实验三 模拟信号光纤传输系统实验.docx

1、实验三 模拟信号光纤传输系统实验实验三 模拟信号光纤传输系统实验一、 实验目的和意义1、 了解发光端机的发光管特性；2、 掌握如何在光纤信道中高性能传模拟信号；3、 掌握发送光端机中传输模拟信号驱动电路的设计；4、 了解光检测器的原理；5、 光接收机的组成； 二、实验系统的构成和实验步骤实验仪器：“实验箱”、20MHz示波器、低频信号源、光功率计实验原理：1、模拟光纤传输系统的主要技术指标：模拟光纤传输系统有两个关键性的质量指标：（1） 信噪比S/N（2） 信道线性度（非线性失真度）信噪比S/N与道线性度分别表达噪声大小和线性好坏，这两个指标的数值依据传输的实际用途而定。一般地说高质量的电视传

2、输（例如演播室图象传输）要求信噪比S/N达到56dB，差分增益G=0.3dB（差分增益是用于表示在不同输入信号电平上所引起增益的差值，即通道的线性度）。对于数字载波传输系统（模拟信号传输），所需信噪比S/N和通道线性度一般比这要求低，可根据实际系统指标的分配决定。2、模拟光纤传输系统的噪声来源 噪声问题是模拟光纤系统主重要的问题之一，系统的任何组成部分包括有源部件和无源部件都可产生噪声，并叠加在传输信号之上。在AM传输系统中，主要由光发射机、传输光纤、光接收机和各类连接器所组成。在光接收机中光检测器又由光检二极管和前置放大器组成。 模拟光纤传输链路中的噪声主要来源于以下几个方面：（1） 光发射

3、机中激光器光强的涨落,即相对强度噪声。在模拟光纤系统中，激光器的直流偏置点是置于线性范围的中间，即在高于激光器阀值电流Ith的某一电流I处。相对强度噪声随着激光器的偏置不同而变化，在阀值附近，其达到最大，随着偏置增加，即激光器输出功率增加，其会下降。相对强度噪声和激光器的工作频率亦有关系，一般在低频时较小，而在高频时相对强度噪声则明显增加。（2） 由光纤链路中光纤连接器（活接头）、固定连接点（死接头）、光纤耦合端面产生反射光以及光纤内部缺陷多次反射（瑞利散射）进入激光器腔内引起干涉强度噪声。（3） 光接收机中光检测二极管产生的量子噪声。（4） 光接收机中光检测器前置放大器产生的热噪声。 3、模

4、拟光纤传输系统的信号失真模拟光纤传输系统中非线性失真包括以下几个方面：（1） 激光器进行调制用的驱动放大器失真；（2） 激光器调制非线性失真（附加频率调制）；（3） 光纤色散（含光纤传输中的多个分路器、连接器等）引起的非线性失真（与二次失真相似）；（4） 光接收机的光检测二极管光电变换的非线性和接收机内放大器引起的失真等。在以上因素中，光发射机中激光器调制特性和光纤色散效应是非线性失真的主要原因。 4、激光器电光特性的非线性 激光器的非线性很大程度上展现在激光器输出光功率（P）和注入电流（I）的关系，即激光器的P-I曲线上。要使系统有好的传输特性，选择P-I曲线线性好的激光器件是很重要的。 从

5、激光器的P-I特性曲线可看出，在超过门限电流Ith以后，光输出相对于电流是直线增加，但有逐渐达到饱和的倾向，激光器的工作就是利用这一直线段，一般把偏置电流设定于这直线段的中部，利用信号电流进行光强度调制，所以其线性（直线的程度）就显得极为重要。这段直线的倾斜度，即表示驱动电流变化引起光强度变化的比例，也称为微分效率，以mW/mA为单位表示，它相当于调制时的调制灵敏度，若离开直线段，就会产生失真。即使在类似直线段内，但只要稍有弯曲，在已调制的光输出信号中，就包含有失真成分。在实验箱中，当光纤传输模块需设定为模拟传输方式时，K301置成2-3状态（将跳线器K301设置在右边）。在模拟信号光纤传输中

6、，由于对信号的线性度具有一定的要求，因而对发光管的偏置及发送信号的大小均有要求。这在电路中通过调整电位器W303、W302来实现的。U304A为模拟输入信号的缓冲放大，调整电位器W302使TP304处的电压为0.5Vp-p。然后，模拟信号经T303射随，T304放大。电位器W303是调整发光管的直流偏置状态，一般调到TP302、TP303两端的直流为0.15V。在实验中以第一输入中频通道进行实验（S001输入B002输出）。实验步骤1、 在J002（信号）、J003（地）测试信号输入端由信号发生器输入一测试信号，信号电平为2Vp-p，信号频率为1MHz。2、 将光纤尾纤与光收发模块相连，一头接

7、HFBR1414T（TX），另一头接HFBR2416T（RX），注意在插入时应较顺利，不要太过使劲。3、 有关跳线器的设置如下：（1） K302为2-3（跳线器在右端，接入测试信号）（2） K301为2-3（跳线器在右端，模拟光纤传输）（3） K401为2-3（跳线器在右端，模拟光纤传输）（4） K104设置成7-8，关闭噪声发生器，如图2.2-1所示图2.2-1 K104的状态4、 加电。5、 发光管电光转换特性测量：断开输入测试信号，用W303将调节发光管的注入电流。注入电流的大小的测量通过测量电阻R312两端（TP302、TP303之间的电压。注：TP302在U303上方的测试孔）的电压

8、计算获得。用光功率计测量实际输出光功率，并与上面测量计算值进行比较。这样可测量出一组数据，从而得出相应的发光管的电光转换特性（若想画出比较好的曲线，至少应取10组数据）。6、 模拟光纤传输终端发光管静态工作注入电流调整：断开输入测试信号，调整电位器W303将调节发光管的注入电流。注入电流的大小的测量通过测量电阻R312（10欧）两端（TP302、TP303之间的电压）的电压计算获得（在模拟光纤传输系统中，R312两端的电压一般调到0.15V）。7、 线性度调整：接入测试信号，在测试信号输入端处输入1MHz的正弦波信号，其幅度为2Vp-p。调整电位器W302的大小，使测试点TP304的信号电压达

9、到0.5Vp-p。在TP401点测量所接收收的信号。改变发光端机的频率、幅度、驱动电压大小、发光管直流偏置等参数，以观察这些参数对传输系统的影响。每次都只变一个参数。8、 K104设置成3-4（如图2.1-1所示），加入噪声信号，调整电位器W101，观察TP402波形和TP401波形。图2.2-1 K104的状态9、 分别接0DB法兰、3DB法兰、5DB法兰、10DB法兰和1Km左右的光榄。连接收发信机，观察输入信号（J002,J003）和输出信号（TP401）。10、信号源改用方波，测量衰减以及加入噪声对传输系统的影响。三、实验数据的分析与处理1.实验测量的R312两端电压和输出光功率数据如

10、下：U/V0.060.0650.070.0750.080.0850.090.0950.10.110.120.130.140.150.160.170.18P/dBm-29.2-28.6-28.05-27.5-27-26.65-26.3-25.9-25.5-24.85-24.3-23.8-23.3-22.9-22.5-22.1-21.8U/V0.190.20.230.260.290.320.350.380.410.440.470.50.530.560.590.610.64P/dBm-21.5-21.2-20.5-19.8-19.25-18.65-18.2-17.8-17.45-17.1-16.85

11、-16.6-16.35-16.1-15.9-15.8-15.6对数据进行拟合：对曲线进行分析：在测量范围内，光电管呈现出良好的线性关系，这段直线的倾斜度大约为0.077，因此调制时的调制灵敏度大约为0.077W/mA。在实际实验中我们也发现当UR312超过大约634mV左右时,输出光功率基本保持不变，说明光电管进入饱和区。根据理论知识，我们知道一旦光电管离开直线段，就会产生失真。即使在类似直线段内，只要稍有弯曲，在已调制的光输出信号中，就包含有失真成分。2. 分别调整：信号源频率、信号源幅度、发光管直流偏置等参数，以观察这些参数对传输系统的影响。每次都只变一个参数。合适工作点下不失真图像改变信

12、号源频率，以适合工作点为中心，改变频率。频率间隔约为500MHz分别加入0dB、3dB、5dB、10dB的法兰盘和1km的光纤。得到的图像依次如下改变发光管直流偏置，以500mA为中心，间隔为50mA，上下变动。改变输入电平，以2v为中心，0.5v为间隔。得到的图像依次如下信号源改用方波，测量0dB、3dB、5dB、10dB的法兰盘和1km的光纤。图像如下对上面图像结果依次进行分析：对合适工作点进行分析：无损耗法兰连接收发信机时，这时我们发现接收机接收到的模拟信号与入射信号波形基本相似。但是在脉冲的上升沿和下降沿变得稍缓且平顶部分波动性增加，说明丢失了某些高频成分，一方面是因为我们的传输系统存

13、在一定的带宽，这必然会丢失一些高频成分；另一方面在信号传递的过程中，系统的任何组成部分包括有源部件和无源部件都可产生噪声，并叠加在传输信号之上，源于：光发射机中激光器光强的涨落,即相对强度噪声；由光纤链路中光纤连接器（活接头）、固定连接点（死接头）、光纤耦合端面产生反射光以及光纤内部缺陷多次反射（瑞利散射）进入激光器腔内引起干涉强度噪声；光接收机中光检测二极管产生的量子噪声；光接收机中光检测器前置放大器产生的热噪声。改变信号源频率，可以看出接收到的频率和发射的频率基本没有变化。分别加入0dB、3dB、5dB、10dB的法兰盘和1km的光纤。当连接收发机的法兰损耗不同时，信号有不同的变化。首先显

14、而易见的是法兰损耗增加时，接收端信号幅值下降；其次信号失真的程度是不同的，这是因为不同的法兰引入的色散有所不同，因此引起的非线性失真也稍有不同。但是总体而言，不同损耗的法兰插入时，除了使接收信号发生明显幅值变化，实际上波形变化很小，说明法兰引入的失真比较小。而1km左右的光纤插入比10DB损耗法兰的插入信号峰峰值略大，但是信号失真程度更为严重。这是因为光纤长度增加，由光纤色散效应带来的非线性失真也更为明显。改变发光管直流偏置，由调整发光管直流偏置得到的图像可以看出并未有很大的失真，这是因为直流偏置电流极值限制，工作点未偏离P-I曲线直线段，所以饱和失真并不明显。改变输入电平，可以发现电平逐渐增

15、大会出现失真。信号源峰值略大造成的将信号源改用方波，同样可以观察到一些失真。一方面传输系统存在一定的带宽，这必然会丢失一些高频成分；另一方面在信号传递的过程中，系统的任何组成部分包括有源部件和无源部件都可产生噪声，并叠加在传输信号之上造成失真。相关问题1 为什么在传输模拟信号时，不能将输入信号放大得很大？实验中我们并未进行这一步骤，但是因为对实验原理及器件认识的不足，我们无意调整电位器W302的大小，且超过0.5Vp-p，这时候测试TP402，发现信号峰峰值超过了20V。事实上，接收机接收到的信号很小，因此需要进行信号放大，放大倍数一定的情况下如果输入信号比较大，会造成放大后的电压值很大，而接

16、收管的受压能力有限，这会很容易烧毁器件。因此传输模拟信号的时候，不能将输入信号放大的很大。同时，幅值太大可能会出现截止或饱和削波失真。2 接收信号线性度与发光端机静态注入电流的关系静态注入电流若很大，则会产生饱和失真；若太小，则有可能产生截止失真。相对强度噪声也随注入电流不同而变化，相对强度噪声和工作光输出相对于电流是直线增加，但有逐渐达到饱和的倾向，偏离线性区，接收信号失真更明显。即使在类似直线段内，但只要稍有弯曲，在已调制的光输出信号中，就包含有失真成分。四、实验误差分析及总结1. 仪表误差：光功率计受外界光的影响，因此读数可能会有一定误差；万用表内有电阻，因此测出的电压也存在一定的偏差。

17、2、最合适的静态工作点估计存在一定误差。3、环境对测量结果也产生一定影响。4、噪声导致实验测量结果存在偏差:系统的任何组成部分包括有源部件和无源部件都可产生噪声，并叠加在传输信号之上。在AM传输系统中，噪声主要由光发射机、传输光纤、光接收机和各类连接器所组成，只能减小，但是不能完全消除5、器件本身也会引入误差，包括器件制作上的缺陷，器件放置位置方向，光纤弯曲等问题。6、总结模拟光纤传输系统中非线性失真包括以下几个方面：激光器进行调制用的驱动放大器失真；激光器调制非线性失真（附加频率调制）；光纤色散（含光纤传输中的多个分路器、连接器等）引起的非线性失真（与二次失真相似）；光接收机的光检测二极管光

18、电变换的非线性和接收机内放大器引起的失真等。7、模拟光纤传输链路中的噪声主要来源于以下几个方面： 光发射机中激光器光强的涨落,即相对强度噪声。、由光纤链路中光纤连接器（活接头）、固定连接点（死接头）、光纤耦合端面产生反射光以及光纤内部缺陷多次反射（瑞利散射）进入激光器腔内引起干涉强度噪声、光接收机中光检测二极管产生的量子噪声。以及光接收机中光检测器前置放大器产生的热噪声。参考文献：1 师雄伟,张乾坤.基于FPGA的实时数字化光纤传输系统J.电子科技,2012,25(2):26-29,53.DOI:10.3969/j.issn.1007-7820.2012.02.008. 2 刘志超.光纤中信号

19、传输特性的仿真分析及应用研究D.安徽大学,2010.DOI:10.7666/d.d158834.3. 陈宏标,超长距离光传输系统设计,华中科技大学，20064. 王乐，关于LED应用于照明的研究和设计，浙江大学，20055. 刘志唐，视频、音频、双向数据光纤传输系统的设计，哈尔滨工业大学，2004拟合Matlab程序如下：I=0.06 0.065 0.07 0.075 0.08 0.085 0.09 0.095 0.1 0.11 0.12 0.13 0.14 0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.2 0.23 0.26 0.29 0.32 0.35 0.38 0.41 0.44

20、 0.47 0.5 0.53 0.56 0.59 0.61 0.64;P=-29.2 -28.6 -28.05 -27.5 -27 -26.65 -26.3 -25.9 -25.5 -24.85 -24.3 -23.8 -23.3 -22.9 -22.5 -22.1 -21.8 -21.5 -21.2 -20.5 -19.8 -19.25 -18.65 -18.2 -17.8 -17.45 -17.1 -16.85 -16.6 -16.35 -16.1 -15.9 -15.8 -15.6;P1=10.(P./10);P2=1000*P1;M=polyfit(I,P2,2);N=polyval(M,I);plot(I,P2,B*,I,N,g)grid ontitle(发光管的光电流特性)xlabel(U-FORWARD CURRENT-mV)ylabel(P-OUTPUT POWER-W)