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光纤通信实验指导书(新格式)(精)

《—光纤通信原理—》

实验指导书

刘伟群编写

适用专业:计算机网络

计算机应用

湖南人文科技学院计算机科学技术系

2008年9 月

前言

光纤通信是大容量信息传输的主要手段,光纤通信技术是信息产业的主要支柱技术之一,光纤网络已经遍布全球。为了满足社会对人才的需求,各大学的许多专业(如电子与通信工程、光电子技术、电子信息工程和计算机应用等纷纷开设了有关光纤通信技术的专业理论课程,以培养这方面的专业人才。由于光纤通信是一门实验性很强的技术,除了课堂理论学习外,还需要实验性环节与之配合,否则学习效果会受到很大的影响。由于种种原因,光纤实验课程的开设很困难,许多学校只停留在课堂的理论教学。为了克服这些不足,我们经过多年的研究,研制成功了这个光纤通信实验平台,多次获军内外教学成果奖,现已广泛用于我们和兄弟院校的教学,取得了良好的教学效果,为光纤通信实验课程的开设提供了一种全新的实验教学模式。

该实验平台可置于一个便携式的实验箱内,配合常用的电子信号源、示波器和常用的光纤通信仪表就可以开设光纤通信系统原理的相关实验。其突出的优点为:

1、平台紧扣光纤通信系统的知识点,实验内容丰富,波形测试点多。

2、采用了模块化设计思想和数字化、软件化的实现手段,性能稳定可靠。

3、具有友好的人机界面,操作维护方便。

4、具有专业的指导老师进行实验箱的培训和实验课的指导。

5、具有配套的实验教材和光盘,由人民邮电等出版社正式出版。

由于实验课的开设与理论课相比,存在的问题较多,加上我们的经验和水平有限,肯定存在许多不足,欢迎与我们交流共同开设好实验课,让学生满意。

2008.6

实验一:光纤损耗特性测量 (1

实验二:光源P-I曲线测试 (1

实验三:光纤机械接续与熔接 (1

实验四:线路码型实验 (5

实验五:光接收机灵敏度测试 (11

2M (11

实验六:模拟话音光传输实验 (14

实验七:2M数字光纤通信系统实验 (18

实验八:计算机串口数据光纤传输实验 (24

实验一:光纤损耗特性测量

实验学时:2 实验类型:验证

实验要求:必修

一、实验目的

1、理解光纤的损耗

2、光纤损耗的常用测试方法

3、插入法测试实验

二、实验内容

插入法原理上类似于截断法,只不过用带活接头的连接软线代替短纤进行参考测量,

计算在预先相互连接的注入系统和接收系统之间(参考条件由于插入被测光纤引起的功率损耗。显然,功率P 1、P 2的测量没有截断法直接,而且由于连接的损耗会给测量带来误差,精度比截断法差一些。所以该方法不适用于光纤光缆制造长度衰减的测量。但由于它具有非破坏性不需剪断和操作简便的优点,用该方法做成的便携式仪表,非常适用于中继段长总衰减的测量。图2.13示出了两种参考条件下的测试原理框图。

图2.13 (a情况下,首先将注入系统的光纤与接收系统的光纤相连,测出功率P 1然后将待测光纤连到注入系统和接收系统之间,测出功率P 2,则被测光纤段的总衰减A 可由下式给出

(([]2121/log 10C C C P P A r --+=λλ (dB (2.11

式中C r 、C 1、C 2分别是在参考条件、试验条件下光纤输入端、输出端连接器的标称平均损耗

图6.13 典型的插入损耗法测试装置

图2.13 典型插入损耗法测试装置

值(dB。

图2.13 (b情况下,首先将参考系统连在注入系统和接收系统之间,测出功率P 1;然后,同图(a一样,测出功率P 2,则被测光纤段的总衰减由下式给出

(([]λλ21/log 10P P A =(dB (2.12

情形(a中,由于连接器的质量可能会影响测试精度;情形(b中,采用了光学系统进行精密耦合,代替了连接器的耦合,可以得到精确的测量结果,当只需要知道光纤的实际衰减时,它比较合适。当被测光纤段带有半个连接器而且需要和其它元件串在一起时,情形(a的测试结果更有意义。

三、仪器、设备和材料

光纤通信实验系统及附件,光功率计,光衰减器,光纤。

四、实验原理

五、实验步骤

实验平台中我们可以采用插入法测量光纤的损耗,实验框图如2.14所示: 六、实验结果分析

图6.14 插入损耗测试框图TP501

扰模器

图2.14

实验二:光源P-I曲线测试

实验学时:2

实验类型:验证

实验要求:必修

一、实验目的

1、了解半导体光源的特性。

2、掌握光源P(平均发送光功率-I(注入电流特性曲线的测试方法。

3、掌握光功率计的使用方法。

二、实验内容

半导体光源的特性。

光源P(平均发送光功率-I(注入电流特性曲线的测试方法。

光功率计的使用方法。

三、仪器、设备和材料

光纤通信实验系统及附件,光功率计,光源,光衰减器,光纤。

四、实验原理

主要介绍实验原理,及实验原理图。

五、实验步骤

测试框图如图1.2所示。其中S、R为活动连接器(ST型,RP501为可变电阻位于数字光发电路的上方。P-I曲线测试步骤为:

码型发生器自A点(对应实验平台测试点TP501给光发送机送方波信号作为测试信号。大家可以借助键盘和液晶来选择方波信号(实验平台加电后,先按复位键复位系统,屏幕出现“请选择”提示后,按键选择“方波”,此时,TP501点应能测试到方波信号。参考附录B 中光发模块甲的原理框图可知,为了把数字信号发往线路,除了用短接帽将跳线XP500的1-2脚相连外,还需要通过双刀双掷开关KS501选通模拟光源驱动电路和数字光源驱动电路。本实验中选择数字光源驱动电路(按键KS501抬起即可。

从发送模块甲的光源组件(如1414T/1312T的连接器S中取出保护塑料套,用光纤跳线分别插入发送端连接器S与光功率计的输入连接器插头,连接光发送端的光输出与光功率计,

此时从光功率计读出的功率就是光端机的平均发送光功率P 。

3、用数字万用表测量两点之间电压(红色表笔接电源VCC ,附近找不到电源可以将红色表笔接触SN75452的8脚或2脚;黑色表笔接触测试点TP502。测得的电压值除以电阻值R=R501+RP501(测RP501的电阻值时应该将实验平台的供电切断,其中R501是51Ω的固定电阻,即可得到注入电流I 。改变RP501的阻值,将得到一组测得的P 、I 的值记录下来,我们便可以描绘P-I 曲线。这里需说明的是这里测得的是P-I 曲线的一段(功率调节范围约4个dB ,为了防止烧坏光发送组件,电流I 的调节范围有限(电流调节范围约为20mA ,但不妨碍整个P-I 曲线的测量,因为测试方法是一样的,只是多测几组值而已。

4、在调节电位器的过程中,最好让光功率值在-18dB ~-22dB 变化,以免损坏器件。

六、实验结果分析

图5.2 数字光发送机P-I曲线测试框图

图1.2 数字光发送机P-I 曲线测试框图 TP501:方波信号

实验三:光纤机械接续与熔接

实验学时:2

实验类型:(综合

实验要求:(必修

一、实验目的

掌握光纤切割与熔接技术。

二、实验内容

光纤切割、熔接。

三、仪器、设备和材料

光纤,光纤熔接机,光纤切割机,酒精,纸巾。

四、实验原理

接合技术分为熔接和机械拼接(固定连接器两种。下面我们便分别来看看怎样才能将两段光纤连接起来。

不论采用何种技术,接合过程中的第一步都是末端预处理。包括剥离光缆的护套、缓冲管和涂敷层。这些剥离步骤的每一步都需要专用的工具。不过,大家不用担心,所有用来进行末端处

图2.2

理的工具都可以买到。其种类的繁多令人惊讶,从简单的仅能完成一种操作(例如剥离涂层的手工操作便携式剥离器到一步就可以完成所有操作的全自动仪器――插入一根完整的光缆即可得到准备接合的裸光纤。剥离器可以用来剥除所有型号的光缆。剥离暴露了裸光纤,当把两根光纤连接起来之前,必须先制备光纤的端面,否则会有可能带来很大的连接损耗。为了使光线在连接点处不发生偏转或散射,光纤端面必须平整光滑并与轴线垂直。一般使用的方法有:研磨、抛光与有控制的折断。

研磨和抛光可以得到与光纤轴线垂直的光滑端面。但研磨工艺费时费事,不易用于现场。可控制的折断法或称“划痕折断”法,首先在待折断的光纤上刻一道划痕,然后如图2.2 (a所示进行操作,以使表面产生应力集中而折断,由此获得良好的端面。如果折痕不合适、应力控制不好,会使光纤中的裂纹分叉,成为若干条裂纹,叉形裂纹会在光纤端面上产生唇形或锯齿部分,见图2.2 (b。为了去除光纤末端表面上的外来微粒,必须用专门的方法和布料来清洁光纤。经过剥离、切割和清洁后的两根光纤便可以用来接合了。

固定连接器的种类很多,图2.3给出了常见的几种固定连接器的外形图。图2.3 (a是依靠毛细管定位的固定连接器,图2.3 (b、(c和(d所示固定连接器的关键部位是V 型槽,它能保

图6.3 几种固定连接器示意图(a(d

(c图2.3 (a

持发射光纤与接收光纤相互对准。V 型槽可以用铅板作主要材料,用冲模冲出V 型槽,也可以用单晶硅材料以化学腐蚀法刻蚀出V 型槽。V 型槽对准基于外固定位,在切点A 、B 处保持接触,如图2.4 (b所示,角度θ的选择有一定的要求。如果发射光纤与接收光纤的包层圆与纤芯圆均处于理想状态,则切点A 、B 可以保证发射纤芯与接收纤芯对准而实现低衰耗连接。如果发射光纤与接收光纤外径不一致,即使在切点A 、B 保持接触,纤芯也不可能对准,因此必然引入损耗。适当选择θ值,可

以把这类损耗降低,又考虑到V 型槽加工条件,θ值一般选在60o左右。机械拼接通常用于快速维修且只需少量接合的场合。

对单模光纤进行熔接,主要包括光纤端面制备、纤芯对准、熔接与接头增强等几个步骤。其中光纤端面制备已在上文讨论过。纤芯对准是关键内容,要求有非常高的精度。多模光纤可以采用外径对合法,而单模光纤必须采用芯轴对合(见图

2.5。外径对合可以由普通的显微镜肉眼观察来确定,而芯轴对合则必须用功率法或折射率差透镜效果法来确定。

熔接的过程首先让发射光纤和接收光纤的间隙维持几十微米,然后进行预热,最后使间隙逐渐缩小而熔合在一起。图2.6表示安置光纤预热、压入和整形各个阶段示意图,最后是光纤接头的增强。光纤之间的接续增强是不可缺少的环节。电弧熔接后光纤用玻璃毛细管或不锈钢管增强,也可以用热缩塑料管增强。具体的实验步骤,要视所拥有的熔接机类型而定。

五、实验步骤

图6.5 光纤芯轴对合示意图图2.5

六、实验结果分析

图6.6 光纤熔接步骤对准

压入整形图2.6

实验四:线路码型实验

实验学时:2 实验类型:(验证

实验要求:(必修

一、实验目的

1、了解常用的光纤线路码型如NRZ 、CMI 、5B6B 等。

2、掌握CMI 编解码的规则。

3、了解线路码的传输特性。

二、实验内容

三、仪器、设备和材料

包括所需仪器设备、低值易耗品等。

四、实验原理

主要介绍实验原理,及实验原理图。

码型变换含义广泛,本节中我们将要介绍的码型变换指的是线路码型的编码和译码。我国邮电部从管理的

角度出发,规定了几种在公用网上使用的码型(专用网

也可以参照使用:5B6B 、CMI 、扰码二进制、1B1H 以及

565Mbit/s 光纤传输系统用的8B1H 。本节中将以CMI 的编

解码为例介绍码型变换实验。CMI 码即是Coded Mark

Inversion (编码传号反转码的缩写,表1-1中给出了其变换规则,传号1交替地用00和11表示(若一个传号编为00,则下一个传号必须编为11,也就是交替反转,而空号0则固定用01表示,图1.3中给出了波形的例子。由于一个码元变成了两个码元,所以它属于二电平的NRZ 的1B-2B 码型。CMI 码具有双相码的优点,且不怕信道相位反转(信息码为“1”时,两个线路码相同;信息码为“0”时,两个线路码相反。信道相位反转后,仍有此性质,具有一定的纠错能力,易于实现,易于定时提取,因此在低速系统中选为传输码型。在ITU-T 的G.703建议中,规定CMI 码为四次群(139.264Mbit/s 的接口码型。日本电报电话公司在32Mbit/s 及更低速率的光纤通信系统中也采用了CMI 码。

图4-1给出了CMI 编码的原理框图。编码电路接收来自信号源的单极性非归零码

(NRZ

码,并把这种码型变换为CMI 码送至光发送机。输入若是传号,则翻转输出;若是空

号,则打开门开关,使时钟的反向输出。其电路原理如图4-2所示。需要注意,输入的单

时钟二元码CMI

100

00000

000111111

极性码已经与时钟同步。

本实验系统中采用可编程逻辑器件(PLD 来实现CMI 的编译码。CMI 编码的VHDL 源程序如下:

library ieee;

use ieee.std_logic_1164.all; entity df is

port(invert,clk:in std_logic; q:buffer std_logic; end df;

architecture df of df is signal d:std_logic; begin

d<=q xor invert; process begin

wait until clk='1'; q<=d; end process; end df; library ieee;

use ieee.std_logic_1164.all; entity cmi_code is

port (nrz,clk:in std_logic;

cmi:out std_logic; end cmi_code;

architecture cmi_code of cmi_code is component df

port(invert,clk:in std_logic; q:buffer std_logic; end component; signal a,b:std_logic; begin

cmi<=a when nrz='1' else b; b<= not clk;

u:df port map(nrz,clk,a;

图5.4 CMI编码框图

图4-2 图5.5 CMI编码原理电路图1.5 编码原理电路

图4-3

end cmi_code;

解码采用的思想很简单:当时钟和信码对齐时,如果输入的是11或00,则输出为1;如果输入为01,则输出为0。但是问题的关键在于怎样才可将一序列的码元正确地两个两个分组。经过传输处理后的CMI 码首先要提取位同步时钟,接着抽样判决。此时CMI 码流和发送的码流在波形上没有区别(暂时忽略误码的情况,但将其两个两个分组,却有两种不同的情况。当然,其一是正确的,可以得到正确的译码结果,如果接下来的工作亦是正确的话;而另一种在绝大多数的情况下将导致译码工作的失败。

结合CMI 码流的特点,这里提供了两种可以正确分组的方法:如果在码流中检测到了0101的话,那么就可以将紧接着它们的两个码元分为一组,以此类推;另一种方法更为简单易行,那就是在码流中检测1到0的跳变后,就可以将下降沿后的两个码元分为一组了。一般情况下,第二种方法可以尽快地实现正确的分组。下面的例子具体说明了这两种方法的使用。如图4-4所示:

接下来就是依据编码规则进行译码了。这里列举了三种具体的解决方案:

第一种方案:其原理框图如图4-57所示,原理电路如图4-6所示。从位同步时钟中分

离出两路时钟,它们和位同步时钟同频,但是占空比不一样,两路时钟信号的占空比都是25%。

其区别在于它们的相位相差半个周期。将每组中的两个码元分开,从而形成了第一路信号和第二路信号,在两路时钟的正确作用下比较这两路信号,便可以将CMI 码解译出来。这种方案电路结构简单,各部分功能清晰,易于理解和操作。

CMI 图5.7 方案一的原理框图图4-5

第二种方案:解码方法的本质和第一种相似,差别主要在于找到正确分组的方法不同,它分别用二分频后的时钟的上升沿和下降沿来读取两路信号,其原理框图如图4-7所示。

第三种方案:这里的译码思路稍有变化。CMI 码流经过串并转换后,在二分频后的位同步时钟作用下读出,进行比较译码,其原理框图如图4-8所示。

五、实验步骤

1、实验框图如下图所示。具体实验步骤如下:

2、首先要做的是:在断开电源的情况下,通过正确的跳线来建立一个数字光纤通信系统,这个系统在本实验中传输的是CMI 码(速率为64kbit/s ,所要完成的功能是对CMI 的编译码。由附录B 中的原理电路图集,可以知道:光发模块甲中,首先通过短接帽将跳线XP500的1、2脚相连,开关KS501要选择为传输数字信号(按键抬起即选中数字光源驱动电路;光收发模块甲之间用光纤跳线连接;光收模块甲中,通过短接帽将跳线XP503的5、6脚相连、XP504的2、3脚相连(选择主放大器MAX435放大信号以及XP505的“CMI ”传输,放

图5.10 方案三的原理框图图4-7

图5.10 方案三的原理框图图4-8

TP401

大后的信号流向误码检测模块译码。

3、数字光纤通信系统建立起来后,同学们可以通过键盘和液晶来选择所要传输的码型,本实验中选择CMI码(同样,实验平台加电后,先按复位键,再选择所要传输的码型。此时,测试点TP501、TP502应该能测到编好的CMI码的波形。此时应注意

的是:PLD对输入信号的幅度有一定要求,必须调节光发模块甲的可调电阻RP501、光收模块甲的可调电阻RP505、RP506和RP508,充分放大接收信号。

我们可以在测试点TP504、TP505测试到经过光纤跳线传输后的CMI码波形;跳线后,可在TP507测试到放大后的CMI码,可在TP601探测到译码后的PN(伪随机序列;在测试点TP602我们可以探测到用来译码的64KHz位同步时钟(此时钟由误码检测模块中的数字锁相环提供,因为锁相环会带来抖动,所以比较TP602与TP401的波形时同学们会观察到抖动现象。测试点TP401输出的信号是发送端的PN伪随机序列,系统正是对这个序列进行CMI 编译码的。读者可以比较TP601与TP401的信号(想想为什么两个波形会有时延,也可以比较TP501和TP401的信号,从而验证自己所编写的CMI编译码程序是否正确。各点的参考小型如下:

4、的“CMI”传输,放大后的信号流向误码检测模块译码。

5、数字光纤通信系统建立起来后,同学们可以通过键盘和液晶来选择所要传输的码型,本实验中选择CMI码(同样,实验平台加电后,先按复位键,再选择所要传输的码型。此时,测试点TP501、TP502应该能测到编好的CMI码的波形。此时应注意的是:PLD对输入信号的幅度有一定要求,必须调节光发模块甲的可调电阻RP501、光收模块甲的可调电阻RP505、RP506和RP508,充分放大接收信号。

时钟

二元码CMI

0000000

000

1111 1111

11111

图5.3 CMI码与二元码的转换关系

图4-10

六、实验结果分析

实验五:光接收机灵敏度测试

实验学时:2 实验类型:(验证

实验要求:(必修

一、实验目的

1、理解光接收机灵敏度的概念

2、掌握光接收机灵敏度的测试方法

二、实验内容

光接收机灵敏度的测试。

三、仪器、设备和材料

光纤实验系统,光功率计,光衰减器,示波器,信号发生器,误码仪。

四、实验原理

计算用

dBm

表示的灵敏度

P R 。例如,测得

P min =9.3nW ,则

m W P P R 1lg 10min =d B m 3.50101103.9lg 103

9-=??=--。

在灵敏度测试时,一定要注意测试时间的长短。误码率是一个统计平均的参数,为了确

定测试时间,我们将之写成为:

f m

P b e =

(5.1 式中m 是误码个数,f b 是系统码速,t 是测试时间。由上式可知,在码速确定的情况下,只要在某一定的测试时间内所记录的误码个数少于某一数值,就可以表示出要求的误码率。其最小测试时间应是能检测到误码个数为1(无误码的情况除外的时间,即(3.1式中m =1时所得到的测试时间,它可以表示为:

b P f t 1

光纤通信实验指导书(新格式)(精)

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