光纤通信实验报告汇总参考.docx
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光纤通信实验报告汇总参考
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、ZY1804I型光纤通信原理实验系统1台
2、20MHz双踪数字示波器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、厚膜会合工艺，性能稳定，价格低廉，已实现了通用化。
在程控交换机中模拟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，它除了拥有用户接口电路常用的7种功能中的6种外，还拥有电流限制、挂机传输、极性反转、tip开路和环路检测等功能。
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。
实验箱中电话间的通信及信号的控制主要由单片机和FPGA来共同完成，我们称之为控制处理单元，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，向控制处理单元指示用户1已经摘机，同时摘机指示灯亮。
此时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。
控制处理单元向用户1送拨号音，用户1听到此音后拨号。
控制处理单元根据用户1的所拨的号码定位到用户2，并向与用户2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，同时向用户1发送回铃音或忙音。
在振铃状态下，Am79R70将铃流电路产生的RV通过RING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，以向控制处理单元指示用户2已经摘机。
此时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、用户接口电路原理图
用户接口电路和电话接续实验将主要完成摘挂机监测、振铃、回铃、忙音、电话传送语音信号测试等功能。
此部分实验需要结合电话模拟信号源模块来完成，电话模拟信号源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B301）与系统相连，二极管LED309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管亮表示处于摘机状态。
测试钩VTATA，VRATA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：
电话通信中的话音信号。
来自电话模拟信号源模块的各种音信号（回铃、振铃、忙音信号）。
①拨号音：
450Hz正弦波；
②忙音：
450Hz正弦波，通断间隔时间；
③回铃音：
450Hz的正弦波，每导通1秒后间断4秒；
④25Hz振铃信：
25Hz的低频周期信号，每导通1秒后间断4秒；
控制处理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
开始
图1-4电话呼叫控制流程图
五、实验步骤
1、用连接线连接中央控制器的D_IN和D_OUT，将中央控制器K1拨为“主”，分别接好两部电话机。
2、将PCM编译码模块的开关K301，K401，K402，K403和K404分别拨向下。
3、将拨码开关K703（A机号码）的值拨为“0001”，使A机号码为3201；拨码开关K704（B机号码）的值拨为“0010”，使B机号码为3202。
注释：
本实验箱要求为每一部电话设置一个电话号码，电话号码为3201到3215，电话号码前两位固定为32，后两位（电话地址）由拨码开关K703和K704人为输入，对应两个拨码开关所拨的二进制数值，例如预设A机电话号码为3201，则将拨码开关K703（A机号码）的值拨为“0001”。
多台实验箱组网通信时要求电话号码设置和终端地址设置不能重复。
4、打开交流电源。
中央控制器指示灯NS、FS亮，表明环路同步。
5、用示波器测量电话A模拟信号源测试钩25HZA和BHA（450HZ）的波形，其中25HZA为频率25HZ的方波，BHA（450HZ）为频率450HZ的正弦波，450HZ正弦波的峰-峰值为1V左右。
用示波器测量电话B模拟信号源测试钩25HZB和BHB（450HZ）的波形，其中25HZA为频率25HZ的方波，BHA（450HZ）为频率450HZ的正弦波，450HZ正弦波的峰-峰值为1V左右。
注释：
25HZ的方波用合成振铃信号，450HZ的正弦波用来提供拨号音以及合成忙音信号和回铃信号，若其幅度过大，将会在电话接口回路中引起自激现象，严重影响电话话路的通话质量。
a、电话的摘机状态及拨号音测试
将电话A模块的电话摘机，此时二极管LED309发光。
用示波器探头测量A电话模拟信号输入端测试钩VRATA的拨号音波形，观察其波形的特点，并进行分析。
将该电话挂机，可看见二极管LED309不发光。
b、电话振铃，回铃信号测试
将电话A模块的电话摘机，听到拨号音后，拨打电话B模块的号码3202，此时观察拨号状态指示灯LED301、LED302、LED303和LED304（每拨一个数字，拨号状态将由对应的二进制码指示）。
如果电话B没有处于通话占用状态则将会听到响铃声，用示波器探头测量测试钩ZLB的波形，将其记录下来分析；
用示波器探头测量测试钩HLA回铃信号的波形，观察其波形的特点，并进行分析；
将电话A模块的电话挂机，同时将电话B模块的电话摘机，拨打电话A模块的电话，测量HLB和ZLA的波形，并对其进行分析。
注释：
ZLA/ZLB是用来与25HZ低频信号合成振铃音的控制信号，表现为1秒通4秒断。
c、电话话音信号传输功能测试
将电话A模块的电话摘机，拨打电话B模块的电话，并接通。
将电话进行按键，同时利用示波器探头来测量VTATA和VRATB、VTATB和VRATA的波形，对比电话A和电话B之间的接收和发送信号波形，观察不同按键时电话发送信号和接收信号的变化。
同时观察两个电话模块的拨号状态，此时显示灯将显示所按号码。
d、忙音信号测试
将电话A模块的电话摘机，不拨电话号码，过约20s后，测量测试构VRATA的波形，并画出其波形。
将电话A模块的电话摘机，拨打电话B模块的电话，拨号期间间歇约5s，测量测试构VRATA的波形，并画出其波形。
接通两部电话，将电话A挂机，用示波器测量测试钩VRATB的波形，并画出其波形。
e、多种信号音测试
测量测试钩VRATA的波形，分别在振铃（即电话A摘机，电话B挂机）、接通（两部电话通话）和忙音（接通后，电话B挂机）三种状态下测量，记录下其波形。
6、关闭交流电源，拆除各个连线，将实验箱还原。
六、实验结果
VRATA忙音信号示意图
HLA/HLB回铃信号示意图
七、思考题答案
1、电话接口电路的主要功能是什么，除了AM79R70之外，你还知道那些芯片可以实现用于接口电路的功能
2、测试钩VRATA的波形在三种状态下分别不同，其三种波形分别是什么信号的波形
实验八半导体激光器P-I特性测试实验
一、实验目的
1、学习半导体激光器发光原理和光纤通信中激光光源工作原理
2、了解半导体激光器平均输出光功率与注入驱动电流的关系
3、掌握半导体激光器P（平均发送光功率）-I（注入电流）曲线的测试方法
二、实验内容
1、测量半导体激光器输出功率和注入电流，并画出P-I关系曲线
2、根据P－I特性曲线，找出半导体激光器阈值电流，计算半导体激光器斜率效率
三、实验仪器
1、ZY1804I型光纤通信原理实验系统1台
2、FC接口光功率计1台
3、FC-FC单模光跳线1根
4、万用表1台
5、连接导线20根
四、实验原理
光源是把电信号变成光信号的器件，在光纤通信中占有重要的地位。
性能好、寿命长、使用方便的光源是保证光纤通信可靠工作的关键。
光纤通信对光源的基本要求有如下几个方面：
首先，光源发光的峰值波长应在光纤的低损耗窗口之内，要求材料色散较小。
其次，光源输出功率必须足够大，入纤功率一般应在10微瓦到数毫瓦之间。
第三，光源应具有高度可靠性，工作寿命至少在10万小时以上才能满足光纤通信工程的需要。
第四，光源的输出光谱不能太宽以利于传输高速脉冲。
第五，光源应便于调制，调制速率应能适应系统的要求。
第六，电—光转换效率不应太低，否则会导致器件严重发热和缩短寿命。
第七，光源应该省电，光源的体积、重量不应太大。
作为光源，可以采用半导体激光二极管（LD，又称半导体激光器）、半导体发光二极管（LED）、固体激光器和气体激光器等。
但是对于光纤通信工程来说，除了少数测试设备与工程仪表之外，几乎无例外地采用半导体激光器和半导体发光二极管。
本实验简要地介绍半导体激光器，若需详细了解发光原理，请参看各教材。
半导体激光二极管（LD）或简称半导体激光器，它通过受激辐射发光，是一种阈值器件。
处于高能级E2的电子在光场的感应下发射一个和感应光子一模一样的光子，而跃迁到低能级E1，这个过程称为光的受激辐射，所谓一模一样，是指发射光子和感应光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向和传播方向都相同，它和感应光子是相干的。
由于受激辐射与自发辐射的本质不同，导致了半导体激光器不仅能产生高功率（≥10mW）辐射，而且输出光发散角窄（垂直发散角为30～50°，水平发散角为0～30°），与单模光纤的耦合效率高（约30％～50％），辐射光谱线窄（Δλ＝～），适用于高比特工作，载流子复合寿命短，能进行高速信号（>20GHz）直接调制，非常适合于作高速长距离光纤通信系统的光源。
半导体激光器的特性，主要包括阈值电流Ith、输出功率P0、微分转换效率η、峰值波长λp、光束发散角、脉冲响应时间tr、tf等。
除上述特性参数之外，有时也把半导体激光器的工作电压、工作温度等列入特性参数。
阈值电流是非常重要的特性参数。
图8-1上A段与B段的交点表示开始发射激光，它对应的电流就是阈值电流Ith。
半导体激光器可以看作为一种光学振荡器，要形成光的振荡，就必须要有光放大机制，也即激活介质处于粒子数反转分布，而且产生的增益足以抵消所有的损耗。
将开始出现净增益的条件称为阈值条件。
一般用注入电流值来标定阈值条件，也即阈值电流Ith。
P-I特性是半导体激光器的最重要的特性。
当注入电流增加时，输出光功率也随之增加，在达到Ith之前半导体激光器输出荧光，到达Ith之后输出激光，输出光子数的增量与注入电子数的增量之比见式8-1。
（8-1）
ΔP/ΔI就是图8-1激射时的斜率，
是普朗克常数（*10-34焦耳
秒），v为辐射跃迁情况下，释放出的光子的频率。
图8-1LD半导体激光器P-I曲线示意图
P-I特性是选择半导体激光器的重要依据。
在选择时，应选阈值电流Ith尽可能小，Ith对应P值小，而且没有扭折点的半导体激光器。
这样的激光器工作电流小，工作稳定性高，消光比（测试方法见实验十二）大，而且不易产生光信号失真。
并且要求P-I曲线的斜率适当。
斜率太小，则要求驱动信号太大，给驱动电路带来麻烦；斜率太大，则会出现光反射噪声及使自动光功率控制环路调整困难。
在实验中所用到半导体激光器输出波长为1310nm，带尾纤及FC型接口。
其典型参数如下表8-1：
表8-1本实验半导体激光器的部分参数参考表
Parameter
参数
Symbol
符号
Min
最小值
Typ
典型值
Max.
最大值
Unit
单位
CentralWavelength
中心波长
1280
1310
1340
nm
SpectralWidthRMS
谱线宽度
2
5
nm
ThresholdCurrent
阈值电流
8
15
mA
Opticaloutputpower
输出功率
mW
ForwardVoltage
正向电压
Vf
V
RiseTime/FallTime
上升/下降时间
tr/tf
ns
……
……
……
……
……
……
本实验所涉及的实验框图如图8-2，R973（1Ω）与激光器串联。
图8-2激光器工作框图
电路中的驱动电流在数值上等于R973两端电压与电阻值之比。
为了测试更加精确，实验中先用万用表测出R973的精确值（将BM901、BM902都拨到中档，用万用表的欧姆档测T904、T905之间的电阻），计算得出半导体激光器的驱动电流，然后用光功率计测得一定驱动电流下半导体激光器发出激光的功率，从而完成P-I特性的测试。
并可根据P-I特性得出半导体激光器的斜率效率。
五、实验步骤
1、用导线连接中央控制器M和T903（13_DIN）。
2、将开关BM901拨为1310nm，将开关K902拨为“数字”，将电位器W901逆时针旋转到最小。
3、旋开光发端机光纤输出端口防尘帽，用FC-FC光纤跳线将半导体激光器与光功率计输入端连接起来，并将光功率计测量波长调整到1310nm档。
4、用万用表测量T904（TV+）和T905（TV-）之间的电阻值（电阻焊接在PCB板的反面），找出所测电压与半导体激光器驱动电流之间的关系（V＝IR973）。
注释：
在回路中测R973的电阻值，不准确！
所以在测之前要将回路断开。
另外，考虑到万用表本身的精度问题，也可不测R973的电阻值，直接用1Ω来做实验。
5、将电位器W907（阈值电流调节）逆时针旋转到底。
注释：
此时LD的直流偏置Ib的值为0。
LD的驱动电流仅为调制电流Id。
否则因自动光功率的作用，无法测量LD的P-I特性曲线
6、打开交流电源。
7、用万用表测量T904（TV+）和T905（TV-）两端电压（红表笔插T904，黑表笔插T905）。
8、慢慢调节电位器W901（数字驱动调节），使所测得的电压为下表中数值，依次测量对应的光功率值，并将测得的数据填入下表1-2，精确到。
注释：
1、实验中半导体激光器的驱动电流不可大于60mA，否则有烧毁激光器的危险。
2、实验时不能调节电位器W907，否则将影响实验的结果。
9、做完实验后先关闭交流电开关。
10、拆下光跳线及光功率计，用防尘帽盖住实验箱半导体激光器光纤输出端口，将实验箱还原。
U（mV）
2
3
I（mA）
P（uW）
-
-
-
-
-
-
U（mV）
4
5
6
7
8
9
10
I（mA）
P（uW）
106
151
195
241
286
U（mV）
12
14
16
18
20
22
24
26
I（mA）
P（uW）
374
456
541
621
702
791
925
997
LD的P-I特性测试表
六、实验结果
以上的数据仅供参考，LD的阈值电流Ith一般在3～10mA比较正常。
由于激光器个体差异会使得输出功率有差异。
七、思考题答案
1、试说明半导体激光器发光工作原理。
答：
半导体激光器（LD）包括工作物质、谐振腔和泵浦源三部分。
工作物质直接决定了激光器的激射波长，1310和1550窗口一般采用InGaAsP/InP材料。
泵浦源一般是采用直接电注入的方法来实现，正向偏置的PN结导带和价带的费米能级发生分离，两准费米能级的差超过禁带宽度时就能实现粒子数反转，光信号通过粒子数反转区域时就能实现放大。
谐振腔能实现光反馈，当光信号在谐振腔中来回反射一次获得的增益超过总损耗时，就能建立起稳定的振荡，实现激射。
由于谐振腔中存在损耗及端面反射镜的透射损耗，受激发射产生的光子将不断消耗，如果增益并非足够大，则不能补偿这种损耗。
只有当增益等于或者大于总损耗时，才能建立起稳定的振荡，这一增益称为阈值增益。
为达到阈值增益所要求的泵浦或者注入电流称为阈值电流。
2、环境温度的改变对半导体激光器P-I特性有何影响
答：
半导体激光器（LD）对工作环境温度的变化非常敏感，在高温环境下工作会影响它的寿命。
对于P-I特性，主要表现在阈值的变化，阈值电流与温度呈指数关系变化：
，
为温度
时的阈值电流，
是工作温度，
表示器件温度特性的特征温度，
较大，表示器件的温度稳定性较好。
3、分析以半导体激光器为光源的光纤通信系统中，半导体激光器P-I特性对系统传输性能的影响。
答：
阈值电流越小，系统工作时的电流就越小，工作稳定性会增加。
阈值电流对应的功率越小，光端机输出的光信号的消光比就较大。
线性区线性度越好，波形越不容易失真。
线性区的P-I曲线斜率要适当。
若太小则驱动信号要求太大，给驱动电路带来麻烦；驱动太大的管子会出现光反射噪声及自动光功率控制环路调整困难。
实验九发光二极管P-I特性测试曲线
一、实验目的
1、学习发光二极管的发光原理
2、了解发光二极管平均输出光功率与注入电流的关系
3、掌握发光二极管P（平均发送光功率）-I（注入电流）曲线的测试
二、实验内容
1、测量发光二极管平均输出光功率和注入电流，并画出P-I关系曲线
2、根据P－I特性曲线，计算发光二极管斜率效率
三、实验仪器
1、ZY1804I型光纤通信原理实验系统1台
2、FC接口光功率计1台
3、850nm光发端机（HFBR-1414T）1个
4、ST-FC多模光跳线1根
5、万用表1台
6、连接导线20根
四、实验原理
半导体光源主要有半导体发光二极管（LED）和半导体激光器（LD）两种。
LD已经在上一个实验介绍过，本实验主要是介绍LED。
半导体发光二极管（LED）是利用半导体P-N结自发发射原理发光的器件的统称。
商品发光二极管种类很多，电信仪表与家电产品的半导体指示灯也是半导体发光二极管。
光纤通信专用半导体发光二极管的特点是高亮度、高响应速度，其制造工艺与价格与半导体指示灯有所不同。
发光二极管（LED）结构简单，是一个正向偏置的PN同质结，电子-空穴对在耗尽区辐射复合发光，称为电致发光。
发光二极管（LED）发射的不是激光，输出功率较小、具有较宽的谱宽（30～60nm）、发射角较大（≈100°）、与光纤的耦合效率较低。
其优点是：
寿命很长，理论推算可达108至1010小时，其次是受温度影响较小，输出光功率与注入电流的线性关系较好，价格也比较便宜，驱动电路简单，不存在模式噪声等问题。
半导体发光二极管（LED）可以做为中短距离、中小容量的光纤通信系统的光源。
对于发光二极管（LED）而言，自发辐射产生的功率是由正向偏置电压产生的注入电流提供的，当注入电流为I，工作在稳态时，电子-空穴对通过辐射和非辐射复合，其复合率等于载流子注入率I/P，其中发射电子的复合率决定于内量子效率ηint，光子产生率为（Iηint/P），因此LED内产生的光功率为
（9-1）
式中，
为光量子能量。
假定所有发射的光子能量近似相等，并设从LED逸出的功率内部产生功率的份额为
，则LED的发射功率为
（9-2）
图9-1LED发光二极管P-I曲线示意图
ηext亦称为外量子效率。
由9-2式可知，LED发射功率P和注入电流I近似成正比。
这说明LED的P-I曲线线性度好，调制时动态范围大，信号失真小。
该实验测量其电光转换特性（P-I特性），工作电流不同的时候，输出功率也不同，基本
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