光纤通信实验.docx
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光纤通信实验
实验一半导体激光器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、ZY12OFCom23BH1型光纤通信原理实验箱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＝0.1～1.0nm），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1-1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1-1。
（1-1）
ΔP/ΔI就是图1-1激射时的斜率，
是普朗克常数（6.625*10-34焦耳
秒），v为辐射跃迁情况下，释放出的光子的频率。
图1-1LD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（测试方法见实验四）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1-1：
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
0.2
0.6
1.2
mW
ForwardVoltage
正向电压
Vf
1.2
1.6
V
RiseTime/FallTime
上升/下降时间
tr/tf
0.3
0.5
ns
……
……
……
……
……
……
表1-1本实验半导体激光器的部分参数参考表
本实验所涉及的实验框图如图1-2，R110（1Ω）与激光器串联。
图1-2激光器工作框图
电路中的驱动电流在数值上等于R110两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R110的精确值（将BM1、BM2都拨到中档，用万用表的欧姆档测T103、T104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、用导线连接电终端模块T68（M）和T94（13_DIN）。
2、将开关BM1拨为1310nm,将开关K43拨为“数字”，将电位器W44逆时针旋转到最小。
3、旋开光发端机光纤输出端口（1310nmT）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T97（TV+）和T98（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＝IR110）。
5、将电位器W46（阈值电流调节）逆时针旋转到底。
6、打开交流电源，此时指示灯D4、D5、D6、D7、D8亮
7、用万用表测量T97（TV+）和T98（TV-）两端电压（红表笔插T97，黑表笔插T98）。
8、慢慢调节电位器W44（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0.1uW。
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）
1
2
3
4
5
6
7
8
I（mA）
P（uW）
U（mV）
9
10
12
14
16
18
20
22
I（mA）
P（uW）
U（mV）
24
26
28
30
32
34
36
38
I（mA）
P（uW）
LD的P-I特性测试表
六、实验测试点说明
T97（V+）、T98（V-）激光器的数字驱动电流测试端
TP108（LT）激光器的输出信号测试端
七、实验报告
1、根据测试结果，算出半导体激光器驱动电流，画出相应的光功率与注入电流的关系曲线。
2、根据所画的P-I特性曲线，找出半导体激光器阈值电流
的大小。
3、根据P-I特性曲线，求出半导体激光器的斜率效率。
4、实验结果及误差分析正确。
八、思考题
1、试说明半导体激光器发光工作原理。
2、环境温度的改变对半导体激光器P-I特性有何影响？
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。
试验二用户电话接口实验
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、ZY12OFCom23BH1型光纤通信原理实验箱1台
2、20MHz双踪模拟示波器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自终端相连（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，各种继集成的SLIC相继出现，他们大都采用半导体工艺或是薄膜、厚膜会和工艺，性能稳定，价格低廉，以实现了通用化。
在程控交换机中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，它拥有用户接口电路常用的7种功能外，还拥有电流限制、挂机传输、极性反转和环路检测等功能。
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。
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，以向中央控制处理单元指示用户1已经摘机。
此时中央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。
中央控制单元根据用户1的所拨的号码定位到用户2，并向与用户连接的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。
在振铃状态下，Am79R70将铃流电路产生的RV通过RINGIN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，以向中央控制处理单元指示用户2已经摘机。
此时中央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、用户接口电路的电路原理图
用户接口电路和电话接续实验将主要完成振铃、回铃、忙音、摘挂机监测、电话传送语音信号测试等功能。
此部分实验需要结合电话信令控制模块来完成，电话信令控制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J3）与系统相连，二极管D1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亮表示处于摘机状态。
测试钩TP4,TP5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：
3.1来自PCM模块的话音信号。
3.2来自信令控制模块的各种音信号（回铃、振铃、忙音信号）。
信令控制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
有用户呼叫吗？
NO
呼叫
YES
被叫闲吗
NO
YES
来话接续
向主叫送忙音
向被叫送振铃，向主叫送回铃音
NO
主叫挂机吗？
NO
被叫应答吗？
YES
应答
YES
停送铃流，停回铃音，接通电路
NO
话端挂机吗
挂机
拆线（释放复原）
开始
五、实验步骤
1、用连接线连接电终端模块的T66（C_O）和T71（C_I），T65（D_O）和T69（D_I），分别接好两部电话机。
2、将PCM编译码模块的开关K1，K2，K3，K4和K5分别拨向下。
3、将电终端模块拨码开关K35的值拨为“0000”，拨码开关K34的值拨为“00000000”。
4、打开交流电源，电源指示二极管D4，D5，D6，D7，D8亮
5、用示波器测量电话信令控制模块测试钩TP9（25HZ）和TP11（450HZ）的波形，调节电位器W2使得TP9（25HZ）为频率25HZ的方波，调节电位器W7使得TP11（450HZ）为频率450HZ的正弦波，通过电位器W1调节使得450H正弦波的峰-峰值为1V左右，不能过大。
a、电话的摘挂机状态测试
将电话接口1所连接的电话摘机，此时二极管D1发光，同时另一部电话发出振铃信号。
此时用示波器探头测量电话信令控制模块测试钩TP15（XL1）的波形，其波形应为频率8KHz，占空比为15%的周期性信号。
将两部电话分别摘机，观测此时TP15（XL1）信令的变化。
用示波器测量TP16（XL2），其为电话接口2模块电话机的信令信号测试点。
测试完成后，将两部电话挂机。
b、电话振铃，回铃信号测试
将电话接口1模块的电话摘机，用示波器探头测量测试钩TP7（HUILING）回铃信号的波形，观察其波形的特点，并进行分析；
用示波器探头测量测试钩TP21（RING2）的波形，将其记录下来分析：
将电话接口1的电话挂机，同时将电话接口2模块的电话摘机，测量TP7（HUILING）和TP22（RING1）的波形，并对其进行分析。
c、电话话音信号传输及信令信号传输功能测试
将两部电话同时摘机，用话机的听筒听对方话机传来的拨号音，同时利用示波器探头来测量TP4（RX1）和TP24（TX2）、TP5（TX1）和TP23（RX2）的波形，对比电话1和电话2之间的接收和发送信号波形。
将电话进行按键，观察不同按键时电话发送信号和接收信号的变化。
用示波器探头测量测试钩TP15（XL1）和TP16（XL2）的波形，通过对比观测两者之间的区别。
测量测试钩TP17（YIN1）和TP20（YIN2）的波形，分别在振铃（即一部电话摘机，另一部挂机）、接通（两部电话同时摘机）和忙音（一部电话摘机，一部电话挂机）三种状态下测量，记录下其波形。
d、忙音信号测试
将接通好的两部电话中的任意一部挂机，用示波器测量测试钩TP6（MYIN）的波形，并画出其波形。
6、关闭交流电源，拆除各个连线，将实验箱还原。
六、实验测试点说明
TP5（TX1）电话接口1的模拟输出端
TP4（RX1）电话接口1的模拟输入端
TP24（TX1）电话接口2的模拟输出端
TP23（RX1）电话接口2的模拟输入端
TP11（450HZ）450HZ正弦波信号
TP9（25HZ）25HZ正弦波信号
TP6（MYIN）忙音信号测试端
TP7（HLING）回铃信号测试端
TP15（XL1）信令信号测试端
TP16（XL2）信令信号测试端
TP17（YIN1）电话1的信号测试端
TP20（YIN2）电话2的信号测试端
TP22（RING1）电话1的振铃信号测试端
TP21（RING2）电话2的振铃信号测试端
七、实验报告
1、画出振铃、回铃和忙音信号的波形
2、试分析信令在电话热线呼叫过程中的作用
3、写出用户接口电路的主要功能。
八、思考题
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TP17（YIN1）和TP（YIN2）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、实验内容
1、电话光纤传输系统实验
三、实验仪器
1、ZY12OFCom23BH1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-FC单模光跳线1根
4、电话机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-ST多模光跳线（可选）1根
8、连接导线20根
四、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业化。
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。
图4-1电话模拟光纤传输
图4-2电话数字光纤传输
图4-3时分复用帧结构示意图
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8-1所示。
另一种方式为数字电话光纤传输。
在数字传输系统中，几乎所有业务均以一定的格式出现，因而在信道上对各种业务传输之前要对业务的数据进行包装。
信道上对业务数据包装的过程称之为帧组装。
不同的系统、信道设备帧组装的格式、过程不一样。
时分复用制的数字通信系统，在国际上已逐渐建立起标准并广泛使用。
时分复用（TDM）的主要特点是在一个信道上利用不同的时隙来传递各路（语音、数据或图像）不同信号。
各路信号独立、互不干扰。
实际的电话业务共有32个时隙，其中30个时隙用于话音业务。
第一个时隙为定位时隙，用于做帧同步提取用。
第二到第十六个时隙传输话音业务，第十七个时隙用于信令信号传输，以实现信令的接续。
第十八到三十二时隙用于话音业务。
在我们的实验箱中，电话用户接口输出的两路模拟信号经过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4-2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），图29-3为PCM编码一帧的结构示意图。
在此实验中，实验原理主要采用4-2来进行电话信号的传输。
五、实验步骤
1、用连接线连接电终端模块的T66（C_O）和光终端T81（C_I），T65（D_O）和T82（D_I）；
连接光终端模块T85（C_O）和电终端T71（C_I），T86（D_O）和T69（D_I）；
连接电终端模块和数字终端模块的T70（D1_O）和T88（D1_I），T72（D2_O）和T75（D2_I），T73（D3_O）和T74（D3_I），分别接好两部电话。
2、将电终端拨码开关K35的值拨为“1000”，K34值拨为“00000000”，光终端拨码开关K38的值拨为“0000”，将K37的值拨为“01000000”；
将光终端开关K7、K28和K29全部拨向下。
3、旋开光发端（1550nmT）保护帽，利用FC-FC单模光跳线将1550光发端机和1550光接收机连接起来。
4、打开交流电源，打开交流电源开关，电源指示二极管D4，D5，D6，D7，D8亮。
5、将两部电话摘机，即可进行全双工通话。
其中接续控制部分的内容见附录一。
6、分别对两部电话进行按键，观测数字终端二极管发光的变化。
7、根据以上步骤设计1310nm数字电话光纤传输实验。
8、试验完成后，拆除所有的连线，将实验箱还原。
六、实验报告
1、画出数字电话通信的原理框图。
2、记录实验过程中各点的波形，进行分析。
七、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。
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