构连接耦合器和光功率计，测出耦合器输出端口2的光功率；之后将光功率计接到耦合器端口3，测出端口3的光功率。

3.改变注入电流，改变LD输出光功率，重新按步骤1和步骤2做，重复5次。

将数据填到下表，并计算出耦合器的插入损耗、附加损耗、耦合比和分光比。

4.做完1310nm半导体激光器，有时间再做1550nm半导体激光，得出结果进行比较。

LD

耦合器端口2

耦合器端口3

七、注意事项

1.系统上电后禁止将光纤连接器对准人眼，以免灼伤。

2.光纤连接器陶瓷插芯表面光洁度要求极高，除专用清洁布外禁止用手触摸或接触硬物。

空置的光纤连接器端子必须插上护套。

3.所有光纤均不可过于弯曲，除特殊测试外其曲率半径应大于30mm。

实验四数字信号电—光、光—电转换传输实验

[实验目的]

1.了解数字光纤通信的通信原理。

2.掌握各种数字信号的传输机理。

3.初步了解完整光纤通信系统的基本组成结构。

[实验内容]

1．用示波器观察各种传输信号的波形。

2．使用实验系统中提供的各种信号进行光传输实验，有：

NRZ、CMI、PCM编码。

[实验仪器]

示波器，RC-GT-II型光纤通信实验系统。

[实验原理]

本实验主要完成各种数据速率的光纤传输，其原理如图1、2所示，本次实验所用

到的数字信号主要有：

NRZ、FS、BS、CMI码。

各信号的详细介绍及各部分电路原理图请

参看前面的实验讲解。

固定速

信

光

光

信

率数字

号

发

光纤

接

号

测试

信号源

处

送

收

处

端口

模块

理

模

模

理

块

块

图1

数字信号光纤传输框图

信

光

光

信

测

信（FS）

号

发

光纤

接

号

试

CMI

CMI

号或

处

送

收

处

端

编

译

源（BS）

码

理

模

模

理

码

口

块

块

图2

CMI码光纤传输示意图

[实验步骤]

（以下实验步骤以1310nm光端机部分讲解，即实验箱左边的模块。

1550nm光端机部

分与其相同）

1、关闭系统电源，把光跳线分别连接到1310的TX和RX端。

2、将固定速率数字信号源模块的D1或D2、D3、FS、BS连接到光发送模块的数字信号输入端口（P202）。

3、把开关S200拨到数字传输端。

4、打开系统电源，用示波器在光接受模块的数字信号输出端口观察输出信号。

5、通过电位器R257（调节判决直流电平）及R242（增益调节）得到最佳传输的数字信

号。

6、对于CMI的接线为：

关闭系统电源，选数字信号模块的D1、D2、D3、FS、BS任意一个，连接到CPLD模块的DIN1（DIN2），进行CMI码的编码。

将光收模块的输出（P201）用导线连接到CMI译码输入（CMIIN1）进行译码，还原成原始信号。

7、将CMIOUT1的输出端连接到光发送模块的数字信号输入端口。

8、打开系统电源，用示波器在光接受模块的数字信号输出端口观察输出信号。

9、通过电位器R257来调节判决直流电平得到最佳传输的数字信号。

10、用示波器观测编码前后的两波形。

[实验结果]

1、观察数字信号被CMI编码后的波形与原始波形的关系。

2、熟悉光纤数字信号传输的编码原则和传输效果的关系

实验五模拟信号电—光、光—电传输实验

[实验目的]

1.了解模拟信号光纤系统的通信原理。

2.了解完整的模拟信号光纤通信系统的基本结构。

3.掌握各种模拟信号的传输机理。

[实验内容]

1．通过不同频率的正弦信号、方波信号、三角波进行光传输实验。

2．正弦信号通过PCM编码后进行光传输实验。

[实验仪器]

示波器，GT-RC-II型光纤通信实验系统。

[实验原理]

本实验用示波器观察光发送模块和光接受模块的的模拟信号波信，并通过调节模拟信号

源模块的频率进行对比、比较，以了解和熟悉光纤传输模拟信号系统的组成。

其实验框图如

图1、图2所示：

模

光

光

拟

发

光纤

接

信号

信号

测试端口

信

处理

送

受

处理

号

器

器

源

件

件

图1

模拟信号光纤传输方式一

模

光

光

测

信

信

拟

发

光纤

接

试

信

PCM

号

送

受

号

PCM

端

处

处

号

编码

器

器

译码

口

源

理

件

件

理

图2

模拟信号光纤传输方式二

模拟信号的传输，可以有多种方式，一种是直接用模拟信号，经过光纤直接进行传输；

另一种方式是把模拟信号数字化后，进行调制，然后将调制好的数字信号再进行光纤传输，最后再经过解调，把模拟信号还原。

现在使用最多的一种方式是PCM编译码方式，对于PCM编译码的详细资料请参考实验六-----PCM编译码实验。

[实验步骤]

（以下实验步骤以1310nm光端机部分讲解，即实验箱左边的模块。

1550nm光端机部

分与其相同）

1．关闭系统电源，把光跳线分别连接到1310的TX和RX端。

2．将模拟信号源模块的正弦波或三角波、方波连接到光发送模块的模拟信号输入端口（P203）。

3．把开关S200拨到模拟传输端，短接跳线J200。

4．打开系统电源，用示波器在光接受模块的模拟信号输出端口观察输出信号。

5．通过电位器R257（调节直流分量电平）及R242（增益调节）得到最佳传输的模拟信

号。

18

6.对于PCM的接线为：

关闭系统电源，将开关S200拨到数字传输端。

集群通信实验接线方法:

左模拟信号源的输出-正弦波——PCM编译码单元的A_IN

右模拟信号源的输出-正弦波——PCM编译码单元的B_IN

PCM编译码单元A_TXD——PCM编译码单元TXD_A

PCM编译码单元A_RXD——PCM编译码单元RXD_A

PCM编译码单元B_TXD——PCM编译码单元TXD_B

PCM编译码单元B_RXD——PCM编译码单元RXD_B

PCM编译码单元PCM_OUT——光发送数字信号输入端（P202）

PCM编译码单元PCM_IN——光接收数字信号输出端（P201/IC202）

1．打开系统电源，用示波器在光接收模块的数字信号输出端口观察输出信号与光发送的数字信号输入端信号。

2．通过电位器R257（调节判决直流电平）及R242（增益调节）得到最佳传输的数字信

号。

3．用示波器观测PCM编码前译码后的波形，比较波形，是否有信号失真。

[实验结果]

一、记录并画出实验所用及所得到的波形，并进行比较。

二、比较模拟信号两种传输方式，分析哪种传输方法的传输效果更好。

实验六电话语音光传输系统实验

[实验目的]

1.了解电话语音信号光纤系统的通信原理。

2.了解完整的电话语音信号光纤通信系统的基本结构。

3.掌握电话语音信号的多种传输机理。

[实验内容]

1.通过不同的方式对话音信号进行光传输实验

2.电话语音信号通过PCM编码后进行光传输实验

[实验仪器]

示波器，GT-RC-II型光纤通信实验系统。

[实验原理]

本实验用电话接口模块监测光发送模块、光接受模块的语音传输，并通过与话音信号的

19

PCM编码传输效果进行对比、比较，以了解和熟悉光纤传输话音信号系统的组成。

其实验

框图如下：

TX

模拟信号

光发送器件

输入端口

电话

接口

光纤

模块

模拟信号

一

RX

光接收器件

输出端口

图1

话音信号光纤传输方式一

TX

模拟信号

光发送器件

输入端口

电话

接口

1310nm光端机部分

模块

模拟信号

一

RX

光接收器件

输出端口