光纖通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、光纖通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告 電路圖光發(fā)送模塊光接收模塊編碼模塊譯碼模塊實(shí)驗(yàn)一 半導(dǎo)體激光器的P-I-V特性曲線測(cè)試一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?通過測(cè)試LD的P（平均發(fā)送光功率）-I（注入電流）特性曲線和V（偏置電壓）-I特性曲線，計(jì)算閾值電流（Ith）和斜率效率，掌握LD半導(dǎo)體激光器的工作特性。二、實(shí)驗(yàn)儀器1、光發(fā)送模塊 1只3、編碼模塊 1臺(tái)4、光功率計(jì) 1臺(tái)5、萬用表 1臺(tái)6、示波器 1臺(tái) 7、跳線 若干三、實(shí)驗(yàn)原理半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）是用半導(dǎo)體材料制作的正向偏置的PN結(jié)二極管。其發(fā)光機(jī)理是當(dāng)在PN結(jié)兩端注入正向電流時(shí)，注入的非平衡載流子（電子空穴對(duì)）在擴(kuò)散過程中復(fù)合發(fā)光，這種發(fā)光過程主要對(duì)應(yīng)光的自發(fā)發(fā)

2、射過程。半導(dǎo)體發(fā)光二極管具有可靠性較高，室溫下連續(xù)工作時(shí)間長、光功率電流線性度好等顯著優(yōu)點(diǎn)，而且由于此項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得比較成熟，所以其價(jià)格非常便宜。然而LED的發(fā)光機(jī)理決定了它存在著很多的不足，如輸出功率小、發(fā)射角大、譜線寬、響應(yīng)速度低等。半導(dǎo)體激光二極管（LD）或簡稱半導(dǎo)體激光器則是通過受激輻射發(fā)光，是一種閾值器件。處于高能級(jí)E2的電子在光場(chǎng)的感應(yīng)下發(fā)射一個(gè)和感應(yīng)光子一模一樣的光子，而躍遷到低能級(jí)El，這個(gè)過程稱為光的受激輻射，所謂一模一樣，是指發(fā)射光子和感應(yīng)光子不僅頻率相同，而且相位、偏振方向和傳播方向都相同，它和感應(yīng)光子是相干的。半導(dǎo)體激光二極管作為激光器的一種，同樣也必須滿足粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

3、和光反饋兩個(gè)要求。其使用的方法是向P型和N型限制層重?fù)诫s，使費(fèi)米能級(jí)間隔在PN結(jié)正向偏置下超過帶隙實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。再利用與PN結(jié)平面相垂直的自然解理面構(gòu)成F-P腔，進(jìn)行光放大，輸出激光。半導(dǎo)體激光器在熱平衡情況下，自發(fā)發(fā)射占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。當(dāng)外界給系統(tǒng)提供能量時(shí)，如采用電流注入（即電泵），打破熱平衡狀態(tài)，隨著注入電流的增加，半導(dǎo)體二極管漸漸地增加自發(fā)發(fā)射，當(dāng)大量粒子處于高能級(jí)，即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)后，開始受激發(fā)射開始占主導(dǎo)地位。在光束發(fā)射方向上的受激發(fā)射比自發(fā)發(fā)射的強(qiáng)度大幾個(gè)數(shù)量。2、半導(dǎo)體激光器的主要特性（1）輸出電壓特性LD和LED都是半導(dǎo)體光電子器件，其核心部分都是P-N結(jié)。因此其具有與普通二極管相類

4、似的V-I特性曲線，如下圖所示：圖1-1 激光器輸出V-I特性曲線由V-I曲線我們可以計(jì)算出LD/LED總的串聯(lián)電阻R和開門電壓VT。（2）輸出光功率特性激光器光功率特性通常用輸出光功率與激勵(lì)電流I的關(guān)系曲線，即PI曲線表示。圖1-2 LD/LED的P-I特性曲線在結(jié)構(gòu)上，由于LED與LD相比沒有光學(xué)諧振腔。因此，LD和LED的功率電流的P-I關(guān)系特性曲線則有很大的差別。LED的P-I曲線基本上是一條近似的直線。從圖4中可以看出LD的P-I曲線起始部分增益很小，達(dá)到一定條件增益變大，我們稱這個(gè)出現(xiàn)竟增益的條件為閾值條件，也即閾值電流Ith，輸入電流IIth部分，P-I曲線才近似成線性關(guān)系，P增

5、大的速率即曲線的斜率，稱為斜率效率，此時(shí)LD發(fā)光是由受激輻射產(chǎn)生的激光。而在IIth部分，LD輸出的光功率較小，此時(shí)主要是自發(fā)輻射為主。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)選閾值電流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（測(cè)試方法見實(shí)驗(yàn)二）大，而且不易產(chǎn)生光信號(hào)失真。并且要求P-I曲線的斜率適當(dāng)。斜率太小，則要求驅(qū)動(dòng)信號(hào)太大，給驅(qū)動(dòng)電路帶來麻煩；斜率太大，則會(huì)出現(xiàn)光反射噪聲及使自動(dòng)光功率控制環(huán)路調(diào)整困難。本實(shí)驗(yàn)所采用的實(shí)驗(yàn)板，如光發(fā)射模塊電路圖所示，LD的激勵(lì)電流I由兩部分組成，一部分是由可調(diào)電位器WBIAS

6、控制的直流偏置電流Ibias；另一部分，是由輸入端接入經(jīng)過可調(diào)電位器WMOD的調(diào)制電流Imod。兩部分電流相加注入激光器。如圖1-5所示，激光器與電阻RU106串聯(lián)，電阻兩端分別有T104和T106兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)，用來測(cè)量電阻兩端電壓，進(jìn)而計(jì)算得到注入激光器的電流值。測(cè)試點(diǎn)T105與激光二極管的陰極相連，T104與激光二極管的陽極相連，這兩點(diǎn)間電壓為激光器的偏置電壓。我們實(shí)驗(yàn)采用的激光管型號(hào)FT-F54F3SS4激光管，閾值電流10mA左右。 圖1-5 LD部分電路截圖圖1-6表示的是Imod和Ibias對(duì)輸出光功率的影響，編碼模塊提供的Imod調(diào)制信號(hào)相同的前提下，當(dāng)IbiasIth時(shí)，此時(shí)激光

7、器工作在線性狀態(tài)，輸出的光功率幅值會(huì)較大，我們可以把光信號(hào)接到光接收模塊，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過示波器觀察波形變化。 圖1-6 Ibias和Imod對(duì)輸出光功率的影響編碼模塊的編碼開關(guān)S301控制編碼模塊輸出不同的波形，撥盤開關(guān)控制功能介紹如下：圖1-7撥盤開關(guān)示意圖我們主要用到編碼模塊撥盤開關(guān)的第1、2、6、7、8位，其中2號(hào)位控制時(shí)鐘信號(hào)頻率，撥到上側(cè)代表“0”，此時(shí)時(shí)鐘輸出2MHz的時(shí)鐘信號(hào)，撥到下側(cè)代表“1”，此時(shí)輸出4MHz的時(shí)鐘信號(hào)。對(duì)于編碼模塊撥盤開關(guān)S301：第1位使能開關(guān)，為1時(shí)，撥盤開關(guān)正常工作。第2位為時(shí)鐘選擇開關(guān)：置“0”，此時(shí)SMA302輸出2.048MHz時(shí)鐘信

8、號(hào)，用于配合SMA301 讀PN碼數(shù)據(jù)，上升沿觸發(fā)（低電平讀數(shù)）。置“1”，SMA302輸出4.096MHz時(shí)鐘信號(hào),用于配合SMA301 讀CMI碼數(shù)據(jù)，上升沿觸發(fā)（低電平讀數(shù)）。第6、7、8位依次為：000 方波輸出檔 SMA301輸出為1MHz,Vp-p=5V的方波(2MHz二元碼數(shù)據(jù))。001 PN碼輸出檔 SMA301輸出16位的PN碼（偽隨機(jī)碼）。010 CMI譯碼輸出檔 SMA301輸出為由001狀態(tài)下的PN碼變換成的CMI 碼。011 16位手動(dòng)CMI碼輸出檔 SMA301輸出由撥盤開關(guān)（S303和S302）編 制的16位CMI碼。100 8位手動(dòng)碼輸出檔 SMA301輸出撥盤

9、開關(guān)S302編制的8位手動(dòng)碼。101 8位手動(dòng)碼轉(zhuǎn)化成CMI碼輸出檔 將100模式下的8位碼轉(zhuǎn)化為CMI 碼通過SMA301輸出。110 高電平檔 SMA301輸出高電平。111 低電平檔 SMA301輸出低電平。四、實(shí)驗(yàn)步驟1、LD的P-I曲線和V-I曲線的測(cè)量：本實(shí)驗(yàn)中，LD的注入電流包括兩部分：調(diào)制電流和偏置電流，偏置電流的作用是讓LD工作在合適的直流偏置點(diǎn)；調(diào)制電流的作用是讓LD的輸出光信號(hào)攜帶調(diào)制信息。我們進(jìn)行P-I-V曲線測(cè)試時(shí)，不需要加載信息，所以我們需要先將調(diào)制電流調(diào)為0，然后調(diào)節(jié)偏置電流，并記錄不同偏置電流時(shí),LD的輸出光功率和偏置電壓。（1）用電纜線連接編碼模塊SMA301

10、與光發(fā)射模塊SMA101。（2）從光發(fā)送模塊的LD尾纖的連接器中取出保護(hù)塑料套，插入光功率計(jì)，擰緊光纖外圍的螺絲環(huán)，打開光功率計(jì)，設(shè)置光功率計(jì)測(cè)量波長為1550nm,測(cè)出的光功率就是光發(fā)送端LD的輸出光功率P。（3）編碼模塊上電，光發(fā)送模塊上電，編碼模塊藍(lán)色撥盤開關(guān)S301第1位置1，第6、7、8位撥到111低電平輸出檔。此時(shí)SMA301輸出低電平，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)光發(fā)送模塊的電位器WMOD到底，使調(diào)制電流為0（可以通過測(cè)量電阻RU205左側(cè)電壓是否為0來判斷調(diào)制電流是否調(diào)為0）。（4）順時(shí)針旋轉(zhuǎn)電位器WBIAS到底，使得流過LD偏置電流為0。（5）逆時(shí)針緩慢旋轉(zhuǎn)電位器WBIAS，使偏置電阻RU10

11、6兩端之間電壓(紅色表筆接T106，黑色表筆接觸測(cè)試點(diǎn)T104)為表1中Vr所示大小,此時(shí)Vr的電壓值除以電阻值RU106（100歐姆），即可得到注入激光二極管LD的電流I。（6）讀出此時(shí)光功率計(jì)上的數(shù)值填入表1中P(mw)，將光功率計(jì)切換到dbm檔，讀出此時(shí)數(shù)值填入表1中P(dbm)。 (7)用數(shù)字萬用表測(cè)量紅色表筆接T104，黑色表筆接觸測(cè)試點(diǎn)T105，測(cè)得的電壓即為激光二極管的偏置電壓U,填入表1。（8）重復(fù)步驟（5）、（6）、（7），完成表1，并繪制LD的P-I曲線和V-I曲線。注：這里需說明的是這里測(cè)得的是P-I和V-I曲線的一段（功率調(diào)節(jié)范圍約4個(gè)dB），為了防止燒壞光發(fā)送組件，電

12、流I的調(diào)節(jié)范圍有限（電流調(diào)節(jié)范圍約為30mA），但不妨礙整個(gè)P-I曲線的測(cè)量，因?yàn)闇y(cè)試方法是一樣的，只是多測(cè)幾組值而已。表1I(mA)12345678Vr(V)0.10.20.30.40.50.60.70.8U(V)0.7540.7980.8520.8480.8680.8850.9030.919P（mW）0.000030.000090.00020.00030.00040.00050.00080.0016P（dBm）-46.58-41.31-38.76-36.79-35.07-33.44-31.56-28.20I(mA)910111213141516Vr(V)0.91.01.11.21.31.4

13、1.51.6U(V)0.9330.9460.9570.9690.9830.9931.0051.016P（mW）0.00780.06540.1260.1850.250.310.3540.411P（dBm）-21.55-12.64-9.68-8.03-6.74-5.93-5.22-4.57I(mA)17181920Vr(V)1.71.81.92.0U(V)1.0291.0411.0521.06P（mW）0.4720.5270.5790.632P（dBm）-3.97-3.50-3.09-2.7 2、 觀察偏置電流為零的條件下，改變調(diào)制電流對(duì)輸出光信號(hào)的影響:(1) 用電纜線連接編碼模塊SMA301與

14、光發(fā)送模塊SMA101，取下法蘭盤上的保護(hù)套，將光發(fā)送模塊LD尾纖的連接器接入法蘭盤的一端，法蘭盤另外一端與光接收模塊PD尾纖連接器相連。光接收模塊測(cè)試點(diǎn)T201連接到示波器。(2) 給編碼模塊、光發(fā)送模塊、光接收模塊三個(gè)模塊上電。(3) 編碼模塊藍(lán)色撥盤開關(guān)S301第1位置1、第6、7、8位撥到111低電平輸出檔，此時(shí)SM(4) A301輸出低電平，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)電位器WMOD到底,使調(diào)制電流為0。(5) 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)電位器WBIAS到底，使偏置電流為0（可通過測(cè)量電阻RU204電壓值判斷是否調(diào)0）。(6) 控制編碼模塊藍(lán)色撥盤開關(guān)S301第1位置1,第6、7、8位撥到110高電平輸出檔，此時(shí)從S

15、MA301輸出約為5V的CMOS高電平。(7) 調(diào)節(jié)光發(fā)送模塊可變電阻器WMOD,使R106兩端T106與T104之間電壓值Vr為表2中所示值，計(jì)算可得到此時(shí)調(diào)制電流值Imod=Vr/100。(8) 將編碼模塊藍(lán)色撥盤開關(guān)S301第1位置1，第6、7、8位撥到000位置方波輸出檔,此時(shí)SMA301輸出Vp-p=5V的方波。調(diào)節(jié)示波器，觀察輸出信號(hào)波形變化，并記錄此Imod條件下Vp-p的大小。(9) 重復(fù)步驟（5）、（6）、（7），改變Imod的大小，測(cè)試不同Imod情況下，波形Vp-p的大小，完成表2。表2Vr(V)2.0001.8001.6001.4001.200Imod(mA)20181

16、61412Vp-p（V）1.121.00.840.70.56Vr(V)1.0000.8000.6000.4000.200Imod(mA)108642Vp-p（V）0.40.250.040.030.03注：設(shè)置調(diào)制電流過程中我們首先采用5.0V高電平，調(diào)節(jié)電位器WMOD，使輸出LD調(diào)制電流為Imod。之后我們輸入Vp-p=5.0V，占空比50%的方波作為調(diào)制電流，實(shí)際上此時(shí)用電壓表測(cè)的的流入LD的調(diào)制電流平均大小應(yīng)是Imod/2。此實(shí)驗(yàn)主要用于觀察輸出波形變化，所以為方便起見，我們表2中采用的是5.0V高電平時(shí)的調(diào)制電流Imod。3、觀察調(diào)制電流一定的條件下，改變偏置電流對(duì)輸出光信號(hào)的影響:（1

17、） 保持上個(gè)實(shí)驗(yàn)線路的連接。（2） 編碼模塊藍(lán)色撥盤開關(guān)S301第1位置1，第6、7、8位撥到111低電平輸出檔。此時(shí)SMA301輸出調(diào)制電流為低電平，調(diào)節(jié)WMOD,使調(diào)制電流為0。（3） 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)WBIAS到底使偏置電流為0。（4） 編碼模塊藍(lán)色撥盤開關(guān)S301第1位置1，第6、7、8位撥到110高電平輸出檔。用數(shù)字萬用表電壓檔檢測(cè)T106與T104之間電壓值,同時(shí)逆時(shí)針調(diào)節(jié)WMOD，使萬用表讀數(shù)為0.500V（此時(shí)調(diào)制電流調(diào)節(jié)為5mA）。（5） 編碼模塊藍(lán)色撥盤開關(guān)S301第1位置1，第6、7、8位撥到111低電平輸出檔，檢測(cè)T106與T104之間電壓值，同時(shí)逆時(shí)針調(diào)節(jié)WBIAS，使萬用

18、表讀數(shù)為表3中Vr的值，此時(shí)相應(yīng)的Ibias=Vr/100。（6） 編碼模塊藍(lán)色撥盤開關(guān)S301第1位置1，第6、7、8位撥到000位置方波輸出檔，調(diào)節(jié)示波器至顯示清晰波形，觀察示波器中波形，并記錄Vp-p。（7） 重復(fù)步驟（5）、（6）完成表3。表3Vr(V)2.0001.8001.6001.4001.200Ibias(mA)2018161412Vp-p（mV）470450450450430Vr(V)1.0000.8000.6000.4000.200Ibias(mA)108642Vp-p（mV）4003603002201205、 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1、 畫出LD的P-I特性曲線和V-I特性曲線。根

19、據(jù)所畫出的P-I特性曲線，參照?qǐng)D1-4找出半導(dǎo)體激光器閾值電流Ith的大小，求出半導(dǎo)體激光器的斜率效率。有P-I特性曲線圖可知，半導(dǎo)體激光器閾值電流Ith = 9Ma，斜率K=0.63-0.08/20-10=0.0572、 觀察偏置電流為零時(shí)，不同調(diào)制電流對(duì)輸出光波形的影響。如圖，存在7V的閾值電流，開啟后呈線性關(guān)系3、 觀察調(diào)制電流為零時(shí)，改變偏置電流對(duì)輸出光波形的影響。 開始是上升比較快，最后緩慢。6、 思考題1、 為什么激光二極管的特性曲線與LED不同。答：激光二極管的工作原理與LED的原理不同，激光二極管存在損耗和增益，當(dāng)增益大于消耗是就會(huì)形成線性關(guān)系，增加的速度比較快。而LED的發(fā)光

20、與半導(dǎo)體電流關(guān)系類似。2、 LD的偏置電流的作用是什么？答：費(fèi)米能級(jí)間隔在PN結(jié)正向偏置下超過帶隙實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，電流越大增益就越大，要形成激光需要一定的偏置電流，當(dāng)輸入電流IIth部分，P-I曲線才近似成線性關(guān)系，LD發(fā)光是由受激輻射產(chǎn)生的激光。而在IIth部分，LD輸出的光功率較小，此時(shí)主要是自發(fā)輻射為主。所以偏置電流就是可以使LD工作在產(chǎn)生激光的線性曲線的合適電流。3、如何確定激光二極管的工作點(diǎn)？ 答：通過輸入不同的電流值，測(cè)出相應(yīng)的PI曲線，通過圖表可以參考相應(yīng)的工作點(diǎn)?；蛘呓oLD一定有小到大的電流，在加入不同的電流，查看是否實(shí)行線性放大，即可判斷。實(shí)驗(yàn)二 平均發(fā)送光功率以及消光比測(cè)試

21、一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆掌骄夤β实臏y(cè)試方法以及光功率的表示方法，理解不同編碼方式對(duì)平均光功率的影響，掌握激光二極管的工作點(diǎn)與消光比、平均發(fā)送光功率的關(guān)系。了解消光比定義，掌握消光比的測(cè)試方法，掌握調(diào)整消光比的方法。二、實(shí)驗(yàn)儀器1、光纖通信實(shí)驗(yàn)箱2、20M雙蹤示波器 一臺(tái)3、光功率計(jì) 一個(gè)4、數(shù)字萬用表 一個(gè)5、光纖跳線 若干三、實(shí)驗(yàn)原理光發(fā)送機(jī)的平均輸出光功率被定義為當(dāng)發(fā)送機(jī)送偽隨機(jī)序列時(shí)（PN碼），發(fā)送端輸出的光功率的值。平均發(fā)送光功率指標(biāo)與實(shí)際的光纖線路有關(guān)，在長距離光纖數(shù)字通信系統(tǒng)中，要求有較大的平均發(fā)送光功率；在短距離的光纖數(shù)字通信系統(tǒng)中，要求較小的平均發(fā)送光功率。設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)整個(gè)光纖通信

22、系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性和可維護(hù)性全面考慮該指標(biāo)，提出合適的數(shù)值要求，而不是越大越好。圖2-1 模擬光發(fā)送調(diào)制度測(cè)試框圖平均發(fā)送光功率測(cè)試框圖如圖2-1所示。在實(shí)驗(yàn)板編碼模塊，有兩組撥盤開關(guān)，藍(lán)色8位撥盤開關(guān)S301可以控制輸出不同的編碼(實(shí)驗(yàn)一有詳細(xì)介紹)；紅色16位撥盤開關(guān)（S302和S303）提供16位可控編碼位，可以根據(jù)自己需要獲得不同的編碼。編碼后的波形通過光纖傳給光發(fā)送模塊（實(shí)驗(yàn)一用到的模塊），將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)，這樣我們就可以通過光功率計(jì)讀出不同編碼，在不同Ibias和Imod情況下，輸出光功率的變化，進(jìn)而計(jì)算他們的平均光功率和消光比。消光比的測(cè)試如圖2-1，首先將光發(fā)送端機(jī)的輸入

23、信號(hào)斷掉（即不給光發(fā)射模塊送電信號(hào)），測(cè)出的光功率即為P00,即對(duì)應(yīng)的輸入數(shù)字信號(hào)為全“0”時(shí)的光功率。測(cè)量P11時(shí)，編碼模塊通過控制撥盤開關(guān)送入偽隨機(jī)碼。因?yàn)閭坞S機(jī)碼的“0”碼和“1”碼等概率，所以，全“1”碼時(shí)的光功率應(yīng)是偽隨機(jī)碼時(shí)平均光功率P的兩倍，即P11=2P，則消光比為： （21）測(cè)試結(jié)果可按上式計(jì)算。某些資料中，消光比還使用以下的一種表示公式： （22）當(dāng)P00=0.1P11時(shí)，EXT=10dB。 本實(shí)驗(yàn)提供PN碼和CMI兩種碼用于測(cè)試，在測(cè)量平均光功率時(shí)需要說明兩點(diǎn)：有的功率計(jì)可直接讀dBm，若只能讀mW（毫瓦）或W（微瓦）應(yīng)換算成dBm，光源的平均輸出光功率與注入它的電流大小

24、有關(guān)，測(cè)試應(yīng)在正常工作的注入電流條件下進(jìn)行。四、實(shí)驗(yàn)步驟首先我們需要調(diào)節(jié)調(diào)制電流Imod和偏置電流Ibias,分別把調(diào)制電流和偏置電流調(diào)為表5的數(shù)值，然后分別觀察PN碼和CMI碼輸入的情況下，激光的平均輸出功率，最后進(jìn)行消光比測(cè)試，消光比測(cè)試結(jié)束后再調(diào)整調(diào)制電流Imod和偏置電流Ibias，進(jìn)行下一組的測(cè)量。其具體步驟如下：1、調(diào)制電流Imod與偏置電流Ibias的設(shè)置（1） 將編碼模塊SMA301與光發(fā)射模塊SMA101連接，并給兩模塊上電。（2） 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)光發(fā)送模塊電位器WBIAS到底，此時(shí)偏置電流被置為零。（3） 將編碼模塊撥盤開關(guān)S301第1位撥到1，第6、7、8位撥到110高電平輸

25、出檔，此時(shí)SMA301輸出一個(gè)約為5.0V的CMOS高電平信號(hào)。（4） 數(shù)字萬用表撥到直流電壓檔，紅表筆接光發(fā)射模塊測(cè)試點(diǎn)T106，黑表筆接T104,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電阻RU106=100歐姆兩端電壓。（此電阻與激光器LD串聯(lián)，流過電阻的電流即為注入激光器電流）。（5） 調(diào)節(jié)電位器WMOD，使數(shù)字萬用表讀數(shù)為表4中調(diào)制電流Imod*100mV=1V。（6） 編碼模塊撥盤開關(guān)S301第1位置1，第6、7、8位撥到111低電平輸出檔。（此時(shí)SMA301輸出低電平，這樣調(diào)制電流就被置零,接下來調(diào)節(jié)偏置電流）。（7） 調(diào)節(jié)電位器WBIAS，使數(shù)字萬用表電壓讀數(shù)為表4中偏置電流Ibias*100mV。此時(shí)偏置電

26、流也調(diào)節(jié)完畢，接下來分別測(cè)試PN碼與CMI碼在此調(diào)制電流和偏置電流狀態(tài)下的平均輸出光功率。2、平均輸出光功率測(cè)試（8）從光發(fā)送模塊的LD尾纖的連接器中取出保護(hù)塑料套，接入光功率計(jì)，此時(shí)從光功率計(jì)讀出的功率就是光端機(jī)的LD的輸出光功率P。（9）編碼模塊撥盤開關(guān)S301第1位置1，第6、7、8位撥到位置001PN碼輸出檔。讀出此時(shí)平均輸出光功率PPN，填入表4。（10）編碼模塊撥盤開關(guān)S301第1位置1，第6、7、8位撥到位置010CMI碼輸出檔，用4.096MHz的CMI碼驅(qū)動(dòng)LD驅(qū)動(dòng)器。讀出此時(shí)平均輸出光功率PCMI，填入表4。注：測(cè)試完一組Ibias和Imod對(duì)應(yīng)的PPN和PCMI，先不著急

27、改變電流，繼續(xù)進(jìn)行消光比的測(cè)試。表4Imod(mA)1010101010101010Ibias（mA）12345678PPN（dBm）-10.16-8.98-8.07-7.28-6.68-6.06-5.56-5.08PCMI（dBm）-10.24-9.12-8.25-7.48-6.88-6.27-5.74-5.25Imod(mA)1010101010101010Ibias（mA）910111213141516PPN（dBm）-4.61-4.01-3.43-2.95-2.48-2.08-1.72-1.37PCMI（dBm）-4.74-4.15-3.57-3.09-2.61-2.21-1.84-1

28、.493、消光比測(cè)試(11)編碼模塊撥盤開關(guān)S301第1位置1，第6、7、8位撥到111位置低電平輸出檔，此時(shí)SMA301輸出低電平（此時(shí)驅(qū)動(dòng)電路輸出“0”碼），記錄光功率計(jì)讀數(shù)P00。填入表5。(12)編碼模塊撥盤開關(guān)S301第1位置1，第6、7、8位撥到位置001PN碼輸出檔，此時(shí)光光功率計(jì)讀數(shù)為PPN，將PPN*2就得到P11。填入表5。(13)按照式2-1計(jì)算小光比EXT。 (14)回到步驟（6），重新設(shè)置偏置電流，大小為表5中所示，按步驟進(jìn)行測(cè)量。 表5Imod(mA)1010101010101010Ibias（mA）12345678P00（dBm）-45.16-40.44-37.9

29、8-36.03-34.44-32.69-30.50-28.16P11（dBm）-20.32-17.96-16.14-14.56-13.36-12.12-11.12-10.16EXT-3.47-3.53-3.72-3.94-4.11-4.31-4.37-4.43Imod(mA)1010101010101010Ibias（mA）910111213141516P00（dBm）-22.23-11.93-8.86-7.27-6.04-5.15-4.42-3.77P11（dBm）-9.22-8.02-6.86-5.90-4.96-4.16-3.44-2.74EXT-3.82-1.72-1.11-0.91-

30、0.86-0.93-1.09-1.39五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1、分別用dBm和mW表示所測(cè)得的2M PN碼發(fā)送機(jī)平均功率。2、分別用dBm和mW表示所測(cè)得的4M CMI碼發(fā)送機(jī)平均功率。 如表所示：Imod(mA)1010101010101010Ibias（mA）12345678PPN（dBm）-10.16-8.98-8.07-7.28-6.68-6.06-5.56-5.08PCMI（dBm）-10.24-9.12-8.25-7.48-6.88-6.27-5.74-5.25Imod(mA)1010101010101010Ibias（mA）910111213141516PPN（dBm）-4.61-4.

31、01-3.43-2.95-2.48-2.08-1.72-1.37PCMI（dBm）-4.74-4.15-3.57-3.09-2.61-2.21-1.84-1.493、 對(duì)比PN碼和CMI碼的平均發(fā)送光功率，分析其為什么跟理論值不同，討論LD的偏置電流對(duì)平均發(fā)送光功率的影響。答：平均發(fā)送功率隨著偏置電流的增大而不斷的增大，增大的速率不斷的減小。4、記錄實(shí)驗(yàn)過程，計(jì)算PN碼通過光發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的消光比，繪制不同偏置電流條件下，調(diào)制電流與消光比的關(guān)系曲線，分析調(diào)制電流和偏置電流對(duì)消光比的影響。數(shù)據(jù)如下：Imod(mA)1010101010101010Ibias（mA）12345678P00（dBm）-4

32、5.16-40.44-37.98-36.03-34.44-32.69-30.50-28.16P11（dBm）-20.32-17.96-16.14-14.56-13.36-12.12-11.12-10.16EXT-3.47-3.53-3.72-3.94-4.11-4.31-4.37-4.43Imod(mA)1010101010101010Ibias（mA）910111213141516P00（dBm）-22.23-11.93-8.86-7.27-6.04-5.15-4.42-3.77P11（dBm）-9.22-8.02-6.86-5.90-4.96-4.16-3.44-2.74EXT-3.82-

33、1.72-1.11-0.91-0.86-0.93-1.09-1.39六、思考題1、為什么不同的線路碼型具有不同的平均光功率？答：不同的線路碼型編制方式不一樣，比如PN碼為0時(shí)CMI碼為01，可以看出PN碼的功率為零，而CMI碼不為零。引起差異。2、為什么全零碼時(shí)，光發(fā)送機(jī)的平均光功率不等于零？這對(duì)系統(tǒng)性能有什么影響？答：這樣會(huì)影響到接受端的譯碼過程，產(chǎn)生較大的誤碼率。實(shí)驗(yàn)三 光線路碼測(cè)試一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1、熟悉線路碼型在光通信中的作用。2、掌握CMI碼的編碼和譯碼電路原理。二、實(shí)驗(yàn)儀器1、光纖通信實(shí)驗(yàn)箱2、20M雙蹤示波器 一臺(tái)3、光功率計(jì) 一個(gè)4、數(shù)字萬用表 一個(gè)5、光纖跳線 若干三、實(shí)驗(yàn)原理

34、碼型變換含義廣泛，本實(shí)驗(yàn)中我們將要介紹的碼型變換指的是線路碼型的編碼和譯碼。我國郵電部從管理的角度出發(fā)，規(guī)定了幾種在公用網(wǎng)上使用的碼型（專用網(wǎng)也可以參照使用）：5B6B、CMI、擾碼二進(jìn)制、1B1H以及565Mbit/s光纖傳輸系統(tǒng)用的8B1H。本實(shí)驗(yàn)中將以CMI的編解碼為例介紹碼型變換實(shí)驗(yàn)。CMI碼即是Coded Mark Inversion（編碼傳號(hào)反轉(zhuǎn)）碼的縮寫，表3-1中給出了其變換規(guī)則，傳號(hào)1交替地用00和11表示（若一個(gè)傳號(hào)編為00，則下一個(gè)傳號(hào)必須編為11，也就00仍有此性質(zhì)），具有一定的糾錯(cuò)能力，易于實(shí)現(xiàn)，易于定時(shí)提取，因此在低速系統(tǒng)中選為傳輸碼型。在ITU-T的G.703建議

35、中，規(guī)定CMI碼為四次群（139.264Mbit/s）的接口碼型。日本電報(bào)電話公司在32Mbit/s及更低速率的光纖通信系統(tǒng)中也采用了CMI碼。表3-1 CMI碼變換規(guī)則輸入二元碼CMI 碼001100或11交替出現(xiàn)時(shí)鐘二元碼CMI100000000001111111111111圖3-2 CMI碼與二元碼的轉(zhuǎn)換關(guān)系圖3-3給出了CMI編碼的原理框圖。編碼電路接收來自信號(hào)源的單極性非歸零碼（NRZ碼），并把這種碼型變換為CMI碼送至光發(fā)送機(jī)。輸入若是傳號(hào)，則翻轉(zhuǎn)輸出；若是空號(hào)，則打開門開關(guān)，使時(shí)鐘的反向輸出。其電路原理如圖3-4所示。需要注意，輸入的單極性碼已經(jīng)與時(shí)鐘同步。采樣反相開關(guān)合成翻轉(zhuǎn)電

36、路NRZ碼時(shí)鐘CMI碼10圖3-3 CMI編碼框圖圖3-4 CMI編碼原理電路本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中采用可編程邏輯器件（PLD）來實(shí)現(xiàn)CMI的編譯碼。CMI編碼的VHDL源程序如下：library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;entity df is port(invert,clk:in std_logic; q:buffer std_logic);end df;architecture df of df is signal d:std_logic; begin d=q xor invert; process begin wait until clk=1; q=d;

37、 end process; end df;library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;entity cmi_code is port (nrz,clk:in std_logic; cmi:out std_logic);end cmi_code;architecture cmi_code of cmi_code is component df port(invert,clk:in std_logic; q:buffer std_logic); end component; signal a,b:std_logic; begin cmi=a when nrz=

38、1 else b; b= not clk; u:df port map(nrz,clk,a); end cmi_code;解碼采用的思想很簡單：當(dāng)時(shí)鐘和信碼對(duì)齊時(shí)，如果輸入的是11或00，則輸出為1；如果輸入為01，則輸出為0。但是問題的關(guān)鍵在于怎樣才可將一序列的碼元正確地兩個(gè)兩個(gè)分組。經(jīng)過傳輸處理后的CMI碼首先要提取位同步時(shí)鐘，接著抽樣判決。此時(shí)CMI碼流和發(fā)送的碼流在波形上沒有區(qū)別（暫時(shí)忽略誤碼的情況），但將其兩個(gè)兩個(gè)分組，卻有兩種不同的情況。當(dāng)然，其一是正確的，可以得到正確的譯碼結(jié)果，如果接下來的工作亦是正確的話；而另一種在絕大多數(shù)的情況下將導(dǎo)致譯碼工作的失敗。101001110001

39、011CMI碼流方法一：方法二：圖3-5 CMI碼流的正確分組結(jié)合CMI碼流的特點(diǎn)，這里提供了兩種可以正確分組的方法：如果在碼流中檢測(cè)到了0101的話，那么就可以將緊接著它們的兩個(gè)碼元分為一組，以此類推；另一種方法更為簡單易行，那就是在碼流中檢測(cè)1到0的跳變后，就可以將下降沿后的兩個(gè)碼元分為一組了。一般情況下，第二種方法可以盡快地實(shí)現(xiàn)正確的分組。下面的例子具體說明了這兩種方法的使用。如圖3-5所示。接下來就是依據(jù)編碼規(guī)則進(jìn)行譯碼了。這里列舉了三種具體的解決方案：第一種方案：其原理框圖如圖3-6所示，原理電路如圖3-7所示。從位同步時(shí)鐘中分離出兩路時(shí)鐘，它們和位同步時(shí)鐘同頻，但是占空比不一樣，兩

40、路時(shí)鐘信號(hào)的占空比都是25。其區(qū)別在于它們的相位相差半個(gè)周期。將每組中的兩個(gè)碼元分開，從而形成了第一路信號(hào)和第二路信號(hào)，在兩路時(shí)鐘的正確作用下比較這兩路信號(hào)，便可以將CMI碼解譯出來。這種方案電路結(jié)構(gòu)簡單，各部分功能清晰，易于理解和操作。分離時(shí)鐘下降沿檢出讀取第一路信號(hào)讀取第二路信號(hào)比較CMI位同步時(shí)鐘CMINRZ第一路時(shí)鐘第二路時(shí)鐘圖3-6 方案一的原理框圖圖3-7 方案一的原理電路第二種方案：解碼方法的本質(zhì)和第一種相似，差別主要在于找到正確分組的方法不同，它分別用二分頻后的時(shí)鐘的上升沿和下降沿來讀取兩路信號(hào)，其原理框圖如圖3-8所示。二分頻0101檢出上升沿讀取第一路信號(hào)下降沿讀取第二路信

41、號(hào)比較CMI位同步時(shí)鐘CMINRZ圖3-8 方案二的原理框圖第三種方案：這里的譯碼思路稍有變化。CMI碼流經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換后，在二分頻后的位同步時(shí)鐘作用下讀出，進(jìn)行比較譯碼，其原理框圖如圖3-9所示。二分頻下降沿檢出比較CMI位同步時(shí)鐘CMINRZ串并轉(zhuǎn)換圖3-9 方案三的原理框圖本實(shí)驗(yàn)板實(shí)驗(yàn)過程如圖3-10所示，在編碼模塊通過撥盤開關(guān)S301控制CPLD芯片產(chǎn)生PN/CMI碼，T301可以檢測(cè)輸出的碼波形。我們實(shí)驗(yàn)板也可以進(jìn)行手動(dòng)編碼，紅色編碼開關(guān)S303和S302可以產(chǎn)生16可編程碼。編碼模塊產(chǎn)生的碼型通過SMA301輸入到光發(fā)送模塊SMA101,光發(fā)送模塊主要作用是將碼型轉(zhuǎn)化成光信號(hào)，進(jìn)行光

42、纖傳輸，我們可以通過控制WBIAS和WMOD來改變激光器的工作點(diǎn)，使得需要傳送的碼型盡可能保持完整性，避免發(fā)生失真變形。碼型經(jīng)過光纖傳輸?shù)竭_(dá)光接收模塊的PD由光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，之后經(jīng)過前置放大、AGC可變?cè)鲆娣糯笃?，進(jìn)行波形檢測(cè)調(diào)整，還原成比較完整的波形信號(hào)以便進(jìn)行下一步的碼型檢測(cè)、判別、譯碼。我們譯碼模塊CPLD將光纖中傳輸?shù)腃MI碼變換為PN碼，T404為接收端恢復(fù)的PN碼時(shí)鐘，T405為轉(zhuǎn)換得到的PN碼，T406為接收端恢復(fù)的CMI碼時(shí)鐘，T401可以檢測(cè)輸入的CMI碼。我們可以通過四路示波器同時(shí)檢測(cè)這四個(gè)測(cè)試點(diǎn)的波形，掌握PN碼轉(zhuǎn)CMI碼的規(guī)則。圖3-10 線路碼實(shí)驗(yàn)框圖 四、實(shí)驗(yàn)步

43、驟實(shí)驗(yàn)框圖如圖3-10所示。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：1、 編碼實(shí)驗(yàn)(1) 編碼模塊上電，編碼模塊測(cè)試點(diǎn)T303接示波器CH1,用于觀察PN碼碼型；測(cè)試點(diǎn)T305接示波器CH2,用于顯示PN碼對(duì)應(yīng)的2MHz時(shí)鐘；測(cè)試點(diǎn)T304接示波器CH3,用于觀察CH1中的PN碼通過表3-1的碼型變換規(guī)則，變換成的CMI碼；測(cè)試點(diǎn)T306接示波器CH4，用于顯示讀取CMI碼用到的4MHz時(shí)鐘。(2) 編碼模塊撥盤開關(guān)S301第1位置1，第6、7、8位撥到010CMI碼輸出檔，此時(shí)CPLD將PN碼變換為CMI碼，我們通過示波器四路波形可以觀察到變換碼型的過程。(3) CH1為PN碼，對(duì)照CH2時(shí)鐘基底，低電平讀數(shù),記

44、錄15位PN碼，填入表6。(4) CH3為CMI碼，對(duì)照CH4時(shí)鐘基底，低電平讀數(shù),記錄30位CMI碼，填入表6。(5) 認(rèn)真觀察兩種碼型，掌握PN碼變換為CMI的變換規(guī)則。表6PN碼10011010CMI碼1101010111010001PN碼11110001CMI碼11000100010101112、 譯碼實(shí)驗(yàn)我們首先連接線路建立數(shù)字光纖通信系統(tǒng)，然后把表7所示的、需要傳輸?shù)拇a元在數(shù)學(xué)上轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的CMI碼，然后可以通過編碼開關(guān)S303和S302，把CMI碼輸入到CPLD中，CPLD自動(dòng)將編碼開關(guān)對(duì)應(yīng)的碼元發(fā)送出去，經(jīng)過光發(fā)送模塊和光接收模塊進(jìn)入譯碼模塊。（1）連接編碼模塊接口SMA301

45、與光發(fā)送模塊接口SMA101，光發(fā)送模塊LD的尾纖與光接收模塊PD的尾纖通過法蘭盤連接起來，光發(fā)送模塊輸出接口SMA201連接到示波器。連接完成后給三個(gè)模塊上電。（2）將編碼模塊撥盤開關(guān)S301第1位置1，第6、7、8位撥到000方波輸出檔，此時(shí)SMA301輸出占空比50%的方波。（3）觀察示波器上波形，調(diào)節(jié)電位器WBIAS和WMOD，使輸出波形上升沿、下降沿陡峭，盡量少的電尖峰，并且占空比為50%的方波（可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)二Ibias和Imod的調(diào)節(jié)方法，將兩者分別調(diào)節(jié)為10mA和5mA）。（4）將光接收模塊的輸出接口SMA201接到譯碼模塊輸入端SMA401，并給譯碼模塊上電。示波器CH1譯碼模

46、塊接測(cè)試點(diǎn)T405,CH2接譯碼模塊T404，CH3接光發(fā)送模塊T101，CH4接編碼模塊T305。（5）編碼模塊撥盤開關(guān)S301，第1位置1，第6、7、8位置011，16位可編程碼輸出檔，表7中給出7組原始碼，將原始碼轉(zhuǎn)換為CMI碼，然后將撥盤開關(guān)S303和S302,調(diào)整為轉(zhuǎn)換成的16位 CMI碼。（6）測(cè)試點(diǎn)T101可以檢測(cè)輸入的CMI碼，通過觀察CH3,與CH4一一對(duì)應(yīng)，低電平讀數(shù)，讀出S303和S302編程的CMI碼，填入表7。（7）測(cè)試點(diǎn)T405用于檢測(cè)CPLD將CMI碼轉(zhuǎn)換的PN碼，我們可以通過觀察CH1波形，與CH2一一對(duì)應(yīng)，低電平讀數(shù)，讀出CMI碼轉(zhuǎn)換成的PN碼,填入T405譯

47、出碼，完成表7。（8）對(duì)比表7中原始碼與T405譯出碼是否一致。表7原始碼100000000CMI碼0101010101010101T101碼T405碼原始碼211111111CMI碼1100110011001100T101碼T405碼原始碼310101010CMI碼1101000011010001T101碼T405碼原始碼401010101CMI碼0100011101000111T101碼T405碼原始碼511001100CMI碼1100010111000101T101碼T405碼原始碼611101110CMI碼1100110100110001T101碼T405碼原始碼711110000CMI碼1100110001010101T101碼T405碼上表由于，實(shí)驗(yàn)設(shè)備有問題，無法繼續(xù)其他數(shù)據(jù)測(cè)試！五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1、記錄