光纖實驗指導(dǎo)書

1、實驗一 數(shù)字信源及其光纖傳輸實驗一實驗?zāi)康?.了解單極性碼、雙極性碼、歸零碼、不歸零碼等基帶信號波形特點。 2.掌握集中插入幀同步碼時分復(fù)用信號的幀結(jié)構(gòu)特點。二實驗設(shè)備及器材配置1.光纖通信實驗箱。 2.數(shù)字示波器。三實驗內(nèi)容用示波器觀察單極性非歸零碼（NRZ）、位同步信號（BS）及幀同步信號（FS），了解它們的對應(yīng)關(guān)系。本實驗使用數(shù)字信源模塊。 本模塊是整個實驗系統(tǒng)的發(fā)終端，其原理方框圖如圖1-1所示。本單元產(chǎn)生NRZ信號，信號碼速率約為170.5KB，幀結(jié)構(gòu)如圖1-2所示。幀長為24位，其中首位無定義，第2位到第8位是幀同步碼（7位巴克碼1110010），另外16位為2路數(shù)據(jù)信號，每路8位

2、。此NRZ信號為集中插入幀同步碼時分復(fù)用信號。發(fā)光二極管亮狀態(tài)表示1碼，熄狀態(tài)表示0碼。 本模塊有以下測試點及輸入輸出點： CLK為晶振信號測試點，BS OUT為信源位同步信號輸出點/測試點，F(xiàn)S OUT為信源幀同步信號輸出點/測試點，NRZ-OUT為NRZ信號輸出點/測試點。圖1-1 數(shù)字信源方框圖圖1-2 幀結(jié)構(gòu) 下面對分頻器，八選一及三選一等單元作進(jìn)一步說明。分頻器 74161進(jìn)行13分頻，輸出信號頻率為341kHz。74161是一個4位二進(jìn)制加計數(shù)器，預(yù)置在3狀態(tài)。 74193完成÷2、÷4、÷8、÷16運算，輸出BS、S1、S2、S3等4個信號

3、。BS為位同步信號，頻率為170.5kHz。S1、S2、S3為3個選通信號，頻率分別為BS信號頻率的1/2、1/4和1/8。74193是一個4位二進(jìn)制加/減計數(shù)器，當(dāng)CPD= PL =1、MR=0時，可在Q0、Q1、Q2及Q3端分別輸出上述4個信號。 40160是一個二一十進(jìn)制加計數(shù)器，預(yù)置在7狀態(tài)，完成÷3運算，在Q0和Q1端分別輸出選通信號S4、S5，這兩個信號的頻率相等、等于S3信號頻率的1/3。 分頻器輸出的S1、S2、S3、S4、S5等5個信號的波形如圖1-3（a）和1-3（b）所示。八選一采用8路數(shù)據(jù)選擇器4512，它內(nèi)含了8路傳輸數(shù)據(jù)開關(guān)、地址譯碼器和三態(tài)驅(qū)動器，其真值

4、表如表1-1所示。U24、U25和U27的地址信號輸入端A、B、C并連在一起并分別接S1、S2、S3信號，它們的8個數(shù)據(jù)信號輸入端x0 x7分別與K1、K2、K3輸出的8個并行信號連接。由表1-1可以分析出U24、U25、U27輸出信號都是碼速率為170.5KB、以8位為周期的串行信號。三選一三選一電路原理同八選一電路原理。S4、S5信號分別輸入到U8的地址端A和B，U24、U25、U27輸出的3路串行信號分別輸入到U8的數(shù)據(jù)端x3、x0、x1，U8的輸出端即是一個碼速率為170.5KB的2路時分復(fù)用信號，此信號為單極性不歸零信號（NRZ）。倒相與抽樣 圖1-1中的NRZ信號的脈沖上升沿或下降

5、沿比BS信號的下降沿稍有點滯后。在實驗二的數(shù)字調(diào)制單元中，有一個將絕對碼變?yōu)橄鄬Υa的電路，要求輸入的絕對碼信號的上升沿及下降沿與輸入的位同步信號的上升沿對齊，而這兩個信號由數(shù)字信源提供。倒相與抽樣電路就是為了滿足這一要求而設(shè)計的，它們使NRZ-OUT及BS-OUT信號滿足碼變換電路的要求。圖1-3 分頻器輸出信號波形表1-1 4512真值表CBAINHDISZ00000x000100x101000x201100x310000x410100x511000x611100x71001高阻 FS信號可用作示波器的外同步信號，以便觀察2DPSK等信號。 FS信號、NRZ-OUT信號之間的相位關(guān)系如圖1-

6、4所示，圖中NRZ-OUT的無定義位為0，幀同步碼為1110010，數(shù)據(jù)1為11110000，數(shù)據(jù)2為00001111。FS信號的低電平、高電平分別為4位和8位數(shù)字信號時間，其上升沿比NRZ-OUT碼第一位起始時間超前一個碼元。圖1-4 FS、NRZ-OUT波形四實驗步驟1.熟悉信源模塊的工作原理，用示波器觀察數(shù)字信源模塊上的各種信號波形。2.用FS作為示波器的外同步信號，進(jìn)行下列觀察：示波器的兩個探頭分別接NRZ-OUT和BS-OUT，對照發(fā)光二極管的發(fā)光狀態(tài)，判斷數(shù)字信源單元是否已正常工作（1碼對應(yīng)的發(fā)光管亮，0碼對應(yīng)的發(fā)光管熄）；用K1產(chǎn)生代碼×1110010（×為任

7、意代碼，1110010為7位幀同步碼），K2、K3產(chǎn)生任意信息代碼，觀察本實驗給定的集中插入幀同步碼時分復(fù)用信號幀結(jié)構(gòu)，和NRZ碼特點。用K1產(chǎn)生代碼11110010,K2產(chǎn)生代碼00011100,K3產(chǎn)生代碼01110000(其中K1的代碼為幀同步碼,K2和K3是產(chǎn)生的信息碼,可以任意定義).3.分析實驗結(jié)果，完成實驗報告。實驗二 光發(fā)送模塊實驗一 實驗?zāi)康?.了解光源的發(fā)光特性。2.掌握光發(fā)送模塊所完成的電光變換原理。3.了解模擬光發(fā)送和數(shù)字光發(fā)送的區(qū)別。二實驗設(shè)備1.光纖通信實驗箱。 2.數(shù)字示波器。3.光功率計。 三實驗內(nèi)容在光纖通信系統(tǒng)中，光發(fā)送模塊是比較關(guān)鍵的電路模塊之一，該模塊性

8、能的好壞，與整個系統(tǒng)的穩(wěn)定工作有很大的關(guān)系，在設(shè)計時，應(yīng)盡量提高電光轉(zhuǎn)換效率，減小其工作時動態(tài)阻值，提供適當(dāng)?shù)墓ぷ麟娏鳌o論是1310nm或1550nm波長的光器件，其發(fā)送電路都是一樣，下面對電路組成原理及光器件特性進(jìn)行分析：信號切換電路部分的原理方框圖及電路原理圖分別如圖3-1和圖3-2所示。模擬信號控制開關(guān)光發(fā)模塊切換電路光纖光纖數(shù)字信號圖3-1 信號切換電路原理框圖本電路完成光發(fā)送模塊的輸入信號的切換，即模擬信號與數(shù)字信號的切換。圖3-1中各單元與圖3-2中元器件的對應(yīng)關(guān)系如下：l 控制開關(guān)S1：撥位開關(guān)l 切換開關(guān)K5：雙刀雙擲繼電器l 光發(fā)模塊D18：PHLC_XXP激光器件圖3-2

9、 信號切換電路原理圖切換開關(guān)為圖3-2中的K5，當(dāng)K5未吸合時，傳送的為模擬信號，吸合時，傳送的為數(shù)字信號?？刂崎_關(guān)為圖中的S1，當(dāng)S1接通時，K5吸合。在電路中，開關(guān)K5為模塊的電源開關(guān)。開關(guān)S1用來完成對模擬信號及數(shù)字信號之間的切換，主要是通過繼電器K5來完成切換動作。1.件特性：1310nm/1550 nm FP Receptacle Laser Diode，1310nm/1550 nm FP腔同軸激光二極管2.特點： MQW結(jié)構(gòu)1310nm/1550nm FP腔激光二極管-40°C 至 85°C工作溫度高工作溫度，無需制冷器內(nèi)置背光檢測激光二極管3.應(yīng)用： 穩(wěn)定光源

10、，置入損耗測量表。4.光電特性： 參數(shù)符號最小值典型值最大值單位工作溫度中心波長128013101340nm152015501580譜線寬度25nm閾值電流lth815mA輸出功率P。0.20.61.2mWIf=Ith+20mA正向電壓Vf1.21.6VCW,P。上升/下降時間tr/tf0.30.5nsP。，Ibias=Ith，10%-90%監(jiān)視器電流Im0.2mAP。=0.2mW，Vrp=5V暗電流Id110nAVrp=5V額定極限值（Tc=25°C）參數(shù)符號最小值典型值最大值單位LD 正向電流If100mALD 反向電壓Vr2VPD 反向電壓Vrp15VPD 反向電流Irp2mA

11、工作溫度Topr-40+85°C存儲溫度Tstg-40+100°C管腳焊接溫度Stemp260°C管腳焊接時間Stime10s5.基本測量點與信號調(diào)節(jié)：光發(fā)射電流的測量：跳線J8為光發(fā)射二極管的發(fā)射電流測量點，平時J8處于短接狀態(tài)，當(dāng)要測量電流時，將跳線帽取下，串入一個電流表即可。輸入信號的衰減：對于模擬信號，模塊對信號的要求是其幅度小于等于1Vp-p，當(dāng)幅度過大時，就會造成信號失真。電阻R86為輸入模擬信號的衰減調(diào)節(jié)，即調(diào)節(jié)輸入模擬信號的幅度，使其在1Vp-p的范圍內(nèi)。光發(fā)射電流的調(diào)節(jié)：R95為光發(fā)射電流調(diào)節(jié)電阻，調(diào)節(jié)該電阻即可調(diào)節(jié)整機(jī)的光發(fā)射電流，在全范圍內(nèi)調(diào)

12、節(jié)該電阻都不會對光發(fā)射二極管造成損壞。對于本實驗電路，其最佳光發(fā)射電流為18mA左右(該值為參考數(shù)據(jù))。四實驗步驟1310nm光纖模塊部分：1.熟悉光發(fā)模塊的工作原理及結(jié)構(gòu)組成，了解半導(dǎo)體激光器件的性能及在操作上應(yīng)注意的事項。2.打開系統(tǒng)電源，觀察電源指示燈是否正常。用示波器檢測數(shù)字信號源的BS輸出是否正常；用示波器檢測正弦信號的輸出OUT1 和OUT2是否正常。3.關(guān)閉系統(tǒng)電源，用實驗導(dǎo)線把數(shù)字信號源的BS輸出端與光發(fā)送模塊的DIGITAL_IN相連接，用示波器觀測各關(guān)鍵測試點的波形：DIGITAL_IN端口、J8（I_measure）。檢查光發(fā)送模塊的切換開關(guān)S1是否撥向數(shù)字狀態(tài)，同時檢查

13、模塊電源開關(guān)（POWER SWITCH）是否處于打開狀態(tài)，接通系統(tǒng)電源，用示波器觀察J8的波形及電壓，是否處于正常狀態(tài)（正常狀態(tài)時，此點的波形應(yīng)該與輸入點的波形同相，且幅度變?。Ｆ渲袛?shù)字輸入端口為T2輸入信號的波形，J8為進(jìn)入激光器前的驅(qū)動信號波形。4.用光功率計測量光纖輸出光的功率：調(diào)節(jié)可調(diào)電阻R95，改變注入電流，觀察光功率計的變化。將光纖慢慢從激光器件中抽出，觀察光功率計的變化。5.關(guān)閉系統(tǒng)電源，用實驗導(dǎo)線把正弦信號源的任一輸出端與光發(fā)送模塊的模擬輸入端T1相連接，用示波器觀測各關(guān)鍵測試點的波形：模擬輸入端口T1、J8。其中模擬輸入端口T1為輸入信號的波形， J8為進(jìn)入激光器前的驅(qū)動信

14、號波形。調(diào)節(jié)R86以改變輸入模擬信號的衰減，使其進(jìn)入光發(fā)模塊的幅度達(dá)到合適的值，防止信號的飽和失真，在調(diào)節(jié)的同時用示波器觀察J8上的波形，直至波形不失真為止。6.重復(fù)第四步的操作。調(diào)節(jié)R95和R86，觀察光功率計的變化?？偨Y(jié)輸入信號幅度的大小及注入電流對光功率的影響。7.更換輸入模擬信號的波形，重復(fù)第五步的操作。對于1550nm光纖模塊部分的實驗與1310nm部分相同。實驗三 數(shù)字信號電光、光電轉(zhuǎn)換傳輸實驗一、 實驗?zāi)康?、 了解數(shù)字光纖系統(tǒng)的通信原理。2、 掌握各種數(shù)字信號的傳輸機(jī)理。3、 初步了解完整光纖通信系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)。二、 實驗內(nèi)容1、 用示波器觀察各傳輸信號的波形。2、 使用實

15、驗系統(tǒng)中提供的各種信號進(jìn)行光傳輸實驗，有：170KHz方波、NRZ碼、CMI碼等。三、 基本原理本次實驗主要完成各種數(shù)據(jù)的光纖傳輸，本次實驗所用到的數(shù)字信號主要有：170KHz方波、NRZ碼、CI碼。各信號的詳細(xì)介紹及各組成部分電原理圖請參看前面實驗的講解。各信號的光纖傳輸示意圖分別如圖7-1、圖7-2、圖7-3所示。圖7-1 方波信號光纖傳輸示意圖圖7-2 NRZ碼光纖傳輸示意圖圖7-3 CMI碼光纖傳輸示意圖四、 實驗步驟1310nm光纖模塊實驗：1. 熟悉光發(fā)送模塊和光接收模塊的工作原理及結(jié)構(gòu)組成，了解半導(dǎo)體激光器件PHLC-XXX-R和PHPC-1S01-PFC的性能及在操作上應(yīng)注意的

16、事項。2. 打開系統(tǒng)電源，觀察電源指示燈是否正常。用示波器檢測數(shù)字信號源的NRZ、BS輸出是否正常。3. 關(guān)閉系統(tǒng)電源，用實驗導(dǎo)線把數(shù)字信號源的BS輸出端與光發(fā)送模塊的數(shù)字輸入T2相連接，檢查光發(fā)送模塊的切換開關(guān)S1是否撥向數(shù)字狀態(tài)，同時檢查模擬電源開關(guān)是否處于開啟狀態(tài)，接通系統(tǒng)電源，用示波器觀察J8點的波形及電壓，是否處于正常狀態(tài)，正常狀態(tài)時，此點的波形應(yīng)該與輸入點的波形同相，且幅度變小?？蓞⒁妶D5-4數(shù)字信號發(fā)送波形檢測。4. 若J8點的信號電平正常，用示波器觀察接收電路輸出端口DIGITAL_OUT的波形，并與光發(fā)送輸入端波形相比較。參見圖7-5 BS信號在光纖傳輸前后的比較 檢測點波形

17、數(shù)字信號源單元BS點1310nm光纖收發(fā)模塊光接受輸出單元數(shù)字輸入 T4圖7-5 BS信號在光纖傳輸前后的比較5. 將輸出接入誤碼測試儀，觀察誤碼。6. 重復(fù)以上步驟，分別對NRZ、CMI信號進(jìn)行光纖傳輸，對光纖輸出的信號進(jìn)行譯碼，觀察譯碼后的波形。7. 對于NRZ信號的光纖傳輸，接線如下所示，輸出觀測點是光接收輸出單元 DIGITAL T4點。波形參見圖7-6 NRZ信號在光纖傳輸前后的比較。模塊連接點連接方式連接點模塊數(shù)字信號源單元NRZ信號導(dǎo)線DIGITAL T2點1310nm光纖收發(fā)模塊光發(fā)送輸入單元1310nm光纖收發(fā)模塊下方1310 nm TX光纖1310 nm RX1310nm光

18、纖收發(fā)模塊下方檢測點波形數(shù)字信號源單元NRZ點1310nm光纖收發(fā)模塊光接受輸出單元DIGITAL T3點圖7-6 NRZ信號在光纖傳輸前后的比較8. CMI碼的光纖傳輸接線表如下，CMI譯碼還原信號測試點是PCM&CMI編譯碼單元的DOUT1或DOUT2。波形參見圖7-7 CMI信號在光纖傳輸前后的比較。模塊連接點連接方式連接點模塊數(shù)字信號源單元NRZ_OUT碼導(dǎo)線DIN1PCM&CMI編譯碼單元PCM&CMI編譯碼單元CMI_OUT1導(dǎo)線數(shù)字輸入 T21310nm光纖收發(fā)模塊光發(fā)送輸入單元1310nm光纖收發(fā)模塊光接收輸出單元數(shù)字輸出T4導(dǎo)線CMI-IN1PCM&a

19、mp;CMI編譯碼單元1310nm光纖收發(fā)模塊下方1310 nm TX光纖1310 nm RX1310nm光纖收發(fā)模塊下方檢測點波形（對應(yīng)數(shù)字碼元）1 0 1 0數(shù)字信號源單元NRZ_OUT點PCM&CMI編譯碼單元CMI_OUT1點1310nm光纖收發(fā)模塊光接收輸出T4單元點PCM&CMI編譯碼單元DOUT1圖7-7 CMI信號在光纖傳輸前后的比較注意：做此實驗時，請將1310nm光纖收發(fā)模塊的轉(zhuǎn)換開關(guān)S1撥到數(shù)字端。接線表中所指“1310nm光纖收發(fā)模塊下方”的“1310 nm TX”和“1310 nm RX”這兩個連接點位置在實驗箱面板上左上區(qū)域，有兩個已固定好的法蘭盤，

20、在其右邊做了標(biāo)注，包含以上兩個標(biāo)注。同時，由于實驗測試儀器的原因，可能會出現(xiàn)波形無法分辨的情況，因此希望選用推薦的數(shù)字存儲示波器進(jìn)行波形的觀察和采集。1550nm光纖模塊部分的實驗與1310nm部分相同。五、 實驗報告1、 理實驗記錄，畫出相應(yīng)的信號波形。2、 總結(jié)出數(shù)字光纖傳輸系統(tǒng)的工作過程，設(shè)計出一種光纖傳輸系統(tǒng)，并畫出結(jié)構(gòu)圖。3、 總結(jié)出NRZ碼經(jīng)CMI及HDB3編譯碼后波形的不同點，解釋為什么。六、實驗儀器數(shù)字存儲示波器，光功率計實驗四兩臺計算機(jī)間的光纖通信 一、實驗?zāi)康?. 掌握數(shù)字光纖系統(tǒng)的通信原理。2. 掌握各種數(shù)字信號的傳輸機(jī)理。3. 了解完整計算機(jī)光纖通信系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)。二、

21、實驗內(nèi)容1. 用示波器觀察各傳輸信號的波形。2. 完成單臺計算機(jī)的自發(fā)自收的光纖通信。3. 完成兩臺計算機(jī)的全雙工雙光纖通信。4. 完成兩臺計算機(jī)的全雙工單光纖通信。三、基本原理對于數(shù)字信號的傳輸方法我們在前面的實驗中都已經(jīng)進(jìn)行了詳細(xì)的說明，在這里我們不再細(xì)述。在本實驗中，兩臺計算機(jī)之間的通信是通過RS232來完成的，每一臺實驗箱里都配有一個RS232接口及RS232電平轉(zhuǎn)換電路。實驗箱通過一根RS232電纜與計算機(jī)相連，在實驗箱的信號端口為TX和RX，這兩信號端口分別與CMI編碼譯碼電路的輸入及輸出信號端口相連接，當(dāng)我們把CMI譯碼端輸出（DOUT）與RX端相連接時，就可以完成一個自發(fā)自收的

22、通信實驗；當(dāng)我們與另外一臺實驗箱進(jìn)行信號交換時，就可以完成雙機(jī)的雙工通信。連接示意圖如下所示：單實驗箱、單PC機(jī)、單光纖的自發(fā)自收光纖通信雙PC機(jī)、雙光纖全雙工光纖通信雙PC機(jī)、單光纖全雙工光纖通信四、實驗步驟1、 輸入方波經(jīng)CMI編譯碼調(diào)通整個系統(tǒng)（包括單光纖及雙光纖）。接線表如下。 模塊連接點連接方式連接點模塊數(shù)字信號源單元NRZ碼導(dǎo)線DIN1PCM&CMI編譯碼單元PCM&CMI編譯碼單元CMI_OUT1導(dǎo)線DIGITAL T21310nm光纖收發(fā)模塊光發(fā)送輸入單元1310nm光纖收發(fā)模塊光接收輸出單元DIGITAL T4導(dǎo)線CMI-IN1PCM&CMI編譯碼單元

23、1310nm光纖收發(fā)模塊下方1310 nm TX光纖1310 nm RX1310nm光纖收發(fā)模塊下方1550nm光纖收發(fā)模塊的使用接線與13101310nm光纖收發(fā)模塊的接線相同。2、 在計算機(jī)上運行串行口通訊軟件，連接PC機(jī)與實驗箱間的串口通信電纜，在計算機(jī)上運行串行口通訊軟件，將實驗箱RS232模塊的TX與RX短接，在PC機(jī)上觀察是否收到自發(fā)的數(shù)據(jù)。 串行口通訊軟件的圖標(biāo)如下： 進(jìn)入軟件，主界面中左邊菜單如下： 點擊“關(guān)閉串口”即可轉(zhuǎn)換為“打開串口”。如下圖 ： 在“串口”、“波特率”、“校驗位”、“數(shù)據(jù)位”、“停止位”等相應(yīng)窗口可修改串口、波特率等。主界面中下半部分的功能窗口如下：發(fā)送的

24、數(shù)據(jù)是在小窗口中的“”，也可自行修改。點擊“清空重填”，小窗口中的數(shù)據(jù)被清空，此時可自行輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送。發(fā)送有兩種方式：“手動發(fā)送”和“自動發(fā)送”?！笆謩影l(fā)送”是點擊該鍵一次就發(fā)送一次，“自動發(fā)送”是按照“自動發(fā)送周期”（可在“自動發(fā)送周期”窗口修改自動發(fā)送周期）定時發(fā)送。 當(dāng)您做雙機(jī)通訊時，請注意設(shè)置的通訊參數(shù)一致。 下一步對計算機(jī)單機(jī)通信做一個簡單的測試。接線如下：模塊連接點連接方式連接點模塊計算機(jī)串口串口電纜水晶頭接口實驗箱面板上RS232 I 單元RS232 I 單元TX1導(dǎo)線RX1RS232 I 單元接好線后，打開實驗箱的電源，運行串口通訊軟件。發(fā)送數(shù)據(jù)，在接受數(shù)據(jù)窗口觀察，是否接

25、受到，是否一致。如果不一致，檢查串口接頭是否穩(wěn)定，計算機(jī)串口是否被占用，修改串口發(fā)送設(shè)置，重新嘗試，直至接受成功。3、 完成PC機(jī)的自發(fā)自收的通信實驗。接線表如下：模塊連接點連接方式連接點模塊計算機(jī)串口串口電纜水晶頭接口實驗箱面板上RS232 -1 單元RS232 I 單元TX1導(dǎo)線DIN1PCM&CMI編譯碼單元PCM&CMI編譯碼單元CMI_OUT1導(dǎo)線數(shù)字輸入T21310nm光纖收發(fā)模塊光發(fā)送輸入單元1310nm光纖收發(fā)模塊光接收輸出單元數(shù)字輸出 T4導(dǎo)線CMI-IN1PCM&CMI編譯碼單元PCM&CMI編譯碼單元DOUT1導(dǎo)線RX1RS232-1 單元4、 完成雙PC機(jī)、雙光纖全雙工光纖通信實驗。接線表如下。模塊連接點連接方式連接點模塊計算機(jī)1串口串口電纜1水晶頭接口實驗箱面板RS232 -1 單元計算機(jī)2串口串口電纜2水晶頭接口實驗箱面板RS232 I-2 單元RS232 I 單元TX1導(dǎo)線DIN1PC