光纤通信实验Word下载.docx
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二、光纤通信的优点
由于作为载波的光波频率比电波频率高得多，而作为传输介质的光纤又比同轴电缆或波导管的损耗低得多，因此相对于电缆通信或微波通信，光纤通信具有许多独特的优点：
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，可用于国防、铁路、防爆等；
3、耐高温、高压、抗腐蚀，不受潮，工作可靠；
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、可挠性好。
三、光纤通信系统的结构
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，如图1.1-1。
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。
四、光纤通信系统的分类
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
1000nm～1600nm；
>
100km
超长波长光纤通信系统
2000nm；
1000km；
采用非石英光纤
（2）按光纤特点划分
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
140Mbit/s；
较低
（3）按传输信号形式划分
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
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
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
1.2ZY12OFCom13BG3光纤通信原理实验系统简介
一、主机箱简介
使用湖北众友科技实业股份有限公司开发生产的ZY12OFCom13BG3光纤通信原理实验系统。
该系统由十二个模块组成，其印刷电路板布局图如图1.2-1所示，每个模块均留出了关键的测试孔和测试钩，利于连线做系统实验以及测试性能用。
图1.2-1ZY120Fcom13BG3丝印方框图
1、电源模块：
提供实验箱各模块电源。
2、光发送模块：
实现各种信号的光传输。
3、光接收模块：
实现光电信号的转换，滤波放大。
4、预失真补偿模块：
对信号进行预失真补偿；
5、语音信号处理模块：
提供语音信号输入输出及放大处理功能；
提供音乐芯片以及外置的语音输出，接受部分用扬声器扩出。
6、模拟信号源模块：
产生正弦波、三角波，频率在14Hz至300KHz之间连续可调；
幅度在0V至5V之间连续可调。
7、电话接口模块：
提供电话接口功能。
8、数字信号源模块：
产生24伪随机码、位同步码、帧同步码。
输出信号码元速率为64KB/s或256KB/S,伪随机码的码型可通过拨码开关任意设置。
9、PCM编译码模块：
实验PCM编译码功能。
10、CMI编译码模块：
实现CMI编译码功能。
11、HDB3编译码模块：
实现HDB3编译码功能。
12、CPLD下载模块：
提供位同步、帧同步功能；
提供学生自主设计电路的功能。
可以通过上述十二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多数光纤通信系统。
实验系统基本组成方框图如图1.2-2所示：
图1.2-2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。
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、计算机串口数据）的光纤传输；
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、帧信号的提取等功能。
实验系统性能指标如下：
1、电源模块输出：
+5V、+12V、-5V、-12V、-48V
2、方波信号输出
（1）时钟信号：
4.096MHz，32.768MHz
（2）方波信号：
64KHZ，256KHz，1.024MHz，14Hz～300KHz
（3）数字基带信号的码速率分别为：
64KHz，256KHz
（4）频率输出误差：
≤±
1%
（5）方波输出稳定度：
±
0.3%+3mV（电压纹波）±
0.3%+0.5V（电压过冲）
（6）占空比:
50%
3、正弦波信号输出
（1）频率输出范围：
14Hz～300KHz
（2）幅度0V～5V连续可调
4、脉冲信号输出
（1）频率输出范围：
8KHz
（2）占空比：
为6.25%
（3）频率输出误差：
5、三角波信号输出
（1）频率输出范围:
14HZ～300KHZ连续可调
（2）幅度：
0V～5V连续可调
二、ZY12OFCom13BG3型光纤通信实验箱各模块引脚说明
１、光发送模块和光接收模块
K10：
1310nm光收发模块直流电源开关
K121：
拨上，测T123用来捡测电流；
拨下，用于光发光收实验，通过T121来测量接受信号
T101：
数字信号输入端口T111：
模拟信号输入端口
T121：
信号输出端口T123：
检测电流端口
W101：
数字信号驱动电流调节电位器，并且可调节数字信号的失真度
W111：
输入模拟信号的幅度调节电位器
W112：
模拟信号驱动电流调节电位器，并且可调节模拟信号的失真度
W121：
输出信号的幅值调节电位器，调节光接收端主放大器的放大倍数
T131、T132：
视频信号输入端口T133、T134：
视频信号输出端口
T171，T181：
计算机串口数据输出端口T172，T182：
计算机串口数据输入端口
BM1：
模拟、数字驱动电路选择开关
BM2：
850nm光发、1310nm光发选择开关BM3：
850nm光收、1310nm光收选择开关
1310nmT：
1310nm光发端接口1310nmR：
1310nm光收端接口
K15：
1550nm光收发模块直流电源开关
T151：
1550nm光发送数字信号输入端T161：
1550nm光接收数字信号输出端
1550nmT：
1550nm光发端接口1550nmR：
1550nm光收端接口
2、预失真补偿模块、语音信号处理模块
K20预失真补偿模块以及语音信号处理模块直流电源开关
T201：
预失真补偿模块信号输入端口
T202：
预失真补偿模块信号反向补偿输出端口
T203：
预失真补偿模块信号正向补偿输出端口
W201,W202,W203：
预失真补偿调节电位器
T252：
外输入语音信号端口
T253：
外输入语音信号处理输出端口
T251：
音乐输出端口T261：
喇叭输入端口
W261：
音量调节电位器
3、模拟信号源模块
K30：
模拟信号源模块直流电源开关
T301：
方波信号输出端口
T302；
三角波信号输出端口
T303：
2K正弦波信号输出端口
T304：
1K正弦波信号输出端口
W301,W302,W303：
2K正弦波TP303失真度调节电位器
W304：
2K正弦波T303频率调节电位器
W305：
三角波的幅度调节电位器
W306：
1K正弦波T304幅度调节电位器
W307：
2K正弦波T303的幅度调节电位器
4、电话用户接口模块
K40，K41：
电话用户接口模块直流电源开关
T401：
电话甲模拟语音信号输出端口
T402：
电话甲模拟语音信号输入端口
T411：
电话乙模拟语音信号输出端口
T412：
电话乙模拟语音信号输入端口
5、数字信号源模块
T501：
4.096MHz时钟信号输出端口
T502：
NRZ码位同步信号输出端
T503：
NRZ码帧同步信号输出端口
T504：
NRZ码信号输出端口
K501,K502,K503：
拨码开关，可进行NRZ码型的设置
K511：
输出信号的频率控制开关，拨上，输出NRZ码的速率为64KB/s；
拨下，输出信号的速率提高四倍，为256KB/s。
6、PCM编译码模块
K60：
PCM编译码模块直流电源开关
TP650：
时隙0同步信号测试端口
TP651：
时隙1同步信号测试端口
TP652：
时隙2同步信号测试端口
TP653：
PCM帧同步码信号测试端口
T641：
PCM位同步信号输出端口（256K时钟）
T601：
模拟信号1输入端口
TP602：
模拟信号1编码输出测试口
T603：
模拟信号1译码输出端口
T604：
模拟信号1译码帧同步信号输入端口
T611：
模拟信号2输入端口
TP612：
模拟信号2编码输出测试口
T613：
模拟信号2译码输出端口
T614：
模拟信号2译码帧同步信号输入端口
T621：
PCM编码输出端口
T631：
PCM译码输入端口
T642：
模拟信号1、模拟信号2译码位同步信号输入端口
T661：
T662：
1.024MHz时钟信号输出端口
T663：
8K脉冲信号输出端口
K601,K603：
PCM译码帧同步信号切换开关，拨上，是本地帧同步信号输入，拨下，则分别由T604,T614外线输入
K602：
PCM译码位同步信号切换开关，拨上，是本地位同步信号输入，拨下则由T642连线输入
7、CMI编译码模块
K70：
CMI编译码模块直流电源开关
T701：
CMI编码输入端口
T702：
CMI编码位同步信号输入端口
T703：
CMI码输出端口
T751：
CMI解码输入端口
T752：
CMI译码位同步信号输入端口
T753：
CMI译码输出端口
8、HDB3编译码模块
K80：
HDB3编译码模块直流电源开关
T801：
HDB3编码输入端口
T802：
HDB3编码位同步信号输入端口
T803：
HDB3码输出端口
T851：
HDB3码解码输入端口
T852：
HDB3译码位同步信号输入端口
T853：
HDB3译码输出端口
T854,T855：
HDB3正负极性码输出端口，一般用作位同步提取。
T888：
32.768M时钟信号输出端口，用作位同步提取时钟信号
W851：
T854脉冲信号判决调节电位器
W852：
T855脉冲信号判决调节电位器
T852
9、CPLD下载模块
K90：
CPLD模块直流电源开关；
918：
PCM总线输入端口；
983：
时钟信号输入端口
939：
PCM总线输出端口；
929：
PCM位同步信号输出端口
925：
PCM时隙１帧同步信号输出端口；
935：
PCM时隙2帧同步信号输出端口
909：
CMI码输入端口；
906：
CMI位同步信号输出端口；
904：
941：
+HDB3信号输入端口；
945：
-HDB3信号输入端口；
948：
HDB3同步信号输出端口
965：
CMI编码输入端口；
968：
CMI编码输出端口；
955：
CMI解码输入端口；
957：
CMI解码输出端口；
980：
15位NRZ码输出端口
1.3无源器件简介
光无源器件是光纤通信设备的重要组成部分。
它是一种光学元器件，其工艺原理遵守光学的基本规律及光线理论和电磁波理论、各项技术指标、多种计算公式和各种测试方法。
与纤维光学、集成光学息息相关，因此它与电无源器件有本质的区别。
在光纤通信中起着连接、分配、隔离、滤波等作用。
常用的无源器件有连接器、光耦合器、光隔离器、波分复用器等。
1、光跳线：
（光纤+两端的活动连接器）
传输模式：
多模、单模。
活动连接器型式：
FC/PC、ST/PC、SC/PC（两端活动连接器可相同也可不同）
FC/PC-FC/PC单模光跳线：
SC/PC-SC/PC单模光跳线
ST/PC-ST/PC多模光跳线
说明：
单模光纤为黄色，多模光纤为橙色。
2、波分复用器：
一般为单模耦合：
接口类型：
①适配器类型：
FC（普遍）
②尾纤类型：
FC/PC、SC/PC
工作波长：
1310和1550、1480和1550等。
隔离度：
大于18dB。
适配器输出型
（只有FC型）
尾纤输出型
（FC型、SC型）
3、Y型分路器：
FC（普遍）②尾纤类型：
1310或1550。
分光比：
50/50、10/90。
4、小可变衰减器：
接口类型：
只有FC/PC-FC/PC这一种型号。
法兰式小可变衰减器
5、适配器：
（法兰盘）
FC、ST、SC。
FC型适配器
SC型适配器
ST型适配器
1.4码型介绍
一、数字光纤通信系统
为了适应数字光纤通信系统的需要，实际上完整的数字光纤通信系统的组成如图1.4.1-1所示。
图1.4.1-1数字光纤通信系统的组成框图
整个系统是由数据源、光发送端、光学信道和光接收机组成。
数据是数字，声音，图象等各种信号的数字化。
光发送机和调制器则负责将信号转变成适合于在光纤上传输的光信号，先后用过的光波窗口有850nm、1310nm和155nm。
光学信道包括最基本的光纤，还有中继放大器EDFA等；
而光学接收机则接收光信号，并从中提取信息，然后转变成电信号，最后得到对应的话音、图象、数据等信息。
（1）PCM端机:
在光纤通信系统中，光纤中传输的是二进制光脉冲"
0"
码和"
1"
码，它由二进制数字信号对光源进行通断调制而产生。
而数字信号是对连续变化的模拟信号进行抽样、量化和编码产生的，称为PCM（pulsecodemodulation），即脉冲编码调制。
这种电的数字信号称为数字基带信号，由PCM端机产生。
（2）光发送端机:
从PCM端机送来的电信号是适合PCM传输的码型，为HDB3码或CMI码。
信号进入光发送机后，首先进入输入接口电路，进行信道编码，变成由"
和"
码组成的不归零码（NRZ）。
然后在码型变换电路中进行码型变换，变换成适合于光线路传输的mBnB码或插入码，再送入光发送电路，将电信号变换成光信号，送入光纤传输。
（3）光中继器（可选）：
传统的光中继器采用的是光－电－光（O-E-O）的模式，光电检测器先将光纤送来的非常微弱的并失真了的光信号转换成电信号，再通过放大、整形、再定时，还原成与原来的信号一样的电脉冲信号。
然后用这一电脉冲信号驱动激光器发光，又将电信号变换成光信号，向下一段光纤发送出光脉冲信号。
通常把有再放大（re-amplifying）、再整形（re-shaping）、再定时（re-timing）这三种功能的中继器称为"
3R"
中继器。
（4）光接收端机：
从光纤传来的光信号进入光接收电路，将光信号变成电信号并放大后，进行定时再生，又恢复成数字信号。
由于发送端有码型变换，因此，在接收端要进行码型反变换，然后将信号送入输出接口电路，变成适合PCM传输的HDB3码或CMI码，送给PCM。
（5）接口码型变换电路：
包括输入接口码型变换和输出接口码型变换两部分。
在PCM端机与光发收端机之间，电缆传输的是接口码型；
在光发光收之间的光纤链路上传输的是线路码型。
信号流程如下：
经PCM端机接口码型编译码送出，在电缆中传输；
被光发送端机接受，称输入接口码型，译码成NRZ，编成线路码形送出，在光纤链路中传输；
线路码型被光接收端机接受，译码成NRZ码，在编成接口码型送出；
称输出接口码型，在电缆中传输，被PCM端机接受，译成NRZ码。
输入接口码型变换电路的主要作用如下：
1、将从PCM输出经电缆传输后衰减变形的接口码型进行均衡放大；
2、将接口码型译码成为NRZ码型；
3、适应数字光纤通信系统的需要，具有在输入信号中断的情况下维持其所在数字光纤通信系统正常运行的功能，这主要是在输入接口码型变换电路中提供与输入信号速率相同的备用时钟。
在其输入信号中断时，一方面由输入信号中断检出电路发出相应的告警信号，另一方面由这一告警信号同时转换输入接口码型变换电路的输出时钟，维持下游整个数字光纤通信系统的正常运行，并控制接口码型译码电路发出AIS信号，即告警只是信号（全“1”码）。
这个信号送到本系统对端的光接收端机的输出接口码型变化电路，使其“了解”本系统上游光发送机出现了输入信号中断的故障。
输出接口码型变换电路的作用基本上与输入接口码型变换电路的作用成对应关系。
接口码型从我国所采用的数字通信标准制式来看有两种：
HDB3码型和CMI码型。
二、HDB3码型
HDB3码是三阶高密度双极性码（HighDensityBipolarCodes）的简称。
所谓三阶，即最大允许连“0”数为3个。
这种码型ITU-TG.703建议规定作为PCM一次群、二次群和三次群的电线路传输码型。
在数字光纤通信系统中，HDB3码就是相应的PCM设备与数字光纤通信设备之间的接口码型。
输入接口码型变换电路就是将HDB3码变换为PCM码，此PCM码经过光纤传输后再经输出接口码型变换电路进行码反变换，得到HDB3码。
实验系统方框图如1.4.2-1。
图1.4.2-1HDB3编译码实验框图
1、HDB3码特点：
一、HDB3码的功率谱中无直流分量，高低频成分少，定时信息丰富，有利于定时提取；
二、HDB3码是伪三进制码，它的状态用B+，B-，和0表示；
三、HDB3码的最大连0数等于3；
四、HDB3码中任意两个相邻“V”脉冲（破坏点）之间的传号“B”脉冲数目（不包括“V”脉冲本身）为奇数；
五、HDB3码可以利用
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