光纤通讯技术实验教案.docx
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光纤通讯技术实验教案
实验一CPLD可编程器件信号产生及成形
一、实验目的
1、熟悉CPLD可编程信号发生器各测量点信号波形。
2、了解CPLD可编程器件的开发应用及二次开发。
二、实验内容
1、了解本实验系统所用到的信号波形。
2、熟悉CPLD可编程信号发生器各测量点信号波形。
3、测量并分析各测量点波形及数据。
4、学习CPLD可编程器件的编程操作。
三、预备知识
1、数字光纤通信的基本原理。
2、熟悉数字光纤通信系统与模拟光纤通信系统的优缺点比较。
四、实验仪器与器材
1、光纤通信实验箱一台
2、直流稳压电源一台
3、40MHz双踪模拟示波器一台
4、万用表一台
五、实验原理
数字光纤通信之所以发展得如此迅速，是因为数字光纤通信与传统的电缆传输通信相比具有明显的优势。
如传输带宽很宽，通信容量大，中继距离长，保密性很好，投资少，见效快，管理维护方便等许多优点。
图1-1数字光纤通信传输的基本原理图
数字光纤通信的基本原理是将数字通信中的数据传输信号首先经过电—光变换成光脉冲数字信号，然后通过光纤光缆传输到数字通信的对方，最后再经过光—电变换、放大、均衡与定时再生成数据传输信号，这一变换如图1-1所示，图中的光发送机完成电—光变换后由光源器件（激光器—LD或者发光二极管—LED）发射光脉冲信号。
光接收机完成光—电变换，即由光检测器把光信号变换成电信号！
数字信号的光源驱动电路与模拟驱动电路原理有一定的区别。
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。
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。
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。
数字信号光纤传输系统组成框图如图1-2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。
六、注意事项
1、光源、光跳线等光学器件的插头属易损件，应轻拿轻放，使用时切忌用力过大。
2、不可带电拔插光电器件，要拔插光电器件，须先关闭电源后进行。
七、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拨到上面。
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拨到下面，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。
八、实验报告
1、字迹工整，原理分析透彻。
2、记录并画出LD（1310nm）数字信号调制过程中各测试点波形。
3、记录并画出LED（1550nm）数字信号调制过程中各测试点波形。
4、对实验结果以及误差的分析正确。
九、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。
实验二光纤发送系统
一、实验目的
l、了解光源的发光特性。
2、掌握光发端机所完成的电光变换原理。
3、了解模拟光发端机和数字光发端机的区别。
二、实验仪器与器材
1、光纤通信实验箱一台
2、直流稳压电源一台
3、20MHz示波器一台
4、万用表一台
三、实验基本原理及电路
1、数字光发送系统
数字光发送系统由数字信号源、数字信号选择开关、数字接口电路、数字驱动电路和光发送模块五部分组成，如图4-1所示。
图4—1数字光发送机框图
数字信号源提供8KHz脉冲波、16KHz方波、64Kb/sCMI码、32Kb/s15位PN码、PCM码和数字电话六种信号输入。
数字信号选择开关采用8选1数字开关集成电路74LS51。
它的控制信号由CPU输出3位码送到ABC三个引脚，通过软件编程实现其工作模式。
数字接口电路为电平转换器MC10116。
它把TTL电平转换为ECL电平，以适应驱动电路的要求。
数字驱动电路微一差分电路，它是一个电流源电路，用来把电压脉冲转换成电流脉冲去驱动半导体发光二极管。
光发送模块把电流脉冲变成光脉冲注入光纤，完成对光载波的调制。
2、模拟光发送系统
模拟光发送系统由模拟信号源、模拟信号选择开关、模拟接口电路、模拟驱动电路和光发送模块五部分组成，如图4-2所示。
图4—2模拟光发送机框图
模拟信号源提供正弦波、三角波、外输入、模拟电话四种模拟信号。
模拟信号选择开关采用4路模拟开关4066。
其控制信号由CPU输出，送到相对应的开关控制端，控制信号为高电平时，模拟开关接通，其输出波形可从TP404测量。
模拟接口电路为一级射随器，用作阻抗匹配把高阻抗输入变成低阻抗输出，以适应模拟驱动电路的要求。
模拟驱动电路为一级电流放大器，用来把电压控制信号变成电流控制信号去驱动半导体发光二极管。
光发送模块把注入电流强度的变化转换成光强度的变化，实现对光载波的强度调制。
3、光发送系统方框图
光发送系统实验电路的方框图如图4-4所示。
四、实验内容及步骤
实验思路（内容）：
1、测量并分析数字光发送的波形及数据。
2、测量并分析模拟光发送的波形及数据。
3、对应光发送，试测量光收端的波形及数据。
步骤：
1、接好电源，打开交流电源，按下直流电源开关K1、K2，发光管D5-D14循环点亮，电路即正常工作。
按下“复位”键令系统复位，使程序重新开始工作。
2、按下“数字电话”后“确认”，并将K702跳线置于“数字电话”处。
按下自锁开关PA401接通数字信号光传输系统，用示波器观察发送端测量点TP401、TP402、TP406波形，并且记录TP401、TP402信号的幅度变化。
再用示波器观察接收端测量点TP701、TP702、TP703、TP704、TP705波形。
3、按下“PN”后“确认”，并将K702跳线置于“PN”处。
按下自锁开关PA401接通数字信号光传输系统，用示波器观察发送端测量点TP401、TP402、TP406波形，并且记录TP401、TP402信号的幅度变化。
再用示波器观察接收端测量点TP701、TP702、TP703、TP704、TP705波形。
4、按下“方波”后“确认”，并将K702跳线置于“方波”处。
按下自锁开关PA401断开数字信号光传输，用示波器观察发送端测量点TP401、TP402、TP406波形，并且记录TP401、TP402信号的幅度变化。
再用示波器观察接收端测量点TP701、TP702、TP703、TP704、TP705波形。
5、按下“模拟电话”后“确认”，并将K702跳线置于“模拟电话”处。
抬起自锁开关PA401接通数字信号光传输系统，用示波器观察发送端测量点TP403、TP404、TP405波形，并且记录TP404、TP405信号的幅度变化。
再用示波器观察接收端测量点TP701、TP702、TP703、TP704、TP705波形。
6、按下“正弦波”后“确认”，并将K702跳线置于“正弦波”处。
抬起自锁开关PA401接通数字信号光传输系统，用示波器观察发送端测量点TP403、TP404、TP405波形，并且记录TP404、TP405信号的幅度变化。
再用示波器观察接收端测量点TP701、TP702、TP703、TP704、TP705波形。
实验提示：
光发送模块有保护套，使用时逆时针旋松并拉出，注意旋转方向并保管好保护套，在实验做完后立即重新套上。
五、参考实验接线图及实验结果
TP401为数字脉冲信号输入到光发端机的测试点，可为数字电话、方波、PCM码、PN码、CMI码。
TP402为驱动半导体光源的数字信号。
TP404为模拟信号输入到光发端机的测试点，可为方波、三角波、正弦波、模拟话。
TP405为位驱动半导体光源的模拟信号。
TP403、TP406由自锁开关PA401切换后送光发送模块。
六、实验要求
1、预习理论课上光发送的电光变换原理。
2、对实验过程，记录光发端TP401、TP402、TP403、TP404、TP405、TP406及接收端TP701、TP702、TP703、TP704、TP705的波形。
3、说明综合性实验的原理、方案。
七、实验思考题
比较数字信号发送端与模拟信号发端机的区别。
实验三光纤接收系统
一、实验目的
l、了解光纤接收系统的组成及工作流程。
2、了解光收端机的功能及电路工作原理。
3、掌握光收端机的灵敏度与动态范围的概念。
二、实验仪器与器材
1、光纤通信实验箱一台
2、直流稳压电源一台
3、20MHz示波器一台
4、万用表一台
三、实验基本原理及电路
1、光接收系统的组成
光接收系统由光接收模块、信号接收选择开关、接口电路组成，如图3-1所示。
图3-1光接收系统框图
在本实验系统中，存在两个光接收系统，其结构图分别如图3-2及图3-3所示：
图3-2光接收系统一（1310波长）
图3-3光接收系统二（1550波长）
其中，输入信号有数字电话数据、数字图象数据、外置误码信号、内置误码信号、5B6B码信号、CMI码信号等信号输入。
其中，内置误码信号输入与CMI码输入共用一个开关。
数字信号选择开关采用人工操作，对J702和J902进行选择，如图3-2及3-3所示，可见有下列几种选择状况：
1、数字电话
2、图象传输
3、数据传输
4、外置误码测试输入
5、CMI码测试/内置误码测试
6、5B6B码
光接收模块的最基本功能是完成光电信号的转换、小信号的检测、传
送信号的恢复等功能。
1、光反射机的组成及技术性能
光接收机的主要功能是将接收的光信号变换为原电信号，并且用自动增
益控制电路（AGC）保证稳定的输出。
TP401
光接收机方框图如图3-4所示，它由光检测模块、隔离器、主放大器和输出接口组成。
图3-4光接收机基本组成框图
（1）光检测模块
光检测模块主要用来完成光电的变换，它由接收光口、光检测管及低噪声放大电路等组成。
光检测管进行光电转换的实质是原子吸收一个光子的能量产生一个电子空穴对，这个电子空穴对在电场的作用下运动形成电流。
（2）主放大器
主放大器是一个低噪声放大器，它将来自隔离器的弱电信号进行放大，并输出一个稳定的信号电平到输出接口。
主放大器的增益可调，以适应在不同的输入信号情况下仍能保证输出电平的稳定。
光接收机的技术性能主要包括以下几个方面
（1）光接收机的灵敏度
光收端机的灵敏度是保证一定的误码率前提下，光接收机所允许接收的最小光功率。
（2）光接收机的动态范围
光收端机的动态范围是指在保证一定的误码率前提下，光接收机所允许接
收的最大光功率与最小光功率之比。
四、实验内容
1、熟悉光纤接收系统的组成及工作流程。
2、了解光接收机的功能及电路工作原理。
五、实验步骤及注意事项
1、分别选择开关的各种信号后，用示波器观察测量点TP702或TP902波
形，并且记录TP702和TP902信号的幅度。
2、TP702位于实验系统的左上角，TP902位于实验系统的右上角。
3、用示波器观察测量点TP702的波形，注意该波形与TP701的波形相比
较有何不同。
4、用示波器观察测量点TP902的波形，注意该波形与TP901的波形相比
较有何不同。
六、测量点说明
1、TP702：
为从光接收模块（1310）输出的信号波形。
2、TP902：
为从光接收模块（1550）输出的信号波形。
七、实验报告要求
描述光接收系统的组成及工作流程。
实验四PN码、CMI码的码型变换
一、实验目的
l、了解光纤通信采用的线路码型。
2、掌握CMI码的特点。
3、了解CMI的编解码实现方法。
二、实验仪器与器材
1、光纤通信实验箱一台
2、直流稳压电源一台
3、20MHz示波器一台
4、万用表一台
三、实验基本原理及电路
CMI码即为传号翻转码，“1”交替地用“00”和“11”表示，而“0”则固定用“01”表示，因此1bit变为2bit，故属于二电平的NRZ的1B2B码型，这种码的特点是有一定的纠错能力，易于实现，易于定时提取，因此在低速系统中选为传输码型，图3—1为CMI码与NRZ的关系
a、编码部分
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码送至光发送单元，本实验中CMI编码电路的设计思路是利用并串变换电路来产生CMI码，即分别产生CMI传号码和空号码，再按照输入单极性信码的电平高低来选通传号码或空号码，用合路器把两者串行输出成为CMI码。
编码后用两位码来代表一位码，并行码变成串行码，其码速增加了一倍。
编码电路的组成方框图如图3-2所示。
它由时钟分频器和01码产生器U102：
B、控制电路U113：
A、传号翻转电路U115：
A、传号开关电路U114：
B、空号开关电路U114：
A、合成电路U116：
A、输出电路U113：
B七部分组成。
时钟分频器将64KHz的时钟分成同相的和反相的两路32KHz时钟，同相时钟供给控制电路，反相时钟供给翻转电路，并作为输出空号“01”码的信号源。
控制电路监测输入信号，如果是传号则接通传号开关电路，是空号则接通空号开关电路。
传号翻转电路是一个用反相时钟下降沿触发的JK触发器，当JK端同时输入高电平时，它输出端的电平就会在时钟下降沿触发时翻转一次。
利用此功能它监测信码的传号与空号，来一个传号就将Q端的电平翻转一次，当Q端为高电平时输出“11”码，低电平时输出“00”；来空号时Q端电平不翻转。
两个开关电路分别控制传号码、空号码的输出。
合成电路将两路输入信号合成一路输出。
输出电路也是一个移位寄存器，用64KHz时钟的上升沿触发，采样后使输出信码与输入信码的相位一致，它同时给输出信码整形，使脉冲顶部平整，上升沿和下降沿陡峭，除去各个逻辑器件由于时序的不一致而引起输出信号产生的“毛刺”（叠加在输出信号上的尖脉冲）。
当一序列32Kb/s的单极性的信码进入编码电路后，同时送到控制电路与传号翻转电路检测，输入信码若是一个传号，则从U114：
B输出一组“00”（或“11”）码；如果再来一个传号则是“11”（或“00”）码，以后轮流变化；若是一个空号，则从U114：
A输出一组“01”码。
两路信码合成后经U113：
B采样移存，输出一序列的64Kb/s的CMI码。
b、解码部分
CMI解码器接收光接收器送来的CMI码，把这种码型变换为单极性非归零码。
CMI解码器的组成方框图、电原理图如图3-3、图3-4所示。
它的设计思路是采用串并变换电路把串行码变成并行码，即把CMI码的每一组00、11、获01码中的奇数码与偶数码分离开来，变成奇偶分列的、时序一致的码序列，再用判决电路逐一加以比较，判决输出传号还是空号，从而解出单极性信码。
CMI解码电路中，奇数码提取电路由U503：
A、U503：
B组成，它是两级移位寄存器，第一级用同相时钟触发，第二级用反相时钟触发，使奇数码延迟了一个64Kb/s码元的时间，从而与偶数码同时出现于判决电路输入端。
偶数码提取电路由U504：
A组成，它是一级移位寄存器，用反相时钟触发。
判决电路由异或门U505：
A和反相器U506：
A组成，异或门作逻辑比较器用，两个输入端电平相同时输出低电平，相反时输出高电平。
反相器用来实现判决器所要求的逻辑关系，它将异或门输出信号反相，从而使判决器在奇偶数码相同时输出传号（高电平），相异时输出空号（低电平）。
串并变换之后两位码变回一位码，码速也随之降低一半，从输入的64Kb/s恢复为输出的32Kb/s。
图3—3CMI解码器方框图
图3—4CMI解码器电原理图
当一序列64Kb/s的CMI码进入解码器后，奇数码经过两级移位寄存器余只经过一级移位寄存器的偶数码同时到达判决电路，判决器根据CMI码的编解码规则解码，奇偶数码相同者判为传号、相反者判为空号，输出一序列32Kb/s的单极性码。
四、实验内容及步骤
实验思路（内容）：
1、了解光纤通信采用的线路码型及CMI码的特点。
2、了解CMI码的编解码实现方法。
3、分析CMI编解码器电路的各个测量点的波形。
4、比较CLK时钟、NRZ码及CMI码的异同。
步骤：
1、接好电源，打开交流电源，按下直流电源开关K1、K2，发光管D5-D14循环点亮，电路即正常工作。
按下“复位”键令系统复位，使程序重新开始工作。
2、按下“CMI”键后再按下“确认”键，向系统下达进行CMI编解码器实验的命令，并将K702跳线置于CMI处。
用CLK时钟送入NRZ码到CMI编码，用示波器测出编码电路测量点TP109、TP110、TP111、TP112、TP113、TP114和TP115的波形。
测量各点波形时示波器应接地，示波器探头的接地线要与GND接地点保持接触良好。
3、用示波器测出解码电路各测量点TP504、TP505、TP506、TP507、U505-3的波形。
4、关掉开关K1、K2，关闭交流电源，拔下电源插头。
六、实验要求
1、预习理论课上光纤通信采用的线路码型及CMI码的特点。
2、对实验过程，记录编码部分TP110、TP111、TP112、TP113、TP114的波形和解码部分TP504、TO505、TP506、TP507的波形。
3、说明综合性实验的原理、方案。
七、实验思考题
1、为什么要进行线路编码，什么叫做线路码型，光纤能否传HDB3码？
2、比较CLK时钟、NRZ码及CMI码的异同。
实验五光波分复用实验
一、实验目的
1.通过本实验，了解光波分复用传输系统的工作原理和系统组成。
2.熟悉误码、误码率的概念及其测量方法。
二、实验仪器与器材
1、光纤通信实验箱一台
2、直流稳压电源一台
3、60MHz示波器一台
三、实验基本原理及电路
1、光波分复用系统
波分复用（WDM）是将两种或多种不同波长的光载波信号（携带各种信息）在发送端经复用器（亦称合波器，Multiplexer）汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术；在接收端，经解复用器（亦称分波器或称去复用器，Demultiplexer）将各种波长的光载波分离，然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号。
这种在同一根光纤中同时传输两个或众多不同波长光信号的技术，称为波分复用。
通信系统的设计不同，每个波长之间的间隔宽度也有不同。
按照通道间隔的不同，WDM可以细分为CWDM（稀疏波分复用）和DWDM（密集波分复用）。
CWDM的信道间隔为20nm，而DWDM的信道间隔从0.2nm到1.2nm，所以相对于DWDM，CWDM称为稀疏波分复用技术。
CWDM和DWDM的区别主要有二点：
一是CWDM载波通道间距较宽，因此，同一根光纤上只能复用5到6个左右波长的光波，“稀疏”与“密集”称谓的差别就由此而来；二是CWDM调制激光采用非冷却激光，而DWDM采用的是冷却激光。
冷却激光采用温度调谐，非冷却激光采用电子调谐。
由于在一个很宽的波长区段内温度分布很不均匀，因此温度调谐实现起来难度很大，成本也很高。
CWDM避开了这一难点，因而大幅降低了成本，整个CWDM系统成本只有DWDM的30%。
CWDM是通过利用光复用器将在不同光纤中传输的波长结合到一根光纤中传输来实现。
在链路的接收端，利用解复用器将分解后的波长分别送到不同的光纤，接到不同的接收机。
2．实现DWDM的关键技术和设备
实现光波分复用和传输的设备种类很多，各个功能模块都有多种实现方法，具体采用何种设备应根据现场条件和系统性能的侧重点来决定。
总体上看，在DWDM系统当中有光发送/接收器、波分复用器、光放大器、光监控信道和光纤五个模块。
（1）光发送/接收器
光发送/接收器主要产生和接收光信号。
主要要求具有较高的波长精度控制技术和较为精确的输出功率控制技术。
两种技术都有两种实现方法。
常用控制波长的方式包括：
温度控制，使激光器工作在恒定的温度条件下来达到控制精度的要求；波长反馈技术，采用波长敏感器件监控和比较激光器的输出波长，并通过激光器控制电路对输出波长进行精确控制。
（2）波分复用器
波分复用器（OMD）包括合波器和分波器。
光合波器用于传输系统发送端，是一种具有多个输入端口和一个输出端口的器件，它的每一个输入端口输入一个预选波长的光信号，输入的不同波长的光波由同一个输出端口输出。
光分波器用于传输系统接收端，正好与光合波器相反，它具有一个输入端口和多个输出端口，它将多个不同波长的光信号分离开来。
光合波器一般有耦合器型、介质膜滤波器型和集成光波导型等种类。
光分波器主要有介质膜滤波器型、集成光波导型、布拉格光栅型等种类。
其中，集成光波导技术使用最为广泛，它利用光平面波导构成N×M个端口传输分配器件，可以接收多个支路输入并产生多个支路输出，利用不同通道的置换，可用作合波器，也可用作分波器。
具有集成化程度高的特点，但是对环境较为敏感。
（3）光放大器
放大器可以作为前置放大器、线路放大器、功率放大器，是光纤通信中的关键部件之一。
目前使用的光放大器分为光纤放大器（OFA）和半导体光放大器（SOA）两大类，光纤放大器又有掺饵光纤放大器（EDFA）、掺镨光纤放大器（PDFA）、掺铌光纤放大器（NDFA）。
其中，掺饵光纤放大器（EDFA）的性能优越，已经在波分复用实验系统、商用系统中广泛应用，成为现阶段光放大器的主流。
对EDFA的基本要求是高增益且在带通内增益平坦、高输出、宽频带、低噪声、增益特性与偏振不相关等。
半导体光放大器（SOA）早期受噪声、偏振相关性等因素的影响，性能达不到实用要求，后来在应变量子阱材料的SOA研制成功后，再度引起人们的关注。
SOA结构简单、适于批量生产、成本低、寿命长、功耗小、还能与其它配件一块集成以及使用波长范围可望覆盖EDFA和PDFA的应用。
（4）光监控通道
根据ITU-TG.692建议要求，DWDM系统要利用EDFA工作频带以外的一个波长对EDFA进行监控和管理。
目前在这个技术上的差异主要体现在光监控通道（OSC）波长选择、监控信号速率、监控信号格式等方面。
在本实验平台上完成的所有实验都经过了光波分复用器与光波分解复用器，在后续任意一个实验中，都可以通过1310或者1550光发端机或光收端机的光线尾纤跳线连接，来检测光信号的波分复用情况。
或者断开两个光波分复用器之间的光活动连接器来测量光功率，检查是否与1310和1550波长光功率的和相等。
四、实验内容
1、进
升级会员 