06級(jí)光纖通信實(shí)驗(yàn)講義

1、光纖通信原理與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)講義南陽師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院編訂人：海濤目 錄實(shí)驗(yàn)一 雙光纖通信傳輸認(rèn)識(shí)1實(shí)驗(yàn)二 激光器PN特性曲線測(cè)量8實(shí)驗(yàn)三 自動(dòng)功率控制(APC)原理12實(shí)驗(yàn)四 光接收機(jī)電路原理20實(shí)驗(yàn)五 數(shù)字信號(hào)電光、光電傳輸24實(shí)驗(yàn)六 模擬信號(hào)電光、光電傳輸26實(shí)驗(yàn)七 光纖通信線路碼29實(shí)驗(yàn)八 波分復(fù)分(WDM)光纖通信35實(shí)驗(yàn)九 電話語音光傳輸42實(shí)驗(yàn)十 二八臺(tái)計(jì)算機(jī)單/雙光纖全雙工通信傳輸46實(shí)驗(yàn)一 雙光纖通信傳輸認(rèn)識(shí)光纖通信是近代通信發(fā)展的一個(gè)重要部分，初步了解光纖通信的基本組成，建立光纖通信的基本概念。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1了解雙光纖通信傳輸實(shí)驗(yàn)箱的結(jié)構(gòu)。 2了解各模塊的功能和作用。

2、3了解雙光纖通信傳輸實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)。 二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1熟悉雙光纖通信傳輸實(shí)驗(yàn)箱各模塊的功能和作用。 2熟悉雙光纖通信傳輸實(shí)驗(yàn)箱的使用與操作。3了解雙光纖通信的波分復(fù)用傳輸方法。 三、實(shí)驗(yàn)儀器THKEGC-2 型實(shí)驗(yàn)箱一臺(tái)、FC/PC 連接器一只、1310nm/1550nm 波分復(fù)用器兩只(接頭類型：FC/PC)、示波器一臺(tái)。 四、實(shí)驗(yàn)箱結(jié)構(gòu)、特點(diǎn) (一) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖 1-1 所示。光纖通信傳輸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分為左右兩大模塊(兩套光纖發(fā)送接收系統(tǒng))，每一個(gè)模塊中又由許多子模塊組成： 圖 1-1 雙光纖通信傳輸實(shí)驗(yàn)箱模塊結(jié)構(gòu)圖11310nm 光發(fā)送接收系統(tǒng) 1）固定速率時(shí)

3、分復(fù)用/解復(fù)用模塊 復(fù)接模塊：三路串行數(shù)據(jù)輸入接口，一路串行數(shù)據(jù)輸出接口。完成將三路串行數(shù)據(jù)打包成一路串行數(shù)據(jù)，結(jié)合解復(fù)用模塊及光纖收發(fā)模塊即可完成三路串行數(shù)據(jù)的單光纖傳輸。 解復(fù)用模塊：一路串行數(shù)據(jù)輸入接口，二路并行數(shù)據(jù)(三路數(shù)據(jù)中的一路是幀信號(hào))直接輸出到 LED 燈顯示。完成將一路串行數(shù)據(jù)還原成二路并行數(shù)據(jù)，結(jié)合復(fù)接模塊及光纖收發(fā)模塊即可完成三路串行數(shù)據(jù)的單光纖傳輸。接口參數(shù)：三路輸出數(shù)據(jù)的速率：64Kbps 接口類型：NRZ。 固定速率數(shù)據(jù)信號(hào)源模塊 此模塊產(chǎn)生三路速率為 64K 的單極性不歸零碼(NRZ)，數(shù)據(jù)信號(hào)幀長(zhǎng)為 8 位，其中兩路可作為數(shù)據(jù)信息，每路 8 位，另外 8 位中的

4、 7 位可作為集中插入幀同步碼。通過拔動(dòng)開關(guān)，可以很方便地改變碼信息，并由發(fā)光二極管指示。 固定速率時(shí)分復(fù)用復(fù)接模塊此模塊將固定速率數(shù)據(jù)信號(hào)源模塊產(chǎn)生的三路 NRZ 碼復(fù)接成一路速率為 128K 的信號(hào)，該信號(hào)由 24 位信息組成，其中 16 位為數(shù)據(jù)信息，另外 8 位作為幀同步碼。 固定速率時(shí)分復(fù)用分接模塊 此模塊將固定速率時(shí)分復(fù)用復(fù)接模塊產(chǎn)生的信號(hào)分接，還原成與固定速率數(shù)據(jù)信號(hào)源模塊拔動(dòng)開關(guān)相對(duì)應(yīng)的并行數(shù)據(jù)信息，并通過發(fā)光二極管指示。 2） 變速率時(shí)分復(fù)用/解復(fù)用模塊 復(fù)接模塊：四路串行數(shù)據(jù)輸入接口，一路串行數(shù)據(jù)輸出接口。完成將四路串行數(shù)據(jù)打包成一路串行數(shù)據(jù)，配合解復(fù)用模塊及光纖收發(fā)模塊即

5、可完成四路串行數(shù)據(jù)的單光纖傳輸。 解復(fù)用模塊：一路串行數(shù)據(jù)輸入接口，四路串行數(shù)據(jù)輸出接口。完成將一路串行數(shù)據(jù)還原成四路串行數(shù)據(jù)，配合復(fù)接模塊及光纖收發(fā)模塊即可完成四路串行數(shù)據(jù)的單光纖傳輸。 接口參數(shù)：四路輸入數(shù)據(jù)的速率：064Kbps 接口類型：RS232、NRZ 等。 3）CMI 編譯碼模塊 編碼模塊：將輸入的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行 CMI 編碼。譯碼模塊：將輸入的 CMI 碼進(jìn)行譯碼。由CPLD(EPM3256)完成。 4）電話接口模塊 此模塊為獨(dú)立的電話輸入、輸出接口，通過專用電話接口芯片實(shí)現(xiàn)。 5）PCM 編譯碼模塊 此模塊通過專用芯片來實(shí)現(xiàn) PCM 編譯碼電路，可同時(shí)完成兩路信號(hào)的編譯碼。PC

6、M 模塊可以實(shí)現(xiàn)傳輸兩路語音信號(hào)的功能，采用 TP3067 編譯碼芯片。 6）可調(diào)信號(hào)源模塊 此模塊能輸出三種模擬信號(hào)：方波、正弦波、三角波。頻率(0.510KHz)可調(diào)。正弦波幅度可調(diào)。 7）四個(gè)串行通信接口模塊 此模塊配有 RS232 接口和信號(hào)端口 TXD(發(fā)送)和 RXD(接收)。與變速率時(shí)分復(fù)用/解復(fù)用模塊及光纖收發(fā)模塊結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)自發(fā)自收通信實(shí)驗(yàn)、兩臺(tái)計(jì)算機(jī)、四臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的全雙工數(shù)據(jù)光纖通信實(shí)驗(yàn)。 若再與兩種波長(zhǎng)的光纖收發(fā)模塊結(jié)合可完成二八臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的全雙工數(shù)據(jù)通信實(shí)驗(yàn)。 8）1310nm 波長(zhǎng)光發(fā)送模塊 主要完成電光信號(hào)的轉(zhuǎn)換，即可傳輸模擬信號(hào)(包括視頻、音頻信號(hào))，又可傳輸

7、數(shù)字信號(hào)，同時(shí)具有無光告警及光器件損壞告警指示。它主要有模擬調(diào)制模塊和數(shù)字調(diào)制模塊(包括：自動(dòng)功率控制電路(APC)、無光檢測(cè)電路、光器件損壞檢測(cè)電路等)組成。配有視頻專用接口。 9）1310nm 波長(zhǎng)光接收模塊 主要完成光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，小信號(hào)的檢測(cè)與信號(hào)的恢復(fù)放大等功能。它主要有光檢測(cè)電路、濾波電路、第一放大電路、第二放大電路、判決電平調(diào)節(jié)電路、整形電路等組成。配有視頻專用接口。 21550nm 光發(fā)送接收系統(tǒng) 1550nm 光發(fā)送接收系統(tǒng)中的模塊與 1310nm 光發(fā)送接收系統(tǒng)的功能一樣。主要是波長(zhǎng)不一樣。 (二) 系統(tǒng)特點(diǎn) 1 采用對(duì)稱模塊化雙光端機(jī)設(shè)計(jì)，體現(xiàn)了現(xiàn)代性(如新型器件 CPL

8、D)和系統(tǒng)性(各模塊既可單獨(dú)做實(shí)驗(yàn)又可靈活組合做系統(tǒng)實(shí)驗(yàn))。 2光器件全外置設(shè)計(jì)。 3每個(gè)光端機(jī)自帶數(shù)字信號(hào)源和終端顯示模塊，無示波器也可觀測(cè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果。 4包含雙三路固定速率時(shí)分復(fù)用模塊。 5包含雙四路固定速率時(shí)分復(fù)用模塊。 6采用高可靠性的接插件，靈活搭線，性能穩(wěn)定。 7系統(tǒng)自帶兩片 CPLD 芯片，并有下載接口和下載線，可進(jìn)行二次開發(fā)。 3雙光纖通信的波分復(fù)用傳輸以模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)雙向通信的波分復(fù)用傳輸為例，介紹雙光纖通信傳輸實(shí)驗(yàn)箱的特點(diǎn)。由實(shí)驗(yàn)老師進(jìn)行演示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1-2所示。圖 1-2 模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)的波分復(fù)用傳輸模擬信號(hào)源（可以是實(shí)驗(yàn)箱自帶的信號(hào)源；也可以采用模擬攝

9、像頭，對(duì)應(yīng)的示波器改為監(jiān)視器。）接入 1310nm 光端機(jī)部分的模擬信號(hào)輸入端口，通過光發(fā)送器件轉(zhuǎn)換為光信號(hào)發(fā)送，經(jīng)光纖和波分復(fù)用器傳輸后，由 1550nm 光端機(jī)部分光接收器件轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)模擬信號(hào)輸出端口輸出，由示波器（監(jiān)視器）顯示。數(shù)字信號(hào)源（R_D1、R_D2 等）接入 1550nm 光端機(jī)部分的數(shù)字信號(hào)輸入端口，通過光發(fā)送器件轉(zhuǎn)換為光信號(hào)發(fā)送，經(jīng)光纖和波分復(fù)用器傳輸后，由 1310nm 光端機(jī)部分光接收器件轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)數(shù)字信號(hào)輸出端口輸出，由示波器或終端顯示模塊顯示。 五、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng) 1波分復(fù)用器屬易損器件，應(yīng)輕拿輕放。 2光器件連接時(shí)，注意要用力均勻。 六、演示實(shí)驗(yàn)步驟 1

10、了解雙光纖通信傳輸實(shí)驗(yàn)箱的結(jié)構(gòu) 對(duì)照?qǐng)D 1-1 了解雙光纖通信傳輸實(shí)驗(yàn)箱的結(jié)構(gòu)及各功能模塊所在區(qū)域。了解各信號(hào)輸入/輸出端口的位置和意義。 2模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)的波分復(fù)用傳輸（由實(shí)驗(yàn)老師演示） 1) 電氣實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線的連接： 關(guān)閉系統(tǒng)電源，將 1310nm 光端機(jī)的模擬信號(hào)源正弦波輸出端 L_SINE（或模擬攝像頭）與1310nm 光發(fā)送模塊的模擬信號(hào)輸入端口 L_AIN 相連，將開關(guān) S71 撥向右邊 (傳輸模擬信號(hào))；將 1550nm 光端機(jī)的固定速率數(shù)據(jù)信號(hào)源輸出端 R_D1 與 1550 nm 光發(fā)送模塊的數(shù)字信號(hào)輸入端口 R_DIN 相連，將開關(guān) S91 撥向左邊 (傳輸數(shù)字信號(hào))。 2

11、) 光路部分的連接： 取下 1310nm 光發(fā)/光收端口上的紅色橡膠保護(hù)套。 取一只波分復(fù)用器，取下其雙光纖端的兩根光纖的橡膠保護(hù)套。 將波分復(fù)用器的 1310nm 端與 1310nm 光發(fā)送端口(1310nm TX)的連接器對(duì)接，即：將光纖小心地插入連接器，在插入的同時(shí)保證光纖的凸起部分與連接器的凹槽完全吻合，然后擰緊固定帽即可。 同樣將波分復(fù)用器的 1550nm 端與 1310nm 光接收端口(1310nm RX)的連接器對(duì)接。 用同樣的方法將另一只波分復(fù)用器的 1550nm 端與 1550nm 光發(fā)送端口(1550nm TX)的連接器對(duì)接；同樣將波分復(fù)用器的 1310nm 端與 1550

12、nm 光接收端口(1550nm RX)的連接器對(duì)接。 取一只連接器，取下其兩端的保護(hù)套；取下兩只波分復(fù)用器單光纖端的保護(hù)套，分別將它們與連接器連接好。 3) 模擬信號(hào)的觀測(cè)： 開啟系統(tǒng)電源，分別用示波器（或監(jiān)視器）觀察 1310nm 光發(fā)端機(jī)的模擬信號(hào)輸入端 L_AIN與 1550nm 光收端機(jī)模擬信號(hào)輸出端 R_AOUT 的波形?？烧{(diào)節(jié)電位器改變模擬信號(hào)源的頻率和幅度。調(diào)節(jié)電位器 W73 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)到底，使偏置電流最大。分別調(diào)節(jié)電位器 W71(輸入模擬信號(hào)衰減)和 WA 1 (增益調(diào)節(jié))使示波器上看到不失真的波形。改變模擬信號(hào)源的頻率，觀察波形。 4) 數(shù)字信號(hào)的觀測(cè)： 開啟系統(tǒng)電源，分別用

13、示波器觀察1310nm光收端機(jī)的數(shù)字信號(hào)輸出端L_DOUT與1550nm光發(fā)端機(jī)數(shù)字信號(hào)輸入端 R_DIN 的波形。調(diào)節(jié)電位器W81(增益調(diào)節(jié))，使輸出波形與信碼一致。通過拔動(dòng)開關(guān)改變數(shù)字信號(hào)源的碼型，觀察波形。 七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求 1 畫出雙光纖通信傳輸實(shí)驗(yàn)箱模塊結(jié)構(gòu)圖。 2 對(duì)光纖傳輸系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)和體會(huì)。 實(shí)驗(yàn)二 激光器PI特性曲線測(cè)量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解半導(dǎo)體激光器的發(fā)光原理。2了解半導(dǎo)體激光器平均輸出光功率與驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系。3掌握半導(dǎo)體激光器P-I 曲線的測(cè)試及繪制方法。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容測(cè)量半導(dǎo)體激光器的功率和驅(qū)動(dòng)電流，并畫出P-I 關(guān)系曲線。三、實(shí)驗(yàn)儀器示波器一臺(tái)、THKEGC-2 型實(shí)驗(yàn)箱一

14、臺(tái)、光功率計(jì)一只、萬用表一只、FC-ST 光跳線一根。四、基本原理1半導(dǎo)體激光器的功率特性及伏安特性。半導(dǎo)體激光器的輸出光功率與驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系如圖2-1 所示，該特性有一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電流稱為門限電流(或稱閥值電流)，用Ith 表示。在門限電流以下，激光器工作于自發(fā)發(fā)射，輸出熒光功率很小，通常小于100puW；在門限電流以上，激光器工作于受激發(fā)射，輸出激光，功率隨電流迅速上升，基本上成直線關(guān)系。激光器的電流與電壓的關(guān)系相似于正向二極管特性，如圖2-2 所示，由于包含兩個(gè)PN 結(jié)，所以在正常工作電流下激光器兩極間的電壓約為1.2V。圖2-1 激光器的功率特性 圖2-2 激光器的伏安特性閾值

15、條件就是光諧振腔中維持光振蕩的條件。設(shè)受激發(fā)射所產(chǎn)生的光介質(zhì)的平均增益系數(shù) (單位長(zhǎng)度上的增益)為g ，光介質(zhì)的平均損耗系數(shù)為a ，則光諧振腔產(chǎn)生和維持光振蕩的條件為光子在光諧振腔中來回反射一次所產(chǎn)生的光能增益大于或等于光能的損耗，用公式表示為： （2-1）式中L 為光諧振腔的長(zhǎng)度，r1、r2 分別為光諧振腔兩端鏡面的反射系數(shù)(0<<1、0< <1)。從式(2-1)解得門限狀態(tài)下的增益系數(shù)為 （2-2）為門限狀態(tài)下驅(qū)動(dòng)有源區(qū)的電流密度。 為平均增益因子，其值取決于激光器的材料與結(jié)構(gòu)。電流密度Jth 按下式可決定門限電流。式中b 為有源區(qū)寬度， >1 為電流側(cè)向擴(kuò)展

16、因子。采用BH，DC-PBH 和RWG 激光器結(jié)構(gòu)，可使 接近于1，故能獲得小的門限電流。激光器功率特性的線性程度對(duì)模擬光纖傳輸系數(shù)的非線性失真指標(biāo)影響很大。半導(dǎo)體激光二極管(LD)或簡(jiǎn)稱半導(dǎo)體激光器與發(fā)光二極管LED 不同，它通過受激輻射發(fā)光，是一種閥值器件。由于受激與自發(fā)輻射的本質(zhì)不同，導(dǎo)致了半導(dǎo)體激光器不僅能產(chǎn)生高功率(10mW)輻射，而且輸出光發(fā)散角窄(垂直發(fā)散角為3050º，水平發(fā)散角為030º)，與單模光纖的耦合效率高(約30%50%)，輻射光譜線窄(A 入=0.11.0nm)，適用于高比特工作，載流子復(fù)合壽命短，能進(jìn)行高速(>20GHz)直接調(diào)制，非常適

17、合于作高速遠(yuǎn)距離光纖通信系統(tǒng)的光源。對(duì)于線性度良好的半導(dǎo)體激光器，輸出功率可以表示為：其中這里的量子效率int(表征驅(qū)動(dòng)電子通過受激輻射轉(zhuǎn)化為光子的比例)。在高于閥值區(qū)域，大多數(shù)半導(dǎo)體激光器的int 近于1。(2-3)式表明，激光輸出功率決定于內(nèi)量子效率和光腔損耗，并隨著電流而增大，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流I>Ith 時(shí)，輸出功率與I 成線性關(guān)系。其增大的速率即P-I 曲線的斜率，稱為斜率效率。P-I 特性是選擇半導(dǎo)體激光器的重要依據(jù)。在選擇時(shí)，應(yīng)選閥值電流Ith 盡可能小，Ith 對(duì)應(yīng)P 值小，而且沒有扭折點(diǎn)的半導(dǎo)體激光器，這樣的激光器工作電流小，工作穩(wěn)定性高，消光比大，而且不易產(chǎn)生光信號(hào)失真。且要

18、求P-I 曲線的斜率適當(dāng)。斜率太小，則要求驅(qū)動(dòng)信號(hào)小，給驅(qū)動(dòng)電路帶來麻煩：斜率太大，則會(huì)出現(xiàn)光反向噪聲和自動(dòng)光功率控制環(huán)路調(diào)整困難。半導(dǎo)體激光器具有高功率密度和極高量子效率的特點(diǎn)，微小的電流變化會(huì)導(dǎo)致光功率輸出變化，是光纖通信中重要的一種光源，激光二極管可以看作為一種光學(xué)振蕩器，要形成光的振蕩，就必須要有光放入機(jī)制，也即激活介質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，而且產(chǎn)生的增益足以抵消所有的損耗。將開始出現(xiàn)凈增益的條件稱為閥值條件。一般用驅(qū)動(dòng)電流值來標(biāo)定閥值條件，也即閥值電流Ith，當(dāng)輸入電流小于Ith 時(shí)，其輸出光為非相干的熒光，類似于LED 發(fā)出的光，當(dāng)電流大于Ith 時(shí)，則輸出光為激光，且輸入電流和輸出

19、光功率成線性關(guān)系，該實(shí)驗(yàn)就是對(duì)該線性關(guān)系進(jìn)行測(cè)量，以驗(yàn)證P-I 的線性關(guān)系。在實(shí)驗(yàn)中所用到的半導(dǎo)體激光器輸出波長(zhǎng)分別為1310nm、1550nm，F(xiàn)C 接口。圖2-3半導(dǎo)體激光器P-I 曲線示意圖五、實(shí)驗(yàn)步驟以1310nm 光發(fā)端機(jī)(1550nm 光發(fā)端機(jī)與其相同)為例，即實(shí)驗(yàn)箱左邊的模塊。1）電氣實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線的連接： 關(guān)閉系統(tǒng)電源，將光發(fā)送模塊中的可調(diào)電位器W73 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到底，將輸入模擬信號(hào)幅度調(diào)節(jié)電位器W71 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到底，使模擬驅(qū)動(dòng)電流和輸入信號(hào)幅度達(dá)到最小值。 將開關(guān)S71 撥向右邊 (傳輸模擬信號(hào))。 將短路帽J71 撥出，使其處于斷開狀態(tài)，在測(cè)量點(diǎn)TP71 和TP72 之間串接一

20、外置的直流電流表。2）光路部分的連接：用一段短光纖(光跳線)將光功率計(jì)的輸入端連接到“1310nmTX”端，同時(shí)打開光功率計(jì)電源開關(guān)。3）打開實(shí)驗(yàn)箱電源。4）緩慢調(diào)節(jié)電位器W73，依次測(cè)量電流和對(duì)應(yīng)的光功率值。并將測(cè)得的數(shù)據(jù)填入下表。5）參照上述步驟，測(cè)量1550nm 光端機(jī)的P-I 曲線。6）實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉實(shí)驗(yàn)箱電源。7）拆下光跳線、電流表、實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線，整理實(shí)驗(yàn)器件與導(dǎo)線。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。分別畫出1310nm 激光器和1550 激光器的P-I 曲線，找出規(guī)律并比較其異同點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)三 自動(dòng)功率控制(APC)原理一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解光發(fā)送的電路原理。2了解光發(fā)送各模塊的功能。3掌握自動(dòng)功

21、率控制電路的工作原理。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1學(xué)習(xí)自動(dòng)功率控制電路的工作原理。三、實(shí)驗(yàn)儀器示波器一臺(tái)，THKEGC-2 型實(shí)驗(yàn)箱一臺(tái)，光功率計(jì)一只，萬用表一只、FC-ST 光跳線一根。四、基本原理1電路方框圖LD 數(shù)字光發(fā)送電路方框圖如圖3-1 所示。它由B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7 組成。B1是接口及電平移動(dòng)電路，由集成電路U72 等組成。B2 是驅(qū)動(dòng)電路，由三極管Q74、Q75 等組成。B3 是LD 激光器(LD71)，它把碼型速率為04096kb/s 的信息碼流變?yōu)楣庑盘?hào)后射入光纖。B4 為監(jiān)測(cè)電路，采用PIN 二極管對(duì)激光器的工作情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。B5 為自動(dòng)功率控制電路(APC)，設(shè)置

22、APC 的目的是為了得到穩(wěn)定的光功率輸出。APC 由U71 中的三只運(yùn)算放大器及相關(guān)電路組成。無光告警電路由U71D、Q73 及紅色發(fā)光二極管組成。損壞告警電路由U74、Q77 和紅色發(fā)光二極管組成。圖3-1 LD 數(shù)字光發(fā)電路原理框圖2電路原理(見圖3-6)1) 接口及電平移動(dòng)電路由相應(yīng)電路送來的NRZ 信碼由數(shù)字信號(hào)輸入端口加入本模塊。接口及電平移動(dòng)電路由U72等組成。U72 是電平轉(zhuǎn)換電路，它的作用是將TTL 電平轉(zhuǎn)換成ECL。電阻R77 和R710、R75和R79 既是U72 的負(fù)載電阻，又起電平的移動(dòng)作用。將U72 輸出的ECL 向負(fù)方向移動(dòng)，以保證驅(qū)動(dòng)電路工作在開關(guān)狀態(tài)。設(shè)置TTL

23、/ECL 電平轉(zhuǎn)換電路是由于LD 的正極接外殼(接地)，所以驅(qū)動(dòng)電路必須采用負(fù)電源，而輸入信碼是TTL 電平，不適宜直接驅(qū)動(dòng)，必須轉(zhuǎn)換成ECL 電平，即轉(zhuǎn)換成以-0.8V 為邏輯“1”，-1.6V 為邏輯“0”的電平，再經(jīng)過電阻R77 和R710、R75 和R79 進(jìn)行電平移動(dòng)，將“1”移到-2.56V，將“0”移到-3.04V，作為Q74、Q75 基極電平，其射極電平-3.25V。這樣就可以保證Q74、Q75 在非飽和態(tài)與非深截止?fàn)顟B(tài)之間的轉(zhuǎn)換。2) LD 驅(qū)動(dòng)電路LD 驅(qū)動(dòng)電路由晶體管Q74、Q75 組成的耦合電流開關(guān)電路構(gòu)成。激光器LD 的正極接地，負(fù)極經(jīng)電阻R723 接到Q75 的集電

24、極。R724、R725 為L(zhǎng)D 提供偏流。U72 輸入端的信碼流設(shè)為Vin，U72 的反相端(2)經(jīng)電阻R75 連接到Q75 的基極，電壓設(shè)為Vsc ，同相端(1)經(jīng)電阻R77 連接到Q74 基極，電壓設(shè)為VSC ，當(dāng)輸入Vin 為高電平“1”時(shí)， Vsc 為低電平“0”，而VSC 為高電平“1”，這樣Q74 基極電位高于Q75 的基極電位，Q74 導(dǎo)通， Q75 截止，集電極無電流輸出，LD 不發(fā)出激光。反之，當(dāng)輸入Vin 為低電平“0”時(shí)，VSC 為高電平“1”；而VSC 為低電平“0”，這樣Q75 基極電位高于Q74 的基極電位，Q75 導(dǎo)通，Q74截止，Q75 集電極輸出的數(shù)字脈沖電流

25、驅(qū)動(dòng)LD，直接驅(qū)動(dòng)LD 發(fā)出激光。3) 偏置電路因?yàn)長(zhǎng)D 是閥值元件，閥值為Ith，如圖3-2 所示。通常設(shè)置預(yù)偏置電流Ib(Ib 略小于Ith)。設(shè)置Ib 的理由是：如果不設(shè)置Ib，而直接用調(diào)制信號(hào)Id 來進(jìn)行調(diào)制的話，則需要提供幅度變化較大的電流；有了Ib 后，相當(dāng)于減小了Id 的變化范圍，這樣有利于提高調(diào)制速度。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流較低時(shí)，只有自發(fā)幅射存在，這時(shí)半導(dǎo)體激光器發(fā)射的是熒光，相當(dāng)于發(fā)光二極管的情況。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到Ith 時(shí)，輸出功率急增，這時(shí)LD 發(fā)射的是激光。圖3-2 LD 的調(diào)制示意圖由于這些理由，就在LD 上加一個(gè)預(yù)偏置電流Ib，再疊加上Id。即用I=Id+Ib 進(jìn)行調(diào)制，LD的

26、預(yù)偏置電路如圖3-3 所示。由R725、C77、Q76、Q78、R743 組成。R725 用于限制Ib 的最大值，C77 為濾波電容，用來進(jìn)一步濾除交流分量。Q76 用來構(gòu)成APC 電路，Q76 的基極受APC電路控制。圖3-3 LD 的預(yù)偏置電路4) 自動(dòng)光功率控制電路(APC)APC是Automatic Power Control 的縮寫。設(shè)置自動(dòng)功率控制APC 的因素有兩個(gè)：一是因?yàn)長(zhǎng)D 的閥值電流隨溫度的影響變化很大，如圖3-4 所示，由圖看出，當(dāng)溫度由20升高到50時(shí)，由于Ith 增大得過多，LD 根本不能工作，此時(shí)無激光發(fā)出；二是因?yàn)镻-I 曲線的斜率隨使用時(shí)間的增長(zhǎng)而減小，即電光

27、轉(zhuǎn)換效率降低。如圖3-5 所示是一典型的LD 損壞試驗(yàn)的P-I曲線，每隔100200h 測(cè)一條曲線，當(dāng)使用時(shí)間達(dá)1700h 時(shí)，LD 不能連續(xù)使用。為了穩(wěn)定輸出光功率必須設(shè)置APC 電路。本機(jī)有自動(dòng)功率控制電路，采用背向光反饋?zhàn)詣?dòng)偏置控制方式，即用半導(dǎo)體激光器組件中的PIN 光二極管監(jiān)測(cè)激光器背向輸出光功率。因?yàn)楸诚蜉敵龉夤β逝c前向輸出光功率是跟蹤變化的，所以通過閉環(huán)控制系統(tǒng)，就可自動(dòng)調(diào)節(jié)激光器的電流，達(dá)到穩(wěn)定輸出光功率的目的。 圖3-4 LD 閥值和P-I 特性隨溫度 圖3-5 LD P-I 特性使用時(shí)間變化的典型曲線 變化的典型曲線自動(dòng)功率控制電路原理圖如圖3-6 所示。由運(yùn)算放大器U71

28、 和Q76 等組成控制環(huán)路。反饋取自LD 的背向光，由PIN 檢出并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流，經(jīng)E73 濾波后加到U71C 運(yùn)算放大器， U71C 實(shí)際上是并聯(lián)反饋放大器，電位器W74 用來調(diào)節(jié)增益，以適應(yīng)靈敏度不同的PIN 管，使得在相同光功率時(shí)輸出電壓(U2)基本不變，并加于U71B 的反相端，U71B 是比較積分放大器，在理想情況下積分器的輸出電壓為：這里R734、E75 的乘積稱為積分器的時(shí)間常數(shù)。U3 經(jīng)二極管D73 和電阻R712 加于Q76的基極，以控制基極電流，進(jìn)而控制預(yù)置電流Ib。從而構(gòu)成反饋控制回路?？刂七^程如下：當(dāng)某種原因使LD 輸出光功率降低時(shí)，背向光減弱，PIN 輸出電流減小

29、，U1 是運(yùn)算放大器U71C 的輸入電壓，由于運(yùn)算放大器U71C 的輸出電壓U2 與輸入電壓U1 成比例，所以運(yùn)算放大器輸出電壓U2 也減小。U2 加于比較積分放大器U71B 的反相輸入端，所以U71B 的輸出電壓U3 增加，預(yù)置電流Ib 增大，使LD 的輸出光功率增大，從而維持輸出光功率不變。U71A 用來引入?yún)⒖夹盘?hào)。U71A 的同相輸入端引入直流參考電壓。直流參考電壓由-5V電源經(jīng)R727 和W75 取得。引入直流參考電壓的目的是為了實(shí)現(xiàn)用人工的辦法來調(diào)節(jié)偏流，調(diào)節(jié)電位器W75，即可實(shí)現(xiàn)人工調(diào)節(jié)偏流。在U71A 的反相輸入端引入數(shù)字信號(hào)作參考。引入數(shù)字參考信號(hào)的作用是防止控制電路在無信號(hào)

30、輸入或輸入長(zhǎng)連“0”時(shí)，偏流自動(dòng)增大并使激光器工作，毫無意義的消耗光能量并造成誤碼，甚至因發(fā)出過高的直流光而燒毀LD。由圖中看出，加于驅(qū)動(dòng)電路Q74 基極的是來自U72 同相端的Uin，加于Q75 基極的信號(hào)是來自U72 反相端的/Uin，加于U71A 反相端的數(shù)字參考信號(hào)來自U72 的反相端/Uin。當(dāng)輸入信號(hào)消失或送入長(zhǎng)連“0”時(shí)，如果沒有引入數(shù)字信號(hào)，因Uin 為“0”，Id 減小并實(shí)施負(fù)反饋調(diào)節(jié)的結(jié)果，使Ib 上升。當(dāng)引入數(shù)字參考信號(hào)后，因Uin 為低電平，使得/Um 為高電平。Uin 的低電平，U3、Ib 增大；/Uin 的高電平，使U71A 的輸出為低電平，使U71B 同相端的電位

31、下降，并使U3 下降，Ib 減小，結(jié)果保持Ib 不增大。R738、C79 是Ib 慢啟動(dòng)電路，開機(jī)后，Ib 緩慢增大，以避免LD 受到大電流的沖擊而損壞， Q78 為偏流的限流保護(hù)。當(dāng)Ib 達(dá)到一定值時(shí)，R743 上的電壓加大，Q78 的基極電位升高，Q78導(dǎo)通；使Q76 的基流被分流，限制了Ib 的增加。Q78 與R724、R725 均起到對(duì)Ib 的限流作用。五、實(shí)驗(yàn)步驟以1310nm 光發(fā)端機(jī)(1550nm 光發(fā)端機(jī)與其相同)為例，即實(shí)驗(yàn)箱左邊的模塊。1）電氣實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線的連接： 關(guān)閉系統(tǒng)電源，將L_FY_OUT(L_FY_OUT 碼型為10101010、10101010、10101010)數(shù)

32、字信號(hào)作為光發(fā)送端的數(shù)字輸入信號(hào)。將開關(guān)S71 撥向左邊 (數(shù)傳輸字信號(hào))。2）光路部分的連接： 取下光發(fā)端口上的紅色橡膠保護(hù)套。 取一根FC-ST 的光跳線，取下其兩端的保護(hù)套。 將光跳線的A 端1310nm 光發(fā)送端口(1310nm TX)的連接器對(duì)接。 將光跳線的B 端與光功率計(jì)端口的連接器對(duì)接。3）調(diào)節(jié)電位器W75 (APC 控制器人工偏流調(diào)節(jié))，使光功率為-2.5dBm。4）將J72 短路帽拿掉，串接一個(gè)直流電流表測(cè)量電流Ib。5）改變輸入信號(hào)的碼型（改變碼元中1 的個(gè)數(shù)），依次減少一個(gè)“1”碼即增大光功率，根據(jù)下表分別記錄光功率和電流Ib。6）完成實(shí)驗(yàn)后，先關(guān)閉系統(tǒng)電源，再拆下光路

33、的連接(注意輕拆輕放)，最后拆下電路的連接線，整理好實(shí)驗(yàn)箱。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求將實(shí)驗(yàn)過程中記錄的各種數(shù)據(jù)結(jié)合原理進(jìn)行分析，加深理解自動(dòng)功率控制的原理實(shí)驗(yàn)四 光接收機(jī)電路原理 光接收電路是光纖通信結(jié)構(gòu)中重要的一部分內(nèi)容，它的作用是把光信號(hào)轉(zhuǎn)換電信號(hào)，還原出有用的信號(hào)。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1了解光接收端機(jī)的功能。 2掌握光接收端機(jī)的電路結(jié)構(gòu)原理。 二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容學(xué)習(xí)光接收機(jī)的電路組成原理。 三、實(shí)驗(yàn)儀器THKEGC-2 型實(shí)驗(yàn)箱一臺(tái)、示波器一臺(tái)、FC/PC 光纖跳線兩根。 四、基本原理光接收機(jī)是把光纖送來的光信號(hào)變換為電信號(hào)，經(jīng)過均衡放大，箝位，電位調(diào)整，整形后，送出相應(yīng)的模擬或數(shù)字信號(hào)。 圖 4-1 光接

34、收電路原理方框圖光接收機(jī)的電路組成如圖4-1 所示。光接收機(jī)電路原理圖如圖 4-2 所示。光接收電路的功能是把來自光纖的光脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，并給予足夠的放大，輸出一個(gè)適合定時(shí)判決的脈沖信號(hào)到判決電路。光電檢測(cè)前置放大級(jí)： 光電檢測(cè)器的功能是把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。前置放大器是光接收機(jī)的關(guān)鍵器件之一，它直接影響接收機(jī)的靈敏度。光接收機(jī)的質(zhì)量指標(biāo)就是接收機(jī)的靈敏度。所謂接收靈敏度就是在保證特定的誤碼率條件下所需的最小輸入光功率。一般輸入光功率(即接收光功率)是指整個(gè)碼流平均的光功率，前置放大器提供優(yōu)良的信噪比，將來自光電檢測(cè)器的微弱電信號(hào)進(jìn)行放大。由 A1、A2、A3 組成。A1 為光電檢測(cè)

35、器，采用飛通公司的光深測(cè)器件，對(duì)應(yīng)于電原理圖中的 PIN81。 A2 為前置放大器一，由三級(jí)管 Q82 及相關(guān)元件組成。 A3 為前置放大器二，由線性集成放大器 MAX4113 組成，對(duì)應(yīng)于電原理圖中的 U81。 A4 為寬頻放大器一，由三級(jí)管 Q83、Q81 及相關(guān)元件組成。 A5 為箝位電路：信號(hào)經(jīng)射極跟隨器 Q84 后，送到二極管箝位電路。箝位電路由電容 C818、二極管 D81、電位器 W82、電阻 R811 和 Q85 等組成。箝位電路的作用是將信號(hào)的底部箝位在由電位器 W82 調(diào)定的電位 E 上，以消除輸入信號(hào)基線漂移。 A6 為幅度判決電路：幅度判決電路的作用是識(shí)別信號(hào)是“1”還

36、是“ 0”，并形成數(shù)字信號(hào)。五、實(shí)驗(yàn)步驟 以 1310nm 光端機(jī)(1550nm 光端機(jī)與其相同)為例，即實(shí)驗(yàn)箱左邊的模塊。 1）光路部分的連接 取下光發(fā)/光收端口上的紅色橡膠保護(hù)套； 取一根 FC-FC 的光跳線，取下其兩端的保護(hù)套。 將光跳線的 A 端與光發(fā)送端口的連接器對(duì)接，即：將光跳線小心地插入連接器，在插入在同時(shí)保證光跳線的凸起部分與連接器凹槽完全吻合，然后擰緊固定帽即可； 將光跳線的 B 端與光接收端口的連接器對(duì)接，方法同上。 2）數(shù)字信號(hào)的接收 關(guān)閉系統(tǒng)電源，用實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線將數(shù)字信號(hào) L_D1(01100010)接入光發(fā)模塊的數(shù)字輸入端口L_DIN。 圖 4-2 光接收機(jī)電路原理圖

37、將開關(guān) S71 撥向左邊(傳輸數(shù)字信號(hào))。 打開電源，將示波器 CH1 接在光發(fā)模塊的數(shù)字輸入端口 L_DIN，CH2 接在光收模塊的數(shù)字輸出端口 L_DOUT。 調(diào)節(jié)光接收模塊的可調(diào)電位器 W81(放大器增益調(diào)節(jié))或電位器 W82(判決電平調(diào)節(jié))，觀察光接收端輸出波形和占空比的變化。 3）模擬信號(hào)的接收 關(guān)閉系統(tǒng)電源，用實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線將模擬信號(hào)源模塊的正弦波輸出端口 L_SINE 接入發(fā)光模塊的模擬輸入端口 L_AIN。 將開關(guān) S71 撥向右邊(傳輸模擬信號(hào))。 打開電源，將示波器 CH1 接在光發(fā)模塊的模擬輸入端口 L_AIN，CH2 接在光收模塊的模擬輸出端口 L_AOUT。 調(diào)節(jié)光發(fā)送模塊

38、的可調(diào)電位器 W71(輸入信號(hào)衰減調(diào)節(jié))、W73(激光器驅(qū)動(dòng)電流調(diào)節(jié))，觀察光接收端輸出波形的變化。 調(diào)節(jié)光接收模塊的可調(diào)電位器 W81，觀察光接收端輸出波形的變化。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求記錄實(shí)驗(yàn)過程中所得到的各種傳輸信號(hào)波形，并分析。 實(shí)驗(yàn)五 數(shù)字信號(hào)電光、光電傳輸 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1了解數(shù)字光纖通信的基本原理。 2掌握各種數(shù)字信號(hào)的傳輸特性。 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(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1用示波器觀察各種傳輸信號(hào)的波形。 2使用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中提供的各種信號(hào)進(jìn)行光傳輸實(shí)驗(yàn)，有：NRZ、CMI、PCM 編碼。 三、實(shí)驗(yàn)儀器 示波器一臺(tái)、THKEGC-2 型實(shí)驗(yàn)箱一臺(tái)、FC/PC 光纖跳線兩根

39、。四、基本原理本實(shí)驗(yàn)主要完成各種數(shù)據(jù)信號(hào)的光纖傳輸，其原理如圖5-1 所示，本次實(shí)驗(yàn)所用到的數(shù)字號(hào)主要有：NRZ(D1、D2、D3)、FS、CMI 碼。各信號(hào)的詳細(xì)介紹及各部分電路原理請(qǐng)參考續(xù)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。 圖 5-1 數(shù)字信號(hào)光纖傳輸框圖圖 5-2 CMI 碼光纖傳輸框圖五、實(shí)驗(yàn)步驟以 1310nm 光端機(jī)(1550nm 光端機(jī)與其相同)為例，即實(shí)驗(yàn)箱左邊的模塊。用光跳線分別連接 1310nm 的 TX 和 RX 端。 1數(shù)字信號(hào)光纖傳輸實(shí)驗(yàn)。1) 將固定速率數(shù)字信號(hào)源模塊的 L_D1 或 L_D2、L_D3、L_FS、L_BS、L_FY_OUT 連接光發(fā)送模塊的數(shù)字信號(hào)輸入端口 L_DIN。

40、 2) 把開關(guān) S71 撥到左邊(傳輸數(shù)字信號(hào))。 3) 打開系統(tǒng)電源，用示波器在光接收模塊的數(shù)字信號(hào)輸出端口 L_DOUT 觀察輸出信號(hào)。 4) 通過調(diào)節(jié)電位器 W81、W82 得到最佳的數(shù)字信號(hào)。 5）通過拔動(dòng)開關(guān)改變數(shù)字信號(hào)的碼型，觀察輸出端的波形變化。 2CMI 碼光纖傳輸實(shí)驗(yàn) 1) 關(guān)閉系統(tǒng)電源，選數(shù)字信號(hào)模塊中的 L_D1、L_D2、L_D3、L_FS、CPLD 模塊的 L_D_IN，進(jìn)行 CMI 碼的編碼。將 L_CMI_OUT 連接到光發(fā)入端口 L_DIN，并將光接收模塊的輸出端 L_DOUT 用導(dǎo)線連接到 L_CMI_IN進(jìn)行譯碼成原始信號(hào)。 2) 打開系統(tǒng)電源，用示波器在光

41、接收模塊的數(shù)字信號(hào)輸出端口 L_DOU3) 通過電位器 W82 來調(diào)節(jié)判決直流電平得到最佳的數(shù)字信號(hào)。 4) 用示波器觀察編碼前后的兩個(gè)波形。 5）通過拔動(dòng)開關(guān)改變數(shù)字信號(hào)的碼型，觀察輸出端的波形變化。 六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求 1記錄數(shù)字信號(hào) CMI 編碼后的波形并與原始波形作比較。 2分析數(shù)字信號(hào)光纖傳輸?shù)木幋a規(guī)則。 3歸納各種數(shù)字信號(hào)光纖傳輸?shù)奶攸c(diǎn)。 實(shí)驗(yàn)六 模擬信號(hào)電光、光電傳輸 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解模擬信號(hào)光纖傳輸?shù)幕驹怼?2了解完整的模擬信號(hào)光纖系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。 3掌握各種模擬信號(hào)的傳輸特性。 二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1通過不同頻率的正弦信號(hào)、方波信號(hào)、三角波信號(hào)進(jìn)行光傳輸實(shí)驗(yàn)。 2正弦信號(hào)通過

42、PCM 編碼后進(jìn)行光傳輸實(shí)驗(yàn)。 三、實(shí)驗(yàn)儀器示波器一臺(tái)、THKEGC-2 型實(shí)驗(yàn)箱一臺(tái)、FC/PC 光纖跳線兩根。四、基本原理本實(shí)驗(yàn)用示波器觀察光發(fā)送模塊和光接收模塊的模擬信號(hào)波形，并通過調(diào)節(jié)模擬信號(hào)源模塊的頻率進(jìn)行比較。了解和熟悉光纖傳輸模擬信號(hào)系統(tǒng)的組成。其實(shí)驗(yàn)框圖如下： 圖 6-1模擬信號(hào)光纖傳輸方式之一 圖 6-2模擬信號(hào)光纖傳輸方式之二模擬信號(hào)的傳輸，可以有多種方式，一種是直接用模擬信號(hào)，經(jīng)過光纖直接進(jìn)行傳輸；另一種方式是把模擬信號(hào)數(shù)字化后，進(jìn)行編碼，然后將編碼好的數(shù)字信號(hào)再進(jìn)行光纖傳輸，最后再經(jīng)過譯碼，把模擬信號(hào)還原?，F(xiàn)在使用最多的一種方式是 PCM 編譯碼，對(duì)于 PCM 編譯碼的

43、詳細(xì)資料請(qǐng)參考教材。 五、實(shí)驗(yàn)步驟以 1310nm 光端機(jī)(1550nm 光端機(jī)與其相同)為例，即實(shí)驗(yàn)箱左邊的模塊。用光跳線分別連接 1310nm 的 TX 和 RX 端。 1模擬信號(hào)光纖傳輸方式之一 1) 將模擬信號(hào)源模塊的正弦波 L_SINE 連接到光發(fā)送模塊的模擬信號(hào)輸入端口 L_AIN。 2) 把開關(guān) S71 撥到右邊(傳輸模擬信號(hào))。 3) 打開系統(tǒng)電源，用示波器在光接收模塊的模擬信號(hào)輸出端口 L_AOUT 觀察輸出信號(hào)。 4) 通過調(diào)節(jié)電位器 W71、W73、W81 得到最佳的模擬信號(hào)，用示波器觀察模擬信號(hào)輸入端口 L_AIN 和模擬信號(hào)輸出端口 L_DOUT 的波形。 2模擬信號(hào)

44、光纖傳輸方式之二 1) 實(shí)驗(yàn)連線 左邊模擬信號(hào)源的輸出正弦波 L_SINE 與 PCM 編譯碼單元的 A_IN 相連。PCM 編譯碼單元 A_TXD 與光發(fā)送數(shù)字信號(hào)輸入端 L_DIN 相連。 PCM 編譯碼單元 B_RXD 與光接收數(shù)字信號(hào)輸出端 L_DOUT 相連。2) 把開關(guān) S71 撥到左邊，調(diào)節(jié)電位器 W75，逆時(shí)針旋到底。 3) 打開系統(tǒng)電源，仔細(xì)調(diào)節(jié)電位器 W82(調(diào)節(jié)判決直流電平)、W81(增益調(diào)節(jié))得到最佳的模擬信號(hào)，用示波器觀察 PCM 編碼前(A_IN)和譯碼后(B_OUT)的波形，比較波形是否有信號(hào)失真。注意信號(hào)的幅度和頻率。由于 PCM 碼流的速率比較高，因此在光纖傳

45、輸過程中如果有時(shí)延產(chǎn)生，調(diào)節(jié) W81、W82 就是為了消除時(shí)延的影響。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中必須仔細(xì)反復(fù)調(diào)節(jié)這兩個(gè)電位器才能將信號(hào)恢復(fù)。 六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求 1記錄并畫出實(shí)驗(yàn)所觀測(cè)的波形，并進(jìn)行比較。2比較模擬信號(hào)兩種傳輸方式，分析哪種傳輸方法的傳輸效果更好。 實(shí)驗(yàn)七 光纖通信線路碼一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解光纖通信編譯碼的方式。2了解各種編譯碼方式的性能。3了解光纖線路碼的選碼原則。4掌握CMI 編碼/譯碼原理。5學(xué)習(xí)CMI 編譯碼模塊的使用。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1光纖通信編譯碼的方式。2光纖線路碼的選碼原則。3觀察CMI 編譯碼的波形。三、實(shí)驗(yàn)儀器示波器一臺(tái)、THKEGC-2 型實(shí)驗(yàn)箱一臺(tái)。四、基本原理(一) 常

46、見光纖線路碼1mBnB 碼mBnB 碼又叫分組碼(BlockCode)。其特點(diǎn)是將輸入的原始二進(jìn)制碼流按m 比特分組，形成m 比特的碼字，然后將每一碼字在同樣長(zhǎng)的時(shí)隙內(nèi)變成n 比特的碼字輸出（取n>m）。常見的有1B2B 碼、3B4B 碼、4B6B 碼、5B6B 碼、5B7B 碼和6B8B 碼等等，由于n>m 2n 個(gè)nB 碼字中僅有2n 個(gè)與mB 碼字對(duì)應(yīng)，其余不用的nB 碼字稱為禁字。通常把nB 碼字中的“1”、“0”個(gè)數(shù)懸殊的碼字作禁字，而且把錄用的“1”、“0”個(gè)數(shù)不均字分成兩種模式，并使“1”多的正模式與“0”多的負(fù)模式交替出現(xiàn)，這樣就消除了線路碼的直流電平浮動(dòng)。mB碼字

47、到nB碼字的變換及逆變換是按預(yù)定的碼表進(jìn)行的，不同的碼表產(chǎn)生不同的線路碼。mBnB 碼中，5B6B 碼被認(rèn)為是在編碼復(fù)雜性和比特冗余度之間最合理的折衷。它的線路碼速只比原始碼速增加20%，而變換、反變換電路也不太復(fù)雜。2mBIP 碼mBIP 碼是一種脈沖插入碼。在mB 碼字后插入1 比特P 碼，作為前面m 比特碼元的奇偶校驗(yàn)比特。奇偶校驗(yàn)可以是奇數(shù)性的，也可以是偶數(shù)性的。在偶數(shù)時(shí)，若mB 中傳號(hào)個(gè)數(shù)為偶數(shù)，取P 碼為“0”；若mB 傳號(hào)個(gè)數(shù)為奇數(shù)，則取P 碼為“1”。奇數(shù)性可以解決長(zhǎng)連“0”問題，使連“0”數(shù)2m，當(dāng)“1”為奇數(shù)時(shí)又使連“1”數(shù)2m。偶數(shù)性不能解決連“0”問題，但便于不中斷業(yè)務(wù)

48、的誤碼監(jiān)測(cè)。圖7-1 17B18B(17B1P)碼的例子應(yīng)當(dāng)指出，在某些外國(guó)產(chǎn)品資料中，線路碼的名稱不夠規(guī)范，易造成mB1P 碼與mBnB 的混淆，例如，7B8B 碼、17B18B 碼實(shí)際上是7B1P 碼和17BIP 碼(如圖7-1 所示)。3mBICi 碼mBICi 碼是另一類脈沖插入碼，在原始的mB 碼字后，插入1 比特C 碼，它是前面m 比特碼元中第i 位的補(bǔ)碼(i 值從C 碼往前數(shù))。圖7-2 是5B1C 碼的例子。補(bǔ)碼的插入可以控制連“1”數(shù)和連“0”數(shù)。改變i 值可以調(diào)節(jié)線路碼的功率譜形狀。誤碼監(jiān)測(cè)可以靠檢查C 是否與前面對(duì)應(yīng)碼元互補(bǔ)來實(shí)現(xiàn)。放棄部分C 碼，而以交替插入的各種附加信

49、息比特代替，在我國(guó)又叫mBIH碼，這種線路碼具有幀結(jié)構(gòu)。圖7-2 5B1C 碼結(jié)構(gòu)示例4CMI 碼和DMI 碼CMI 碼和DMI 碼是兩種二電平傳號(hào)交替反轉(zhuǎn)碼，它們的變換規(guī)則如表7-1 所示。圖7-3是CMI 碼變換的實(shí)例。變換后碼率提高了一倍。圖7-3 CMI 碼變換實(shí)例表7-1 CMI 與DMI 碼變換規(guī)則CMI 的連“0”最大數(shù)為3，DMI 的連“0”最大數(shù)為2，因此這兩種線路含有豐富的定時(shí)信息，便于定時(shí)提取。這兩種碼都允許進(jìn)行不中斷業(yè)務(wù)的誤碼監(jiān)測(cè)。CMI 碼在ITU-TG.703 建議中被規(guī)定為139.264Mbit/s 和155.520Mbit/s 的物理/電氣接口的碼型。因此有不少

50、139.264Mbit/s 數(shù)字光纖傳輸系統(tǒng)就用CMI 碼作為光線路碼。除了上述優(yōu)點(diǎn)外，直接將四次群復(fù)用設(shè)備送來的CMI 碼調(diào)制到光器件上，接收端再生還原的CMI 碼直接送給四次群復(fù)用設(shè)備，這樣做無需電接口和線路碼型的變換/反變換，設(shè)備簡(jiǎn)單。(二) 光纖線路碼選擇線路碼型的選擇是復(fù)雜的問題，除了技術(shù)因素之外，還有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)拓樸、經(jīng)濟(jì)等諸方面的因素。自光纖通信問世以來，各國(guó)對(duì)線路碼型都進(jìn)行了大量的深入研究。在已付諸實(shí)用的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中，采用了多達(dá)數(shù)十種的線路碼型。但是原ITU-T 卻一直沒有對(duì)光線路碼型制定統(tǒng)一的規(guī)范，而且不打算制定這種規(guī)范。單從技術(shù)的角度來說，因?yàn)楣鈧鬏斚到y(tǒng)的電氣輸入輸

51、出接口都是符合ITU-TG.703 建議的，易于互相連接，一般的數(shù)字信道連接或轉(zhuǎn)接都是通過這類接口實(shí)現(xiàn)的。而光接口上通常不進(jìn)行不同制造廠家之間設(shè)備的互連，因此也無須規(guī)定統(tǒng)一的碼型。當(dāng)然從管理的角度來說，在一個(gè)國(guó)家統(tǒng)一幾種碼型有一定的意義，但也有相當(dāng)?shù)碾y度。因?yàn)橐鏉M足上述對(duì)線路碼型的要求是不可能的。因?yàn)樵谶@些要求中，有些相互就是矛盾的，很難選出一種在各種條件下均為最佳的碼型。只能根據(jù)具體情況選用能滿足主要要求的碼型。這從碼型研究和選用歷史發(fā)展的過程也可以看出這一點(diǎn)。光通信發(fā)展的初期，著重考慮簡(jiǎn)單易行地監(jiān)測(cè)誤碼方面，因此采用插入奇偶校驗(yàn)位碼型的相對(duì)較多。隨著對(duì)光線路碼型研究的深入，對(duì)碼型性能的

52、分析漸漸完備，把碼的譜特性、定時(shí)成分及誤碼性能監(jiān)測(cè)的要求放在了重要位置，因此mBnB 碼特別是5B6B 的采用相對(duì)較多。當(dāng)前，對(duì)網(wǎng)絡(luò)管理的要求越來越高，而電子技術(shù)飛躍發(fā)展，特別是超大規(guī)模集成技術(shù)的迅速發(fā)展，使各種復(fù)雜電路的實(shí)現(xiàn)變得簡(jiǎn)單，定時(shí)提取電路的性能也越來越好，因此對(duì)碼型傳送監(jiān)控、公務(wù)等操作、維護(hù)和管理信息的要求顯得更為重要，于是插入混合比特的碼型就用得多起來。從同步數(shù)字系列(SDH)的研究開發(fā)可以看出來，已不再額外考慮光線路碼型，而把幀結(jié)構(gòu)中插入大量的電信號(hào)擾碼后直接放到光路中傳輸，這從另一個(gè)角度來看，也可以認(rèn)為是一種插入類的光線路碼型。從各種實(shí)用的光線路碼型來看，考慮了光源器件的特點(diǎn)、

53、光調(diào)制的方便及接收端的簡(jiǎn)易性，幾乎無例外地采用了單極性碼或者說兩電平碼，而極少采用三電平、四電平碼。由于光發(fā)送機(jī)、光接收機(jī)的制作困難，四電平以上的光線路碼型沒有實(shí)用化。(三) CMI 編譯碼電路介紹通過對(duì)以上各種編碼方式的學(xué)習(xí)，參考表7-2，在本系統(tǒng)中，我們對(duì)輸入信號(hào)所取用的編碼方式為CMI 編碼。表7-2 三種典型線路碼比較CMI 編碼譯碼電路是由CPLD 來完成，其功能框圖分別見圖7-10、7-11 所示。圖7-10 CMI 編碼電路框圖圖7-11 CMI 譯碼電路框圖端口說明：L_D_IN：左邊需進(jìn)行編碼的信號(hào)輸入端L_CMI_OUT：左邊編碼后的信號(hào)輸出端L_CMI_IN：左邊需進(jìn)行譯

54、碼的信號(hào)輸入端L_D_OUT：左邊譯碼后的信號(hào)輸出端R_D_IN：右邊需進(jìn)行編碼的信號(hào)輸入端R_CMI_OUT：右邊編碼后的信號(hào)輸出端R_CMI_IN：右邊需進(jìn)行譯碼的信號(hào)輸入端R_D_OUT：右邊譯碼后的信號(hào)輸出端五、實(shí)驗(yàn)步驟以1310nm 光端機(jī)(1550nm 光端機(jī)與其相同)為例，即實(shí)驗(yàn)箱左邊的模塊。1關(guān)閉系統(tǒng)電源， 選取一路數(shù)字信號(hào)( 如： L_FS 、L_D1 、L_D2 、L_D3 、L_FY-OUT(L_FY_OUT 信號(hào)的產(chǎn)生參考實(shí)驗(yàn)二十一、二十二) 用一根短實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線連接到左邊CMI 編碼的信號(hào)輸入端L_D_IN，進(jìn)行CMI 編碼。2 將編碼后的信號(hào)L_CMI_OUT 用一根短

55、實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線連接到L_CMI_IN 的端口，進(jìn)行譯碼。3打開電源，示波器CH1 接L_D_IN，CH2 接L_CMI_OUT，觀察CMI 碼的編碼規(guī)則。4示波器CH1 接L_D_IN，CH2 接L_D_OUT，觀察CMI 碼的譯碼規(guī)則。觀察L_D_OUT的結(jié)果和L_D_IN 輸入的數(shù)字信號(hào)是否相符。5改變數(shù)字信號(hào)，觀察各點(diǎn)的波形變化。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1 觀察數(shù)字信號(hào)被CMI 編碼后的波形與原始波形的關(guān)系。2 熟悉光纖數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)木幋a原則和傳輸效果的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)八 波分復(fù)分(WDM)光纖通信一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1了解光纖接入網(wǎng)波分復(fù)用傳輸路徑。 2掌握波分復(fù)用技術(shù)及實(shí)現(xiàn)方法。 二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1模擬、數(shù)字信

56、號(hào)波分復(fù)用光纖傳輸。 2混合信號(hào)波分復(fù)用光纖傳輸。 三、實(shí)驗(yàn)儀器示波器一臺(tái)、THKEGC-2 型實(shí)驗(yàn)箱一臺(tái)、FC-FC 波分復(fù)用器兩個(gè)、FC-FC 連接器一個(gè)。四、基本原理 WDM 技術(shù)就是為了充分利用單模光纖低損耗區(qū)帶來的巨大的帶寬資源，根據(jù)每一信道光波的頻率(或波長(zhǎng))不同可以將光纖的低損耗窗口劃分成若干個(gè)信道，把光波作為信號(hào)的載波，在發(fā)送端采用波分復(fù)用器(合波器)將不同規(guī)定波長(zhǎng)的光載波合并起來送入一根光纖進(jìn)行傳輸；在接收端，再由一波分復(fù)用器(分波器)將這些不同波長(zhǎng)承載不同信號(hào)的光載波分開。由于不同波長(zhǎng)的光載波信號(hào)可以看作互相獨(dú)立的(不考慮光纖非線性時(shí))，從而在一根光纖中可實(shí)現(xiàn)多路光信號(hào)的復(fù)用傳輸。波分復(fù)用系統(tǒng)原理圖如圖 8-1 所示。 圖 8-1 WDM 原理圖完整的 WDM 系統(tǒng)由以下兩類組成：一類是 WDM 分波前后所需的元件，如 EDFA、Mux/DeMu