光纤的通信实验内容.docx

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光纤的通信实验内容

实验一模拟信号光纤传输实验

一、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

二、实验仪器

1.ZY12OFCom13BG型光纤通信原理实验箱1台

2.20MHz双踪模拟示波器1台

3.万用表1台

4.FC/PC-FC/PC单模光跳线1根

5.850nm光发端机和光收端机（可选）1套

6.ST/PC-ST/PC多模光跳线（可选）1根

7.音频线（可选）1根

8.外输入语音信号源（可选收音机，单放机，PC机等）1个

9.连接导线20根

三、实验原理

根据系统传输信号不同，光纤通信系统可分为模拟光纤通信系统和数字光纤通信系统。

由于发光二极管和半导体激光器的输出光功率（对激光器来说，是指阈值电流以上线性部分）基本上与注入电流成正比，而且电流的变化转换为光频调制也呈线性，所以可以直接调制对于半导体激光器和发光二极管来说具有简单、经济和容易实现等优点。

进行发光二极管及半导体激光器调制时采用的就是直接调制。

从调制信号的形式来看，光调制可分为模拟信号调制和数字信号调制。

模拟信号调制直接用连续的模拟信号（如话音、模拟图像信号等）对光源进行调制。

图1-1就是对发光二极管进行模拟调制的原理图。

连续的模拟信号电流叠加在直流偏置电流上，适当地选择直流偏置电流的大小，可以减小光信号的非线性失真。

电路实现上，LED的模拟信号调制较为简单，利用其P-I的线性关系，可以直接利用电流放大电路进行调制，实验箱模拟信号调制电路如图1-2所示。

一般来说，半导体激光器很少用于模拟信号的直接调制，半导体激光器模拟调制要求光源线性度很高。

而且要求提高光接收机的信噪比比较高。

与发光二极管相比，

图1-2LED模拟调制电路

半导体激光器的V-I线性区较小，直接进行模拟调制难度加大，采用图1-2调制电路，会产生非线性失真。

本实验通过完成各种不同模拟信号的LED光纤传输（如正弦波，三角波，外输入音乐信号），了解模拟信号的调制过程及调制系统组成。

模拟信号光纤通信系统组成如图1-3所示。

半导体激光器的模拟调制，直接利用图1-2所示电路进行调制，比较LED直接模拟调制与LD直接模拟调制的区别。

在LD模拟信号调制实验中，采用预失真补偿电路对模拟信号波形进行失真补偿，观察补偿后的传输效果与补偿前的效果。

四、实验内容

1.各种模拟信号LED模拟调制：

三角波，正弦波，语音信号（外输入语音信号）

2.各种模拟信号LD模拟调制：

三角波，正弦波，语音信号（外输入语音信号）

五、实验步骤

A、LD模拟信号调制实验

1.连接导线：

模拟信号源模块T303与光发模块T111连接。

2.用FC-FC光纤跳线将1310nm光发端机（1310nmT）与1310nm光收端机（1310nmR）连接起来。

3.将拨码开关BM1、BM2和BM3分别拨到模拟、1310nm和1310nm。

4.接上交流电源线，先开交流开关，再开直流开关K01，K02，五个发光二极管全亮。

5.打开模拟信号源模块（K60）、光发模块（K10）的直流电源。

6.调节模拟信号源模块电位器W306，使TP303波形幅度为2V。

7.用万用表监控R110两端电压（红表笔插T103，黑表笔插T104），调节半导体激光器驱动电流（W112），使之小于25mA。

8.调节电位器W111，W112和W121，使得TP121处波形幅度为2V且无明显失真，用示波器观察TP111，TP112和TP121波形，观察模拟信号光纤传输调制过程。

9.根据实验三失真补偿步骤，观察经过失真补偿电路的模拟信号传输。

10.

将T303换成T302（三角波）或T301（方波），观察各测试点波形效果。

11.拆除T111连接导线，用音频线将电脑语音输出端与实验箱外输入语音信号输入端（T252）连接，T253与T111连接，T121与T261连接，并使电脑播放音乐。

12.打开语音信号处理模块电源开关，调节音量（W261），判断光纤传输音乐信号效果（用示波器观察各测试点波形）。

13.依次关闭各直流电源、交流电源，拆除导线，拆除各光学器件，将实验箱还原。

B、LED模拟信号调制实验

根据LD模拟信号调制实验步骤，设计LED模拟信号调制步骤，并通过实验实现。

六、实验报告

1.记录并画出各模拟信号的波形，对模拟信号光传输前后的波形进行比较。

2.简述模拟信号光纤传输过程。

3.比较LD与LED模拟信号调制的效果。

七、注意事项

1.正弦波TP303是用方波通过带通滤波生成的，所以TP304的频率必须在2KHz/s左右（可以通过调节W304来实现），此时K31应接中间两脚。

2.各模拟信号传输前应先将其幅值调到2V左右。

3.如果光纤在传输模拟信号时的波形不理想或接收不到信号，可用下面的方法调试系统。

1）将模拟信号源模块中的TP304与光发模块中的TP111连接，并接通各直流电源，使各模块工作。

2）将模拟信号源中的三角波（TP101），正弦波（TP102，TP103）的幅值调到VP-P=2V左右。

（W302，W303，W304是它们对应的幅值调节电位器）

3）调节W111，使TP112处波形的幅值VP-P=0.4V左右。

4）调节W121，使TP121的幅值VP-P=2V左右。

八、思考题

1.根据电路图，分析W111，W112，W121的作用，并用实验验证。

2.此光纤传输系统能否传输数字信号，为什么？

3.分析和比较LD模拟信号调制与LED模拟信号调制的异同点，并指出其优缺点。

实验二数字信号光纤传输实验

一、实验目的

1.了解数字信号光纤传输系统的通信原理

2.掌握完整数字光纤通信系统的基本结构

二、实验仪器

1.ZY12OFCom13BG型光纤通信原理实验箱1台

2.20MHz双踪模拟示波器1台

3.万用表1台

4.FC/PC-FC/PC单模光跳线1根

5.850nm光发端机和光收端机（可选）1套

6.ST/PC-ST/PC多模光跳线（可选）1根

7.连接导线20根

三、实验原理

数字信号的光源驱动电路与模拟驱动电路原理有一定区别。

半导体激光器是利用其在有源区中受激发射的器件，只有在工作电流超过阈值电流的情况下，才会输出激光（相干光），因而是有阈值的器件。

图2-1为LD的P-I特性曲线及调制波形，图中的Ith为LD的阈值电流。

由图可见调制LD光源器件发光必须是直流偏置电流Ib和信号电流（即调制电流Im）的共同作用。

本实验利用光纤对各种数字信号进行传输，以了解和熟悉光纤传输数字信号系统的组成。

用双踪示波器观察光发模块与光接收模块各点的波形，并进行比较。

数字信号有脉冲信号、NRZ码，CMI码（关于各种码型概念及编码规则将在实验15和16中详细介绍）。

在电路驱动上，数字驱动电路采用射极耦合驱动电路。

所有数字信号先经过电平转换，进行直流偏置后直接幅度调制到激光器中。

其驱动电路如图2-3所示。

图2-3半导体激光器数字驱动电路

数字信号光纤传输系统组成框图如图2-2所示，对原始数字信号产生模块的信号进行各种不同方式的编码和译码，然后通过光纤传输，在测试端口观测输出端的信号波形，并且比较发光二极管的数字驱动与半导体激光器数字驱动效果的异同。

四、实验内容

1.观察各种数字信号在LD（1310nm）光纤传输系统中的波形

2.观察各种数字信号在LED（850nm）光纤传输系统中的波形（可选）

五、实验步骤

A、LD数字信号调制实验

1.用FC-FC光纤跳线将1310nm光发端机（1310nmT）与1310nm光收端机（1310nmR）连接起来，组成1310nm光纤传输系统。

2.连接导线：

数字信号源T504与光发模块T101连接，将数字信号源模块K511接1，2脚（接1，2脚为64K伪随机码，2，3脚为256K伪随机码）。

3.将拨码开关BM1、BM2和BM3分别拨到数字、1310nm和1310nm。

4.接上交流电源线，先开交流开关，再开直流开关K01，K02，五个发光二极管全亮。

5.接通数字信号源模块（K50）、光发模块（K10）的直流电源。

6.用万用表监控R110两端电压（红表笔插T103，黑表笔插T104），调节半导体激光器驱动电流（W101），使之小于25mA。

7.调节电位器W121，使得TP121处波形幅度大于3.5V，用示波器观察TP101，TP102和TP121波形，观察数字信号光纤传输调制过程。

8.将数字信号源模块K511接2，3脚（接1，2脚为64K伪随机码，2，3脚为256K伪随机码），观察各点波形变化。

9.改变数字信号源模块拨码开关状态，观察各测试点波形变化。

10.

改用实验箱中其他码型的数字信号进行上述步骤，观察各种码型的波形（PCM编码信号，CMI编码信号，脉冲信号等）。

11.依次关闭各直流电源、交流电源，拆除导线，拆除各光学器件，将实验箱还原。

B、LED数字信号调制实验

根据1310nm光纤通信系统数字信号调制实验步骤，设计并执行LED光纤通信系统数字调试实验步骤。

六、实验报告

1.记录并画出LD（1310nm）数字信号调制过程中各测试点波形。

2.记录并画出LED（850nm）数字信号调制过程中各测试点波形。

七、思考题

1.画出光纤传输数字信号实验框图，并简述数字信号光纤传输过程。

3.比较LD数字光纤传输系统与LED数字光纤传输系统传输信号的效果，并分别分析优缺点。

实验三电话光纤传输系统实验

一、实验目的

1.了解电话及语音信号通过光纤传输的全过程

2.掌握模拟电话、数字电话光纤传输的工作原理

二、实验仪器

1.ZY12OFCom13BG型光纤通信原理实验箱1台

2.20MHz双踪模拟示波器1台

3.FC/PC-FC/PC单模光跳线1根

4.电话单机2部

5.万用表1台

6.850nm光发端机和光收端机（可选）1套

7.ST/PC-ST/PC多模光跳线（可选）1根

8.连接导线20根

三、实验原理

对于局间通信来说，电话语音通信具有举足轻重的作用。

以电话通信网络为载体，各种模拟（或数字）信号的传输系统已经商用化。

如电话、传真、拨号网络通信等业务都是在局间电话网上实现的。

电话语音信号的光纤传输分为两种方式，一种方式为模拟电话光纤传输，即电话用户接口输出的模拟信号直接送入光纤模拟信号传输信道，从而实现两部电话的通话（由于模拟信号无法直接进行时分复用，因此模拟电话光纤传输只能传输一路电话语音信号，另一路电话语音信号直接用连接导线代替光纤），实验方框图如图3-1所示。

另一种方式为数字电话光纤传输，即电话用户接口输出的模拟信号经过PCM编码以后，利用时分复用的方式，将两路信号数字调制成一路信号，然后送入光发端机中进行光纤传输，光收端机接收的信号通过时分解复用，实现信号的分离，分别送入两个电话用户接口电路中，实现两部电话的全双工通话，其方框图如图3-2所示。

在PCM编译码中，帧同步信号为8KHz，一帧信号分为四个时隙，分别为时隙0、时隙1、时隙2和时隙3；时隙0为帧同步信号，其同步码为固定的码流“01110010”，时隙1和时隙2分别为两路电话语音调制数据，时隙3为空时隙，在本实验中没有用到（用低电平表示），TP621为PCM编码输出测试点，图3-3为PCM编码一帧的结构示意图。

四、实验内容

1.模拟电话光纤传输系统实验

2.数字电话光纤传输系统实验

五、实验步骤

Ａ、模拟电话光纤传输系统实验

1.用实验十一中模拟信号调试方法调节电位器，使1310nm光纤通信系统能够正常传输模拟信号。

2.连接导线：

电话用户接口模块T401与光发模块T111连接，T412与T121连接，T402与T411连接，并在电话甲、电话乙口分别接上电话单机。

3.用FC-FC光纤跳线将1310nm光发端机（1310nmT）与1310nm光收端机（1310nmR）连接起来，组成1310nm光纤传输系统。

4.将拨码开关BM1、BM2和BM3分别拨到模拟、1310nm和1310nm。

5.接上交流电源线，先开交流开关，再开直流开关K01，K02，五个发光二极管全亮。

6.接通电话用户接口模块（K40，K41）、光发模块（K10）的直流电源。

7.用万用表监控R110两端电压（红表笔插T103，黑表笔插T104），调节半导体激光器驱动电流（W101），使驱动电流小于25mA。

8.摘机进行两人通话实验，用示波器测试并比较TP401，TP412的波形（由于话音信号的波形比较复杂，所以可选用双音多频信号的按键音来观察测试点的波形），并做记录。

9.依次关闭各直流电源、交流电源，拆除导线，拆除各光学器件，将实验箱还原。

10.根据上述实验步骤，设计并执行850nm光纤传输系统模拟电话传输实验。

B、数字电话光纤传输系统实验

1.连接导线：

电话用户接口模块T401与PCM编译码模块T601连接，T411与T611连接，T412与T603连接，T402与T613连接，T621与T101连接，T631与T121连接，在电话甲、电话乙口分别接上电话单机。

2.将K601，K602，K603接1，2脚。

3.用FC-FC光纤跳线将1310nm光发端机（1310nmT）与1310nm光收端机（1310nmR）连接起来，组成1310nm光纤传输系统。

4.将拨码开关BM1、BM2和BM3分别拨到数字、1310nm和1310nm。

5.接上交流电源线，先开交流开关，再开直流开关K01，K02，五个发光二极管全亮。

6.接通电话用户接口模块（K40，K41）、PCM编译码模块（K60）和光发模块（K10）的直流电源。

7.用万用表监控R110两端电压（红表笔插T103，黑表笔插T104），调节半导体激光器驱动电流（W101），使驱动电流小于25mA。

8.摘机进行两人通话实验，用示波器测试并比较TP401，TP402，TP411、TP412的波形（可选用双音多频信号的按键音来观察测试点的波形），并做记录。

9.用示波器观察TP101、T121波形。

10.依次关闭各直流电源、交流电源，拆除导线，拆除各光学器件，将实验箱还原。

11.根据上述步骤，设计并执行850nm光纤传输系统数字电话传输实验。

六、实验报告

1.记录实验过程中各点的波形。

2.评估模拟电话通话和数字电话通话的质量。

3.评估850nm电话光纤传输系统和1310nm电话光纤传输系统的性能。

七、注意事项

1）若模拟电话光纤传输时有噪声，可根据模拟信号光纤传输步骤进行调试，使系统传输2K正弦波，当输出（T121）幅度为2V且无明显失真时即可。

2）若数字电话光纤传输时有噪声，可根据数字光纤传输步骤进行调试，使系统传输普通伪随机码信号，若输出（T121）与输入波形相同，幅度大于3.5V且无误码即可。

八、思考题

1.能否用一根光纤传输两路模拟信号，如果可以，如何实现？

如果不行，说明理由。

2.与模拟电话相比，数字电话有哪些优点?

3.画出PCM编码输出一帧的结构示意图，用示波器观察各帧的波形，说明一帧信息中各时隙代表的意义。

实验四图像光纤传输系统实验

一、实验目的

1.学习模拟视频信号光纤传输系统组成

2.熟悉图象信号在光纤系统中的传输过程

二、实验仪器

1.ZY12OFCom13BG光纤通信原理实验箱1台

2.20MHz双踪模拟示波器1台

3.万用表1台

4.小摄像头（电视信号发生器）1个

5.小电视机（视频监视器）1台

6.视频信号线2根

7.FC/PC-FC/PC单模光跳线1根

8.850nm光发端机和光收端机（可选）1套

9.ST/PC-ST/PC多模光跳线（可选）1根

10.连接导线20根

三、实验原理

视频信号的传输量日益增长，尤其是有线电视（CATV），需要将几十路电视信号送到千家万户。

视频信号的光纤传输也是人们非常关注的课题。

本实验主要采用模拟信号直接调制的方法进行视频信号的光纤传输。

系统主要由小摄像头（电视信号发生器）、小型电视机（视频监视器）和模拟光纤通信系统组成。

通过观察视频信号的光纤传输，测试光纤传输模拟信号的性能。

该实验实质上也就是光纤传输模拟信号。

实验框图如图4-1所示。

小摄像头产生视频信号（模拟信号），经过模拟调制送入光发端机，经光纤传输后，由光收端机监测到视频信号并输出到电视机接收端，观测光纤传输视频信号的效果以及特点，以了解光纤传输电视信号的特点。

在实验过程中图象效果越好也就说明光纤传输模拟信号的性能就越好，性能越稳定。

在进行光纤传输视频信号之前，先调节正弦波模拟传输，使得Vp-p＝2V的正弦波正常传输，此时视频信号传输效果最佳。

实验时可以比较半导体激光器和发光二极管光纤通信系统传输视频信号的效果。

四、实验内容

1.模拟视频信号进行LED调制光纤传输

2.模拟视频信号进行LD调制光纤传输

五、实验步骤

1.连接导线：

摄像头（或电视信号发生器）视频输出端与光发模块T131连接，电视机的视频输入端与T133连接，用连接导线将T132与T111连接，T121与T134连接。

2.装上光发端机和光收端机，ST-ST光纤跳线，组成850nm光纤传输系统。

3.将拨码开关BM1、BM2和BM3分别拨到模拟、850nm和850nm。

4.接上交流电源线，先开交流开关，再开直流开关K01，K02，五个发光二极管全亮。

5.用万用表监控R110两端电压（红表笔插T103，黑表笔插T104），调节光发端机驱动电流（W111），使之小于30mA。

6.光发模块（K10）的直流电源和摄像头电源、电视机电源。

7.调节电位器W111、W112和W121，使光纤视频传输效果达到最佳。

8.依次关闭各直流电源、交流电源，拆除导线，拆除各光学器件，将实验箱还原。

9.根据LED光纤通信系统视频传输实验步骤，设计并执行LD光纤通信系统视频传输实验步骤。

六、实验报告

1.观察图像信号经光纤传输后的效果，评估光纤传输图像信号的性能。

2.比较LED与LD视频传输效果。

七、注意事项

若实验中视频传输效果不理想，可根据模拟信号光纤传输步骤进行调试，使2K正弦波信号进行传输，输出（T121）波形幅度为2V且无明显失真。

八、思考题

1.能否采用视频信号数字光纤传输？

若能，则还应该具备哪些实验器材？

2.试设计一种方法，利用本实验箱进行电视图像信号和语音信号的光纤传输。

实验五数字光纤通信系统接口码型变换实验

一、实验目的

1.了解接口码型在光纤传输中的作用

2.了解HDB3码编译电路实现原理

3.掌握HDB3码的编译码规则及编译码过程

二、实验仪器

1.ZY12OFCom13BG型光纤通信原理实验箱1台

2.20MHz双踪模拟示波器1台

3.连接导线20根

三、实验原理

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内容。

这种变换电路完全是为了适应数字传输的需要而设置的，接口码型从我国所采用的数字通信标准制式来看有两种，即HDB3码型和CMI码型，这两种接口码型也就是数字通信的线路传输码型，但是HDB3码不能用作光纤数字通信的线路码型，因此在光发机模块必须要有接口码型变换电路。

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5-1。

1、HDB3码有如下特点：

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码可以利用其破坏点规则检测线路传输中产生的误码。

2、HDB3码编码

HDB3码的编码规则：

二进制中的传号，在HDB3码中编成交替反转码。

当二进制信号为全“1”码时，HDB3码与一般的AMI码相同。

二进制中的空号，在HDB3码中仍编为空号，但在二进制中出现四空号串，则用以下四连“0”取代节代替，其取代节形式如下：

000V或B00V。

其中，V为双极性码中极性交替改变法则的破坏点，B为双极性码中极性交替改变法则中的非破坏点，0为双极性码中的0码。

同一个取代节中的“B”，“V”脉冲在HDB3码中的极性相同。

HDB3码中相邻字节中的“V”脉冲符合交替反转法则。

用取代节中的“B”脉冲来保证HDB3码中任意两个相邻取代节的“V”脉冲之间的脉冲数目为奇数。

即从二进制信号进行HDB3码编码的过程中，遇到一个四空号串，准备用取代节代替时，要视相邻前一个取代节中的“V”脉冲至准备代替四空号串的取代节中的“V”脉冲之间已有的脉冲数目，如果为奇数，用000V取代节，若为偶数，则用B00V取代节。

3、HDB3码编码电路

根据HDB3码的编码规则可知HDB3编码电路原理框图如图5-2所示。

图中的V脉冲插入与B脉冲形成电路，实际上是一个逻辑电路起了两种作用，即在其输入信号序列中的空号串少于4时，该电路输出为输入信号序列码。

如果在输入信号序列中出现空号串等于或大于4时则第4n（n＝1，2，…N）个空号用传号代替，即插入“V”脉冲。

而这个“V”脉冲正好在该电路输出4空号的第一个空号位上，因此它就是准备添补到HDB3码码中的“B”脉冲。

然后在已经插入“V”脉冲的信号序列码中按照取代节使用的原则可以决定是否将“B”脉冲添补进去，即决定在4空号串的第一个空号位上决定是加入一个传号还是保持原有的空号，这就是图中脉冲添补电路的作用。

最后通过图中的破坏点形成电路和传号交替反转码形成电路输出HDB3码序列。

4、HDB3码译码电路

HDB3码译码是其编码的反变换，就是将HDB3码还原成二值NRZ码。

HDB3码经双⁄单变换后成为两路二值码信号输出，由于HDB3码中破坏点的影响，这两路二值码信号在时间上相互之间不遵循交替出现的规律，即其中一路在另一路为“0”的情况下可能连出两个脉冲信号（非连续出现