光通信实验系统实验指导书.docx
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光通信实验系统实验指导书
实验一：
实验5&实验9………………………………………………2
实验二：
实验7…………………………………………………………11
实验三：
实验8&实验11……………………………………………13
实验四：
实验25………………………………………………………19
注：
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实验一：
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实验5半导体光源P-I特性曲线测试
一、实验目的：
1.了解光源和光发送机的电光转换原理；
2.了解半导体光源的发光特性；
3.比较LD和LED的P-I特性的区别。
二、实验原理：
1.激光二极管的基本结构和工作原理：
在半导体激光器重要形成激光，需要具备以下两个基本条件，一是有源区里产生足够的粒子数反转分布，二是存在光学谐振腔机制，并在有源区里建立起稳定的震荡。
图5.1示出的是双异质结（DH）激光器的条形结构，这种结构由三层不同类型的半导体材料组成，不同材料发射不同的光波长。
结构中间有一层厚
窄带隙P型半导体，称为有源层；两侧分布为宽带隙的P型和N型半导体，称为限制层。
三层半导体置于基片（衬底）上，前后两个晶体解理面作为反射镜构成法布里-珀罗（F-P）谐振腔。
图5.2所示为DH激光器的工作原理。
由于限制层的带隙比有源层宽，施加正向偏压后，P层的空穴和N层的电子注入有源层。
P层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入的电子形成了势垒，注入到有源层的电子不可能扩散到P层。
同理，注入到有源层的空穴也不可能扩散到N层。
这样，注入到有源层的电子和空穴被限制在厚
的有源层内形成粒子束反转分布，这时只要很小的外加电流，就可以使电子和空穴浓度增加而提高效率。
另一方面，有源层的折射率比限制层高，产生的激光被限制在有源区内，因而光电转换效率很高，输出激光的阀值电流很低，很小的散热体就可以在室温连续工作。
2.发光二极管的基本结构和工作原理：
在光纤通信中使用的光源，除了半导体激光器（LD）以外，还有半导体发光二级管（LED）。
LED和LD的工作原理不同，LD发射的是受激辐射光，LED发射的是自发辐射光。
LED的结构和LD相似，大多是采用双异质结（DH）芯片，把有源层夹在P型和N型限制层中间，不同的是LED不需要光学谐振腔，没有阀值。
LED是由GaAsAl类的P型材料和N型材料制成，在两种材料的交界处形成了PN结。
若在其两端加上正偏置电压，则N区中的电子和P区中的空穴会流向PN结区域并复合。
复合时电子从高能级范围的导带跃迁到低能级范围的价带，并释放出能量约等于禁带宽变
（导带和价带只差）的光子，即发出荧光。
发光电二极管有两种类型，如图5.4所示：
一类是正面发光型LED，另一类是侧面发光型LED。
两者相比较而言，侧面发光型LED驱动电流较大，输出光功率较小，但由于光束辐射角较小，和光纤的耦合效率较高，因而入纤光功率比正面发光型LED大。
LED的P-I特性曲线如图5.5所示，在低注入电流范围内其线性程度比LD好，且不存在
，所以LED适合用在光纤模拟通信系统中。
LED光功率的温度稳定性也比LD好，其功率温度系数约为
（称为负温度系数），即LED光功率随温度上升而缓慢减小。
LED的输出光功率最大可达几个mW。
三、实验步骤：
本实验项目为：
半导体光源（LD）的P-I特性曲线测试，其中P为平均发送光功率，I是注入电流，测试框图如图5.6所示，其中S、R为活动连接器，RP103为可变电阻，位于数字光发送电路的上方。
本实验具体的实验步骤为：
1.码型发生器自A点（实验箱TP102）给光发送机送方波信号作为测试信号。
实验时，通过键盘选择方波信号（平台加电后，先按下“复位”键复位系统，待出现“请选择”提示后，选择“方波”并按下“确认”），此时，TP102处应该能够测到方波信号。
为了把数字信号发往线路，除了要用开关KP101选择数字信号输入（开关推向“数字”），还需要通过KP102选择模拟光源和数字光源驱动电路，本实验中选择数字光源驱动电路（开关推向“数字”即可）。
2.用光纤跳线连接光发送模块A的光输出和光功率计，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.此时，测LD负载电阻（R=R105+RP103）电压的方法，将万用表电压量程拨至2.5V档，万用表黑表笔接测试点（A单元TP103、B单元TP203），红表笔接VCC电源正极或（A单元N101（D）8脚、B单元N201（D）8脚），模/数检测切换可将（A单元KP102、B单元KP203）拨至对应位置，V/R=I。
R可用万用表
档直接测得，测得的电压除以电阻值R=R105+RP103（注：
测电阻值时应该将平台供电切断），其中R105是51Ω的固定电阻，RP103阻值为TP103和VCC之间的阻值，这样便可以得到注入电流I。
改变RP103的阻值，得到一组数据，我们便可以绘制P-I特性曲线。
说明：
试验中为了防止烧坏光发送组件，电流的调节范围是有限的（大概30mA左右），因此测得只是P-I曲线的一段，但并不妨碍整个P-I曲线的测量。
四、实验报告要求：
画出P-I曲线图，并根据曲线特性分析光源是LED还是LD。
如果是LD，其阈值电流是多少？
五、思考题：
1.为什么激光器的P-I曲线具有阈值特性？
2.激光器的P-I曲线和LED有什么不同？
实验9光线路码实验
一、实验目的：
1.了解光纤传输系统为什么要进行码型变化；
2.掌握CMI编译码的原理；
3.比较CMI码、PCM码和PN码的特点。
二、实验原理：
1.CMI编码原理：
码型变换的含义广泛，本实验中介绍的码型变换是指线路码的编码和译码，我国规定了几个在公用网上的码型：
5B6B、CMI、扰码二进制、1B1H等。
实验中将具体介绍CMI的编解码。
CMI（CodedMarkInversion）即编码传号反转，表9.1给出了其编码规则，传号1由11和00交替表示（若前一个1为11，则当前1采用00表示，如此类推），而空号0则固定地用01表示。
表9.1CMI编码规则
输入二元码
CMI码型
0
01
1
00和11交替出现
图9.1给出了CMI编码的波形示例，由于一个码元变成了两个，因此它属于二电平的1B2B码。
CMI具有双相码的特点，不怕信道相位的反转（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），并且具有一定的纠错能力，易于实现，易于提取定时时钟，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为四次群（139.264Mbit/s）的接口码型。
图9.2给出了CMI的编码原理框图，编码电路接收来自信号源的单极性非归零码（NRZ），并把这种码型变换成为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，使时钟反向输出，电路原理如图9.3所示。
实验系统中采用了可编程逻辑器件（PLD）来实现CMI的编译码。
CMI编码的VHDL源程序如下：
libraryieee;
useieee.std_logic_1164.all;
entitydfis
port（invert,clk:
instd_logic;
q:
bufferstd_logic）;
enddf;
architecturedfofdfis
signald:
std_logic;
begin
d<=qxorinvert;
process
begin
waituntilclk='1';
q<=d;
endprocess;
enddf;
libraryieee;
useieee.std_logic_1164.all;
entitycmi_codeis
port（nrz,clk:
instd_logic;
cmi:
outstd_logic）;
endcmi_code;
architecturecmi_codeofcmi_codeis
componentdf
port（invert,clk:
instd_logic;
q:
bufferstd_logic）;
endcomponent;
signala,b:
std_logic;
begin
cmi<=awhennrz='1'elseb;
b<=notclk;
u:
dfportmap（nrz,clk,a）;
endcmi_code;
2.CMI译码原理：
解码的思路很简单，当时钟和信道码对齐时，如果输入的是“11”或“00”，则输出“1”；如果输入的是“01”，则输出“0”。
问题的关键是怎样将一系列的码元正确地2个2个分组。
经过传输以后的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（忽略误码情况），但是2个2个分组，却有两种不同的情况，一种是正确的，可以得到正确的结果，而另一种则会导致译码的错误。
结合CMI码流的特点，有两种可以正确分组的方法：
a.如果在码流中检测到了0101的，那么可以讲紧挨着的2个码元分为一组；
b.如果在码元中检测到1到0的跳变后，则可以将下降沿后的2个码元分为一组。
一般情况下，方法b更可以尽快地实现正确分组，接下来就是根据编码规则进行译码了，这里介绍三种具体的解决方案：
第一种方案：
原理框图如图9.4所示：
从位同步时钟分离出两路时钟，他们和位同步时钟同频，但是占空比不同，两路时钟的占空比都是25%，但是两者之间相差半个周期，这样就可以将每组中两个码元分开，从而形成第一路和第二路信号，在两路时钟信号的正确作用下比较两路信号，便可以将CMI编译出来。
第二种方案：
原理框图如图9.5所示：
可以看到，方案二本质上和一是一致的，差别在于找到正确分组的方法，它利用二分频以后的上升沿和下降沿来读取两路信号，即码流检测的方法b。
第三种方案：
原理框图如图9.6所示：
这里的译码思想稍有变化，CMI码流经过串并转换后，在二分频的位同步时钟的作用下读出，进行比较译码。
三、实验步骤：
了解了CMI的编译码原理以后，下面就可以开始动手验证了，在实验平台CMI编译码的框图如图9.7所示：
具体的实验步骤如下：
1.首先将键盘功能键选择为“CMI”并按确认键确认；
2.光发送单元A的功能开关KP101、KP102拨向数字端，光收单元A的KP103拨向数字端、KP104拨向PNOUT端、TP107的直流电压应调整在1.5V左右（联合调节RP107、RP104、RP108的阻值），XP105的两个短路帽分别插入“CMI”和“PNOUT”功能脚位置；
3.此时将示波器“CH1”检测棒接地端接光发送单元A的接地端，检测端接TP102监测点，“CH2”检测棒接地端接“误码检测单元”的接地端，检测端接TP601时使用65kHz的同步时钟信号输出，接TP602时使用清晰的编码反转信号（CMI码）；
4.在光接收模块A测试点TP104和TP105可以测试到经光纤跳线传输以后的CMI码波形，同时在TP107可以测到放大以后的CMI波形；在TP602可以探测到译码以后的CMI码；在测试点TP601可以探测到用来译码的64kHz的同步时钟；测试点TP501输出的是CMI码，系统正是对输入信号进行CMI编码的，实验时可以比较TP602和TP501的波形，观测两个信号是否产生延迟。
五、实验报告要求：
1.记录实验中各测试点的波形。
2.比较分析观测波形和理论波形是否一致，分析不一致的原因。
六、思考题：
为什么要对传输的信息进行码型变换？
光通信中一般采用哪些码型变换？
实验二：
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实验7平均发送光功率的测试
一、实验目的：
1.了解数字光发送端机平均发送光功率的指标要求，平均发送光功率和注入电流的关系；
2.掌握平均发送光功率的测试：
3.观察不同编码下的平均光功率值（结合线路码型实验）。
二、实验原理：
光端机的平均发送光功率指的是在正常工作条件下光端机输出的平均光功率，即光源尾纤输出的平均光功率。
平均发送光功率指标和实际的光纤线路有关，在长距离的数字通信系统中，要求有较大的平均发送光功率；在短距离的光纤数字通信系统中，要求较小的平均发送光功率，因此，设计需要根据实际情况确定合适的数字，而不是越大越好。
测试时，应该注意以下几个问题：
1.测试信号的问题。
根据ITU-T的建议，不同码速的光纤数字通信系统要求送入不同的PCM测试信号，例如2.048Mbit/s的数字系统要求送入的
伪随机码；139.264Mbit/s的数字系统要求送入的
伪随机码；
2.连接器的问题。
用光纤跳线分别插入光发送端连接器和光功率计连接器，此时从光功率计读出的就是光端机进入光纤线路的平均发送光功率，注意的是光端机的平均发送光功率应该考虑发端连接器的损耗，即测得的光功率P是考虑了发端连接器的损耗的；
3.光功率计的问题。
有的光功率计可以直接读dBm，若只能读mW或μW，应该换算成dBm，具体计算公式为：
（公式7.1）
同时需要说明的是，平均光功率和PCM信号的码型有关，NRZ码比RZ码（占空比50%）要高3dB（想想为什么），此外，平均输出光功率和注入电流有关，测试应该在正常的注入电流条件下进行。
三、实验步骤：
平均光功率测试的框图如图5.6所示。
实验平台采用2M的伪随机码来测试平均光功率（为了简化设备，系统中的PN序列长度只有15位），具体的实验步骤如下：
1.将设备复位，选择“PN”按下“确认”键确认，示波器频率档选在
电压量程档选在2V档；
2.将开关KP501拨向“PN2M输出”，选择系统内部产生的2M伪随机码序列，将光发送单元A的功能开关KP101和KP102拨向“数字”；
3.示波器接地端接光发送单元A的GND，测试端接TP102此时可看见清晰的PN伪随机码波形；
4.用光纤跳线分别插入发送端连接器和光功率计的输入连接器插头，连接光发送端的光输出和光功率计；
5.从光功率计上显示平均光功率值。
同样，也可以选择从键盘输入“方波”或“CMI码”，可以观测光功率的变化。
四、实验报告要求：
1.分别用dBm和mW表示所测得的2MPN码发送机平均功率。
2.分别用dBm和mW表示所测得的2MCMI码发送机平均功率。
五、思考题：
为什么不同的线路码型具有不同的平均光功率？
实验三：
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实验8消光比EXT测试
一、实验目的：
了解数字光发送端机的消光比的定义及其测试方法。
二、实验原理：
从理想状态讲，当数字电信号为“0”时，光发送机应该不发光，只有当数字电信号为“1”时光发送机才发出一个传号光脉冲。
但实际上这是不可能的。
以LD为例，由于要对它进行予偏置，且使其偏置电流Ib略小于阀值电流Ith。
因此即使在数字电信号为“0”的情况下，LD也会发出极微弱的光（荧光）。
当然这种发光越小越好，于是就引出了消光比的概念。
消光比的定义是：
“1”码光脉冲功率和“0”码光脉冲功率之比。
在这里我们采用一种简便的说法。
实际上更严格的说法是：
电信号“1”码输入时光发送机的发光功率和电信号“0”码输入时光发送机的发光功率之比。
消光比的测试原理是：
首先将光端机的输入信号断掉，测出的光功率即为P00，即对应输入数字信号全部为0的时候的光功率；然后选择信号源输入PN序列，和测试平均发送光功率时相同，由于伪随机码的“0”码和“1”码概率相等，因此全“1”码的光功率应该是伪随机码时平均光功率的2倍，即P11=2P，消光比计算公式为：
（公式8.1）
此外，消光比还有以下的表达式：
（公式8.2）
三、实验步骤：
消光比的测试框图如图5.6所示
具体的测试步骤如下：
1.将开关KP501拨向“PN2M输出”，选择系统内部产生的2M伪随机码序列；
2.选择光发送模块A，开关KP102选择传输模拟信号，不输入信号，此时将光功率计和光发送模块A之间通过光纤跳线连接起来，测得的光功率即为P00；
3.选择光发送模块A，KP101选择“数字”，KP102选择“数字”，平台加电后，复位系统，通过键盘选择产生2M的PN数字序列，并将光功率计和光发送模块A之间用光纤跳线连接起来，测得的光功率即为P11的一半；
4.按照计算公式8.1计算消光比EXT。
四、实验报告要求：
记录实验过程，计算光发送机甲的消光比，并给予评价。
五、思考题：
为什么全零码时，光发送机的平均光功率不等于零？
这对系统性能有什么影响？
实验11光接收机灵敏度测试
一、实验目的：
1.熟悉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、实验原理：
灵敏度是光接收机的重要指标之一，它表示接收机接收微弱信号的能力，是系统设计的重要依据。
光灵敏度的定义是：
在给定误码率或信噪比的条件下，光接收机所能接收的最小平均光功率。
在测量接收机灵敏度时，首先要确定系统所要求的误码率指标，对于不同的光纤数字通信系统，其误码率指标是不一样的。
一般来讲，接收机要求的误码率越小，则灵敏度越低，即要求接收的光功率越大，因此灵敏度并非是一个固定不变的值，它和误码率的要求有关，测量时先确定系统的要求的误码率，再测在该误码率条件下的灵敏度的数值。
光接收机的灵敏度定义为最小平均光功率，而不是指达到系统所要求的误码率所对应的光功率。
对某一接收机来讲，光功率只要在它的动态范围内变化，都能确保系统要求的误码率，但灵敏度只有一个，即接收机所能接收的最小光功率。
灵敏度指的是平均光功率，而非峰值功率，因此光接收机的灵敏度就和传输信号的码型有关。
码型不同，占空比不同，平均光功率也就不同，灵敏度也就不同。
对于NRZ和RZ两种码型来讲，对比可以发现，当“1”码和“0”码概率相等时，NRZ的平均光功率要比RZ大3dB，因此测试灵敏度需要选择合适的码型。
灵敏度的单位一般用dBm来表示，它表示已1mW功率为基础的绝对功率电平，设测得的最小平均光功率为
，则灵敏度可以表示为：
（公式11.1）
例如，当
时，其最小平均光功率就是
，
越小，接收机的灵敏度就越高。
光接收机灵敏度测试框图如图11.1所示，将误码测试仪和光可变衰减器和光线数字通信系统相连接。
误码分析仪向光端机送入测试信号，PCM测试信号为伪随机码，长度为
。
调整衰减器，逐步增加光衰减，使输入光接收机的光功率逐步减少，使系统处于误码状态。
然后，逐步减少光衰减器的衰减，逐渐增加光接收机的输入光功率，使误码逐渐减少，当在一定的观察时间内，使误码的个数少于某一要求时，即达到系统所要求的误码率。
在稳定工作一段时间后，从R点断开光端机的连接器，用光纤测试仪连接R点和光功率计，测试测得的光功率为
，即为光接收机的最小可接收功率。
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，为了确定时间，使用以下的公式：
（公式11.2）
公式（11.2）中m是误码个数，
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，其最小测试时间是应能检测到误码个数为1的时间，即式中设m=1时所需要的测试时间，它可以表示为：
（公式11.3）
由公式（11.3）可见，最小测试时间和码速和误码率均有关，各类系统误码率不同时，光接收机的灵敏度测试时间t如下表所示：
表11.1灵敏度测试的最小时间
2M
8M
34M
140M
8min
2min
29.1sec
7.14sec
5min
1.2min
50min
1min
应该指出，t是要求某一误码率是，光接收机灵敏度测试的最小时间，实际上测试时间应大于此时间，才能使测试结果更为准确。
三、实验步骤（按照系统调试基础将A通道调试好）：
光接收机A灵敏度测试步骤如下：
1.首先按设备的复位键复位，选择PN，按下确认键确认，示波器检测频率档选在1μs，电压量程档选在2V档；
2.将光发送单元A的功能开关KP101和KP102拨向数字端，将光接收单元A的功能开关KP103置数字端、KP104置PNAGC端，功能选择插座XP105上的两个短路帽分别插入PNOUT和PNAGC的功能脚位内使之连接选通，将数字信号产生电路中的开关KP501选择PN2M输出端，选择传输的是系统内部产生的2M伪随机序列，N的取值为4；
3.示波器CH1检测棒接地端接光发送单元A的接地端GND，测试端接TP102，此时可看见清晰的PN序列信号波形，示波器CH2测试棒接地端接光接收单元A的接地端GND，测试端接TP107，重点调整RP107和RP108将不失真信号调至最大，同时调整RP108将测试端TP108上的直流电位调至1.5V±0.5V左右；
4.当电路工作于“PN伪随机”状态时，首先调可调电容C713，重点调整C721，同时辅助调整可调电阻RP702使PN信号逐步同步，同步锁定指示灯LED601逐步熄灭，LCD显示的误码数逐步减小，反复调整光接收单元A和锁相环电路的相关调整点使PN信号最终走向同步锁定；
5.按图11.1将光衰减器接入光发送模块A和光接收模块A间，调节可变光衰减器增大衰减使液晶屏误码显示跳动，记录此时的光功率PR；
6.如果实验室没有配备光衰减器，可以通过实验平台中的电路衰减器来模拟光路衰减。
调节光接收模块A的可调电阻RP107，降低MAX435的放大倍数来模拟线路上的衰减。
当衰减足够大时，将超出AD603的自动增益控制范围，致使其输出信号幅度锐减，误码计数渐增。
实验平台的误码测试功能虽然不像误码分析仪那样齐全，但可以通过液晶屏幕显示的误码个数来自定义误码率，比如说1分钟出现了10个误码，调节上述可变电阻，减小电路中衰减，直到误码符合刚自定义过得要求，可以测试MAX435的输出波动很小，模拟了输入光功率也很小。
四、实验报告要求：
根据实验情况，自定义一个合适的误码标准，并记录实验过程，分析系统灵敏度。
五、思考题：
接收到的光功率增大时，误码率会减小吗？
如果接收到的光功率一直增加下去，会有什么现象？
实验四：
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实验25模拟话音光传输实验
一、实验目的：
1.熟悉光纤通信模拟电话原理；
2.了解系统的性能和测试；
3.熟悉每一测试点的波形。
二、实验原理：
话音电话光纤传输实验系统框图如图25.1所示：
我们的模拟通信采用的是光强调制系统。
这是一种最简单的调制方式。
模拟信号是一种基带信号，它没有经过任何调制而去直接调制光源。
模拟基带直接强度调制光通信系统是所有光通信系统中设备最简单和成本最低的一种光纤通信系统。
适用于小容量短距离光纤通信，特别适用于频带较宽的电视信号传输。
由于直接强度调制方式光功率的时间响应直接和电信号功率的时间响应成正比，为此，要使信号进行不失真的传输，就要求直接光强调制光纤通信系统中的光/电和电/光转换具有良好的线性。
一般来说，作为电/光转换的光源，由于处在大信号下工作，它的线性较差。
而作为光/电变换器的光检测器，由于在小信号条件下工作，它的线性好，因而它对非线性失真影响较小。
但是由于光检测器的输入信号功率为全系统中最低，因而对全系统的信噪比的影响较大。
模拟基带直接强度调制的光纤传输系统对光发端机的要求是：
1.输出功率要大，这样，在接收灵敏度一定时，发送光功率越大，允许系统传输损耗越大，系统的传输距离越长。
光纤通信中光源常用半导体LED和LD两种。
LD输出光功率大于LED输出光功率，因此，从输出光功率这
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