光纤通信实验指导书.docx
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光纤通信实验指导书
ZY12OFCom23BH1
光纤通信原理实验系统
电子与信息工程学院电子与通信教学团队
实验指导书
光纤通信系统简介
光纤是光导纤维的简称。
光纤通信是以光波为载频，以光导纤维为传输媒质的一种通信方式。
光纤通信使用的波长在近红外区，即波长800～1800nm，可分为短波长波段（850nm）和长波长波段（1310nm和1550nm），这是目前所采用的三个通信窗口。
光纤通信是人类通信史上一重大突破，现今的光纤通信已成为信息社会的神经系统，其主要优点是：
1、光波频率很高，光纤传输频带很宽，故传输容量很大，理论上可通过上亿门话路或上万套电视，可进行图像、数据、传真、控制、打印等多种业务；
2、不受电磁干扰，保密性好，且不怕雷击，可利用高压电缆架空敷设，用于国防、铁路、防爆等；
3、耐高温、高压、抗腐蚀，不受潮，工作十分可靠；
4、光纤材料来源丰富，可节约大量有色金属（如铜、铝），且直径小、重量轻、可绕性好。
在20世纪70年代，光纤通信由起步到逐渐成熟，这首先表现为光纤的传输质量大大提高，光纤的传输损耗逐年下降。
1972～1973年，在850nm波段，光纤的传输损耗已下降到2dB/km左右；与此同时，光纤的带宽不断增加。
光纤的生产从带宽较窄的阶跃型折射率光纤转向带宽较大的渐变型折射率光纤；另外，光源的寿命不断增加，光源和光检测器件的性能也不断改善。
光纤和光学器件的发展为光纤传输系统的诞生创造了有利条件。
到1976年，第一条速率为44.7MB/s的光纤通信系统在美国亚特兰大的地下管道中诞生。
80年代是光纤通信大发展的年代。
在这个时期，光线通信迅速由850nm波段转向1310nm波段，由多模光纤传输系统转向单模光纤传输系统。
通过理论分析和实践摸索，人们发现，在较长波段光纤的损耗可以达到更小的值。
经过科学家和工程技术人员的努力，很快在1300nm和1500nm波段分别实现了损耗为0.5dB/km和0.2dB/km的极低损耗的光纤传输。
同时，石英光纤在1300nm波段时色度色散为零，这就促使1300nm波段单模光纤通信系统的迅速发展。
各种速率的光纤通信系统如雨后春笋般在世界各地建立起来，显示出光纤通信优越的性能和强大的竞争力，并很快替代电缆通信，成为电信网中重要的传输手段。
光纤通信技术的发展，大致可以分为三个阶段：
第一阶段（1970～1979年）：
光导纤维与半导体激光器的研制成功，使光纤通信进入实用化。
1977年美国亚特兰大的光纤市话局间中继系统称为世界上第一个光纤通信系统。
第二阶段（1979～1989年）：
光纤技术取得进一步突破，光纤损耗降至0.5dBm/km以下。
由多模光纤转向单模光纤，由短波长向长波长转移。
数字系统的速率不断提高，光纤连接技术与器件寿命问题都得到解决，光纤传输系统与光缆线路建设逐渐进入高速发展时期。
第三阶段（1989年至今）：
光纤数字系统由PDH向SDH过渡，传输速率进一步提高。
1989年掺铒光纤放大器（EDFA）的问世给光纤通信技术带来巨大变革。
EDFA的应用不仅解决了长途光纤传输损耗的放大问题，而且为光源的外调制、波分复用器件、色散补偿元件等提供能量补偿，这些网络元件的应用，又使得光传输系统的调制速率迅速提高，并促成了光波分复用技术的实用化。
随着我国国民经济建设的持续、快速发展，通信业务的种类越来越多，信息传送的需求量也越来越大，我国光通信的产业规模不断壮大，产品结构覆盖了光纤传输设备、光纤与光缆、光器件以及各类施工、测试仪表与专用工具。
可以展望：
光纤通信作为一高新技术产业，将以更快的速度发展，光纤通信技术将逐步普及，光纤通信的应用领域将更加广阔。
一个实用的光纤通信系统，要配置各种功能的电路、设备和辅助设施才能投入运行。
如接口电路、复用设备、管理系统以及供电设施等等。
根据用户需求、要传送的业务种类和所采用传送体制的技术水平等来确定具体的系统结构。
因此，光纤通信系统结构的形式是多种多样的，但其基本结构仍然是确定的。
图0-1给出了光纤通信系统的基本结构，也可称之为原理模型。
光纤通信系统主要由三部分组成：
光发射机、传输光纤和光接收机。
其电/光和光/电变换的基本方式是直接强度调制和直接检波。
实现过程如下：
输入电信号既可以是模拟信号（如视频信号、电话语音信号），也可以是数字信号（如计算机数据、PCM编码信号）；调制器将输入的电信号转换成适合驱动光源器件的电流信号并用来驱动光源器件，对光源器件进行直接强度调制，完成电/光变换的功能；光源
输出的光信号直接耦合到传输光纤中，经一定长度的光纤传输后送达接收端；在接收端，光电检测器对输入的光信号进行直接检波，将光信号转换成相应的电信号，再经过放大恢复等电信号处理过程，以弥补线路传输过程中带来的信号损伤（如损耗、波形畸变），最后输出和原始输入信号相一致的电信号，从而完成整个传送过程。
根据所使用的光波长、传输信号形式、传输光纤类型和光接收方式的不同，光纤通信系统可分成：
（1）按光波长划分可以分为短波长和长波长光纤通信系统
类别
特点
短波长光纤通信系统
工作波长：
800nm～900nm；中继距离：
10km
长波长光纤通信系统
工作波长：
1000nm～1600nm；中继距离：
>100km
超长波长光纤通信系统
工作波长：
2000nm；中继距离：
1000km；采用非石英光纤
（2）按光纤特点划分
类别
特点
多模光纤通信系统
传输容量：
100Mbit/s；传输损耗：
较高
单模光纤通信系统
传输容量：
140Mbit/s；传输损耗：
较低
（3）按传输信号形式划分
类别
特点
数字光纤通信系统
传输信号：
数字；抗干扰；可中继
模拟光纤通信系统
传输信号；模拟；短距离；成本低
（4）按光调制的方式划分
类别
特点
强度调制直接检测系统
简单、经济、但通信容量受到限制
外差光纤通信系统
技术难度大，传输容量大
（5）其它
类别
特点
相干光纤通信系统
光接收灵敏度高；光频率选择性好；设备复杂
光波分复用通信系统
一根光纤中传送多个单/双向波长；超大容量，经济效益好
光时分复用通信系统
可实现超高速传输；技术先进
全光通信系统
传送过程无光电变换；具有光交换功能；通信质量高
副截波复用光纤通信系统
数模混传；频带宽，成本低；对光源线性度要求高
光孤子通信系统
传输速率高，中继距离长；设计复杂
量子光通信系统
量子信息论在光通信中的应用
ZY12OFCom23BH1光纤通信原理实验系统简介
本实验箱是为配合《光纤通信》课程的理论教学，结合目前光纤通信工程技术最新进展，为了提高大专院校学生实际操作和动手能力而研制开发的。
一、产品的系统特点
光纤H1型实验箱注重产品的系统和功能组成，产品的设计着重体现系统性、先进性、实用性，并根据市场及客户实际需求，充分考虑工艺外观结构、产品的功能和性价比。
整个系统分电接口终端、光接口终端和光传输三大部分，各自独立又相互关联，所有模块在单独进行实验同时又可系统集联，实验灵活丰富，可设计、可比较、可操作、可观测性强。
整个系统采用256K和2.048M（E1）传输速率，既有利于实验观测，又可以模拟实际光纤传输时的各种性能。
实验紧密结合光通信新技术的发展趋势，将波分复用和光时分复用等新技术都通过实验演示出来，简单易懂。
采用大规模的可编程逻辑器件，使得产品的开放性、可升级性强。
同时为了使学生有更大的开发和操作空间，特意制作了二次开发板，并预留大量的I/O扩展口，可在开发板上独立完成二次开发设计。
所有实验大多采用开关控制，减小了实验操作时的繁琐性。
该实验箱融合了当今的光通信技术发展的一些新技术和新器件，并将其融入到光纤通信原理课程当中，同时与通信原理和程控交换课程的部分原理结合，其主要有以下特点；
1、实验箱采用整板设计，特殊光器件玻璃罩保护，元器件贴片化，模块元件布局完全对称。
所有的测试钩和连接孔均有标识，深蓝色的电路板，白色丝印使得整个电路板层次性强、美观、大方。
2、实验系统将光纤通信原理和教材紧密接合，实验项目和顺序与教材保持完全同步。
通过七个方面全面实验来了解光纤通信的全过程，七个方面分别是：
光纤和光缆；通信用光器件（有源器件和无源器件）；数字光纤通信系统（光发、光收端机）；模拟光纤通信系统；光纤通信新技术；光纤通信测量技术；光纤通信网络。
3、系统采用整板上分模块的设计方式，各种系统组建灵活，可根据不同的实验搭建成模拟、数字、计算机、图像、语音及混合光纤传输系统等不同的实验系统。
4、电路实现上采用大规模CPLD/FPGA，使得产品的开放性和可升级的空间加大。
专门设计制作了可供学生进行二次开发实验的扩展板，并预留了大量的I/O口，可以方便的使学校在原有硬件电路的基础上开发新的实验内容。
5、E1标准帧结构信号和256K两种传输速率，时分复用时的复用数据和复用方式灵活，使得实验箱的传送方式更加多样，在通过对比的基础上更加深入地了解复用的原理；E1标准帧结构形成时的话路时隙可变，更加生动、直观的体现了E1标准帧结构的结构和形成原理；时分解复用时采用终端显示，可直观地通过对比的方式检验复用解复用过程的正确性。
6、同一实验箱中具备通用的三个低损耗光纤通信端口（850nm、1310nm、1550nm）；光发送机和光收端机分模块设计，使得学生可以更加直观地了解激光器的调制和解调，即电-光，光-电的转换原理过程；光发送和光接收分别采用分立元件（1310nm）和集成电路（1550nm）来实现，且电路参数可调，可通过特定的测试点来观测光发送和光接收本质原理的实现过程；
7、光发送时加入自动光功率控制电路，使得激光器的输出更加稳定，同时有利于对自动功率控制原理的理解；光接收时在以有前置放大和主放大的基础上，加入了信号的判决和再生，可以通过判决前后眼图的形状的不同深入的理解信号在光纤传输中的衰减特性和光接收的原理。
8、5B6B、5B1P、5B1C、CMI、HDB3编译码和扰码解扰码等光纤线路码型的加入，及其各自传输时的不同特性，使得学生可以进一步了解线路码型在光传输过程中的作用；无光告警、寿命检测电路的加入，有利于对光传输进行监测；E1速率信号光纤传输时的不中断法误码监测、误码指示及误码率、误码扩散系数的测量，使得学生更加深一步的了解光纤传输的特性。
9、各种光无源器件的使用方法及其特性的测试，使得教学和实际紧密地结合在了一起；波分复用+时分复用技术、电话热线呼叫时交换技术的使用，使得在两台实验箱完成四部电话的全双工通信成为可能，从而完全模拟实际的电话通信系统；如果在光发和光收之间加入裸光纤，则可以实现两台实验箱几十公里长距离间的传输，语音、图像、计算机数据信号的单光纤传输，使得实验更加完整地体现了光纤发展新技术的要求。
10、整个实验系统大多采用开关控制，尽量少的使用连线，模块功能清晰，系统结构紧凑，操作方便，并且在设计时加入了大量的保护电路，安全性强
二、主机箱及系统模块简介
主机箱包含了光纤通信系统设备中的各个主要组成部分，具体由以下十三个模块组成。
其印刷电路板布局图如图0-2所示，每个模块均留出了关键的测试孔和测试钩，利于客户连线做系统实验以及测试用。
图0-2ZY12?
OFCom23BH1型光纤通信原理实验箱布局图
1、电源模块：
提供实验箱各模块电源。
2、串口通信模块：
主要用来实现实验箱与计算机之间的数据通信。
3、PCM编译码模块：
实现PCM编译码的功能。
4、电话信令控制模块：
实现电话之间的热线接续和控制功能。
5、模拟信号源模块：
用于产生系统实验所需的模拟正弦波、方波信号。
6、数字信号源模块：
产生系统实验所需的数字信号及24位伪随机码，速率为64KB/s,其中各种数字信号和伪随机码的制可以通过拨码开关来控制。
7、数字终端模块：
实现终端数字信号值的显示和读出，数据的值通过二极管发光来显示。
8、电终端模块：
实现帧同步码的产生，M序列为随机信号的产生，不同速率的信号的复用和解复用，HDB3码的编译码。
9、光终端模块：
实现光纤线路码的码型的编译码，比如5B6B、5B1P、5B1C、CMI、扰码和解扰码。
10、1310nm光发送模块：
实现模拟信号、数字信号在1310nm光发送机中的光传输及自动光功率控制功能（采用电路来实现）。
11、1550nm光发送模块：
实现模拟信号、数字信号在1550nm光发送机中的光传输及自动光功率控制功能（采用专用芯片来实现）。
12、1310nm光接收模块：
实现1310nm光纤传输信号的接收，实现接收信号光电转换，滤波及放大，将其恢复为标准的电脉冲数据信号
13、1550nm光接收模块：
实现1550nm光纤传输信号的接收，实现接收信号光电转换，滤波及放大，将其恢复为标准的电脉冲数据信号
客户可以通过上述十三个模块以及相应的配件，灵活组成各种不同光纤通信系统，如：
850nm波长光纤通信系统、1310nm波长光纤通信系统、1550nm波长光纤通信系统；同时也可以组成单模光纤通信系统、多模光纤通信系统；模拟光纤通信系统、数字光纤通信系统；时分复用传输系统和波分复用传输系统等光纤通信工程中常用的绝大多数光纤通信系统。
实验系统基本组成方框图如图0-3所示：
图0-3光纤传输实验系统方框图
实验系统主要由光发模块、光收模块、光无源器件和辅助通信模块等组成。
光发端机完成将电信号直接调制至光载波上去，采用强度调制（IM）；光接收机完成光信号的解调，采用直接检测（DD），属于非相干解调。
光载波由半导体光源产生，由半导体光检测器将光信号转换成电信号从而达到传输信号的目的。
本实验系统可以完成模拟信号（正弦波、三角波、视频信号、音频信号）的光纤传输，也可以完成数字信号（NRZ码、CMI码、5B6B码、5B1C码、5B1P码、计算机串口数据）的光纤传输，也可以对系统的传输性能进行测试（系统的误码率、误码扩散系数等）；可以实现接口码型HDB3、线路码型CMI、电终端PCM码型的编译码；也可实现四个时隙的复接、两个光波长的波分复用、时钟提取、帧信号的提取等实用先进功能；也提供了丰富的资源，以实现二次开发实验。
实验设备的具体性能指标如下：
1、电源模块输出：
+5V、+12V、-5V、-12V、-48V
2、方波信号输出
（1）时钟信号：
32.768MHz，12.000MHz
（2）方波信号：
2.048MHz，256KHz，64KHz，8KHz
（3）数字基带信号：
码速率分别为2.048MHz,256KHz，64KHz
（4）频率输出误差：
≤±1%
（5）占空比:
50%。
3、正弦波信号输出
（1）正弦波信号：
2KHz，1KHz，444Hz，25Hz，
（2）频率输出误差：
≤±1%
（3）幅度0V~5V连续可调
4、三角波信号输出
（1）三角波信号:
2KHz，1KHz
（2）频率输出误差：
≤±1%
（3）幅度：
0~5V连续可调
5、数字、模拟电话
（1）话音质量要求：
话音质量要求清晰，只允许有少量的脉冲噪声。
（2）其它指标无要求。
三、配件简介
ZY12OFCom23BH1实验箱的配件共两部分：
一部分装在无源器件箱内，一部分本身有独立包装，则单独配备。
1、无源配件箱
如图0-4所示，为供客户选配的光纤通信原理配件箱。
最大容量可装载：
波分复用器两个Y型分路器一个
FC-FC单模光跳线两根ST-FC多模光跳线两根
FC-FC多模光跳线一根ST-ST多模光跳线一根
850光发端机一个850光收端机一个
FC-FC适配器一个小可变衰减器一个
CPLD芯片一块下载线一根
串口线两根带弹片连接线20根
三相电源线一根实验指导书一本
教师用书一本实验报告一本
发货光盘一张保修卡一张
2、第二部分配件
共有如下几种：
普通电话机两部扰模器一台
光功率计一台误码仪一台
视频传输配件（小电视机一台、摄像头一个、视频线两根）一套
图0-4无源器件箱示意图
光纤实验箱使用注意事项
光学器件属于昂贵易损器件，所以在实验操作过程中应加倍小心，防止光学器件的损坏，为了保证实验顺利地进行，请注意以下事项：
1、请仔细阅读实验指导书操作步骤后开机实验，实验各测试点、跳线及开关说明请参考附录
，正确连接导线，以免造成光学器件和芯片的损坏。
2、实验箱使用过程中应有防静电措施，以防静电损坏光学器件。
3、光学器件属于昂贵器件，在安装和拆卸过程中请注意轻拿轻放，遇到问题须及时向老师报告。
4、实验时不可将光纤输出端对准自己或别人的眼睛，以免损伤眼睛。
5、实验箱使用完毕后，请立即将防尘帽盖住光纤输入、输出端口，用光纤端面防尘盖盖住光纤跳线端面，防止灰尘进入光纤端面而影响光信号的传输。
6、若不小心把光纤输出端的接口弄脏，需用酒精棉球进行清洗。
7、光纤跳线接头应妥善保管，防止磕碰，使用后及时戴上防尘帽。
8、不要用力拉扯光纤，光纤弯曲半径一般不小于30mm，否则可能导致光纤折断。
9、进行光纤传输实验时，半导体激光器驱动电流不要超过40mA，发光二极管驱动电流不要超过60mA。
10、不要用手触摸激光器和探测器的焊点，以免烧坏激光器与探测器。
实验一用户电话接口实验
一、实验目的
1、掌握用户电话接口电路的主要功能
2、了解实现用户接口电路功能芯片Am79R70的主要性能和特点
二、实验内容
1、掌握用户线接口电路的主要功能
2、了解Am79R70的结构和工作原理
3、了解电话接续的原理及其各种语音控制信号的波形
三、实验仪器
1、ZY12OFCom23BH1型光纤通信原理实验箱1台
2、20MHz双踪模拟示波器1台
3、电话机2部
4、连接导线20根
四、实验原理
1、用户线接口电路功能及其作用
在现代通信设备与程控交换中，由于交换网络不能通过铃流、馈电等电流，因而将过去在公用设备（如绳路）实现的一些功能放到“用户电路”来实现。
在程控交换机中，用户电路也可称为用户线接口电路（SubscriberLineInterfaceCircuit—SLIC）。
根据用户电话机的不同，用户接口电路可分为模拟用户电话接口电路和数字用户电话接口电路。
模拟用户电话接口电路与模拟电话相连，数字用户电话接口电路和数字自终端相连（如ISDN），而在此实验箱中采用模拟用户电话接口电路。
模拟用户线接口电路在实现时最大的压力应是能承受馈电、铃流和外界干扰等高压大电流的冲击，过去都是采用晶体管、变压器、继电器等分立元件构成，但随着微电子技术的发展，各种继集成的SLIC相继出现，他们大都采用半导体工艺或是薄膜、厚膜会和工艺，性能稳定，价格低廉，以实现了通用化。
在程控交换机中用户接口电路一般要具有B（馈电），R（振铃），S（监视），C（编译码），H（混合），T（测试），O（过压保护）七项功能。
具体含义是：
1、馈电（B-Batteryfeeding）：
向用户话机馈送直流电流。
通常要求馈电电压为-48V，环路电流不小于18mA。
2、过压保护（O-Overvoltageprotection）：
防止过压过流冲击损坏电路和设备。
3、振铃控制（R-RingingControl）：
向用户话机馈送铃流，通常为25Hz/75Vrms正弦波。
4、监视（S-Supervision）：
监视用户线的状态，检测话机摘机、挂机与拨号脉冲灯信号已送往控制网络和交换网络。
5、编解码与滤波（C-CODEC/Filter）：
在数字交换中，它完成模拟话音与数字码间的转换。
编译码通常采用PCM码的方式，其编码器（Coder）和译码器（Decoder）统称为CODEC。
相应的防混叠与平滑低通滤波器的带宽范围为：
300Hz~3400Hz，编码速率为64Kb/s。
6、混合（H-Hybird）：
完成二线与四线的转换功能，即实现模拟二线双向信号与PCM发送和接收数字四线信号之间的分离。
7、测试（T-Test）：
对用户电路进行测试。
模拟用户接口电路的结构如图所示：
图1-1模拟用户接口电路框图
2、用户线接口电路
在本实验箱中，用户线接口电路芯片选用Legerity公司生产的模拟用户线接口芯片Am79R70。
Am79R70是一种功能较强的用户线接口芯片，它拥有用户接口电路常用的7种功能外，还拥有电流限制、挂机传输、极性反转和环路检测等功能。
其内部电路结构原理框图如下：
图1-2Am79R70内部功能模块图
其中Am79R70需要VCC，VEE，VBAT1，VBAT2四种电源电压。
其中VCC为+5V，VEE为-5V，此电压可由Am79R70内部的负电压调整可得。
VBAT2的电压幅度范围为-19～-48V，VBAT1的电压幅度范围为-40～-67V，标准值为-48V。
振铃、环路状态检测的功能主要通过控制字输入端C3，C2，C1及摘挂机检测输出端/DET来控制，当C3C2C1输入为001时，Am79R70处于振铃模式，当C3C2C1输入不是001时，Am79R70进入其他工作模式，同时使与其相连的话机振铃截止。
当C3C2C1输入为010时，话机处于通话状态。
Am79R70的/DET脚的输出可以指示用户的摘挂机状态，当用户摘机时，Am79R70的/DET脚输出低电平，挂机时输出高电平。
其工作过程如下：
当用户1摘机时，与它相连的Am79R70的/DET脚输出低电平，以向中央控制处理单元指示用户1已经摘机。
此时中央控制处理单元向用户1的Am79R70的控制端C3C2C1输出010使其处于通话连接状态，同时对用户1的摘机的信息进行处理。
在通话连接状态下，用户的信息经过Am79R70的两线接口及信号传输模块可以直接输出到编解码芯片和收发器。
中央控制单元根据用户1的所拨的号码定位到用户2，并向与用户连接的Am79R70的控制端输出001，以使得用户2所连接的Am79R70处于振铃状态。
在振铃状态下，Am79R70将铃流电路产生的RV通过RINGIN脚输入到Am79R70内，经内部放大后通过两线接口模块输出到用户线，使得用户2的电话机振铃。
当用户2摘机后，它相连的Am79R70的/DET脚输出低电平，以向中央控制处理单元指示用户2已经摘机。
此时中央控制处理单元向用户2的Am79R70的控制端C3C2C1输出010使其处于通话连接状态，同时停止振铃。
这样，用户1和用户2就可以通过Am79R70进行通话。
3、用户接口电路的电路原理图
用户接口电路和电话接续实验将主要完成振铃、回铃、忙音、摘挂机监测、电话传送语音信号测试等功能。
此部分实验需要结合电话信令控制模块来完成，电话信令控制模块主要用产生忙音、回铃、振铃控制等信号来完成电话之间的接续功能。
用户接口电路的原理图如下：
图1-3用户接口电路原理图
用户接口模块的基本原理：
用户接口模块主要由Am79R70及相应的一些外接电路组成，用户话机是通过电话接头内的TI、RI（即图中的J3）与系统相连，二极管D1主要用来完成摘挂机的检测功能，当两部电话中的任何一部电话摘机时相应的二极亮表示处于摘机状态。
测试钩TP4,TP5主要用来测试本方话机的输入和输出模拟信号。
在这里，输入的信号可以是以下几种类型的信号：
3.1来自PCM模块的话音信号。
3.2来自信令控制模块的各种音信号（回铃、振铃、忙音信号）。
信令控制模块主要通过对两部电话的状态检测来产生各种控制信号，如回铃信号、忙音信号、振铃信号，以完成两部电话之间的热线接续功能。
其中热线呼叫的流程图如下：
开始
有用户呼叫吗？
NO
升级会员 