光纖通信實驗

實驗地點：信息樓10314在實驗過程中注意以下幾點：1、 在實驗過程中切勿將光纖端面對著人，切勿帶電進行光纖的連接。2、 光電器件是靜電敏感器件，請不要用于觸摸。3、 做完實驗后請將光纖用相應(yīng)的防塵帽罩住。4、 在使用信號連接導(dǎo)線時應(yīng)捏住插頭的頭部進行插拔，切勿直接拽線。5、 不能帶電進行信號連接導(dǎo)線的插拔！6、 光纖器件屬易損件，應(yīng)輕拿輕放，插光纖的時候要先對準(zhǔn)，用力要輕，切忌傾斜、用力過大或彎折。7、 實驗完成后整理好設(shè)備、接線。實驗光接收機的動態(tài)范圍及眼圖觀測實驗光接收機的動態(tài)范圍及眼圖觀測一、 實驗?zāi)康牧私夤馐斩藱C動態(tài)范圍的指標(biāo)要求。掌握光收端機眼圖的觀測方法。二、 實驗內(nèi)容了解光收端機眼圖的觀測方法。用示波器觀察眼圖。三、 實驗儀器光纖通信實驗系統(tǒng)1臺。示波器1臺。萬用表1部。光纖跳線1根。四、 實驗原理（一）動態(tài)范圍在實際的光纖通信線路中，光接收機的輸入光信號功率是固定不變的，當(dāng)系統(tǒng)的中繼距離較短時，光接收機的輸入光功率就會增加。一個新建的線路，由于新器件和系統(tǒng)設(shè)計時考慮的富余度也會使光接收機的輸入光功率增加。為了保證系統(tǒng)的正常工作，對輸入信號光功率的增加必須限制在一定的范圍內(nèi)，因為信號功率增加到某一數(shù)值時將對接收機性能產(chǎn)生不良影響。在模擬通信系統(tǒng)中，輸入信號過大將使放大器超載，輸出信號失真，降低信噪比。

在數(shù)字通信系統(tǒng)中，當(dāng)輸入信號功率增加到某一數(shù)值時，將使系統(tǒng)出現(xiàn)誤碼。應(yīng)該指出，在數(shù)字通信系統(tǒng)中，放大器輸出信號的失真在測試時應(yīng)與模擬系統(tǒng)區(qū)別開來。為了保證數(shù)字通信系統(tǒng)的誤碼特性，光接收機的輸入光信號只能在某一定范圍內(nèi)變化，光接收機這種能適應(yīng)輸入信號在一定范圍內(nèi)變化的能力稱為光接收機的動態(tài)范圍，它可以表示為：（式18-1）D=10lg—max（式18-1）min式中，Pmax是光接收機在不誤碼條件下能接收的最大信號平均光功率；Pmin是光接收機的靈敏度，即最小可接收光功率。一般來說，要求光接收機的動態(tài)范圍大一點較好，但如果要求過大則會給設(shè)備的生產(chǎn)帶來一些困難。如何才能保證光接收機的動態(tài)范圍呢？從光接收機內(nèi)部來說，就是通過它的自動增益控制（AGC）來實現(xiàn)的。光接收機的AGC與電接收機的AGC有相同之處，也有不同之處。相同之處都是要控制放大器的放大倍數(shù)。不同之處是在APD光接收機中，還可以通過對APD倍增因子的控制來擴大接收機的動態(tài)范圍。（二）眼圖原理眼圖方法雖然簡單，卻是評估數(shù)字傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力的一種極為有效的測量方法。這種方法已經(jīng)大量用于評估無線系統(tǒng)的性能，也可用于光纖數(shù)據(jù)鏈路。眼圖是在同步狀態(tài)下，各個周期的隨機信碼波形重迭在一起所構(gòu)成的動態(tài)波形圖，其形狀類似一個眼睛故名眼圖，它是用于觀察是否存在碼間干擾的最簡單直觀的方法。實際上眼圖就是隨機信號在反復(fù)掃描的過程中迭加在一起的綜合反應(yīng)。眼圖的垂直張開度表示系統(tǒng)的抗噪聲能力，水平張開度反映過門限失真量的大小。眼圖的張開度受噪聲和碼間干擾的影響，當(dāng)光收端機輸出端信噪比很大時眼圖的張開度主要受碼間干擾的影響，因此觀察眼圖的張開度就可以估算出光收端機碼間干擾的大小。如圖18-1所示，其中，垂直張開度E=V （式18-2）0V2廠t水平張開度E=』 （式18-3）1t2222圖18-1模型化眼圖眼圖觀測的波形如圖18-2所示:P104:TP101:P104:TP101:圖18-2眼圖觀測波形圖五、實驗注意事項在實驗過程中切勿將光纖端面對著人，切勿帶電進行光纖的連接。六、實驗步驟：關(guān)閉系統(tǒng)電源。按如下方式用信號連接導(dǎo)線連接。數(shù)字信號源（PN序列一信號輸出）P720—P1001310nm光發(fā)模塊（數(shù)字光發(fā)信號輸入）1310nm光收模塊（數(shù)字信號輸出）P106—P411眼圖觀測模塊（眼圖模塊信號輸入）3.用光纖跳線連接1310nm光發(fā)模塊接口和1310nm光收模塊接口。將1310nm光發(fā)模塊的J100第1位撥為ON（數(shù)字光調(diào)制的通狀態(tài)），第2位撥到OFF（自動光功率控制補償電流的斷狀態(tài)）。將1310nm光發(fā)模塊的RP100（數(shù)字光調(diào)制的光發(fā)射功率大小的調(diào)節(jié)旋鈕），逆時針旋轉(zhuǎn)到最大。J101設(shè)置為“數(shù)字”。將1310nm光收模塊的RP106（接收靈敏度的調(diào)節(jié)旋鈕，逆時針旋轉(zhuǎn)時輸出信號減?。?，順時針旋到最大。打開系統(tǒng)電源，用示波器觀測1310nm光發(fā)模塊的TP103和1310nm光收模塊的TP109。調(diào)節(jié)1310nm光收模塊的RP107，RP108，得到最佳數(shù)字信號。用示波器觀測眼圖觀測模塊的“觀測點”TP404和光模FPGA模塊的“TP719”并且用“TP719”作觸發(fā)（注意：示波器不能設(shè)置為交替觸發(fā)。調(diào)節(jié)示波器的觸發(fā)電平和觸發(fā)釋抑得到眼圖，調(diào)節(jié)眼圖觀測模塊的RP401可觀測到眼圖張開、閉合的現(xiàn)象。記錄眼圖的波形，并按圖18-1所示測量出V、V、t、t。12 12七、實驗報告畫出眼圖，并根據(jù)V、V、t和t計算出眼圖的垂直張開度和水平張開度。12 12模擬信號光纖傳輸系統(tǒng)實驗實驗二模擬信號光纖傳輸系統(tǒng)一、 實驗?zāi)康牧私饽M信號光纖系統(tǒng)的通信原理。了解完整的模擬信號光纖通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。掌握各種模擬信號的傳輸機理。二、 實驗內(nèi)容通過不同頻率的正弦波、方波、三角波信號進行光傳輸實驗。三、 實驗儀器光纖通信實驗系統(tǒng)1臺。示波器1臺。光纖跳線1根。四、 實驗原理本實驗中將模擬信號源輸出的正弦波、三角波、方波信號通過光纖進行傳輸。模擬信號源的電路如圖20-1：圖20-1模擬信號源電路原理圖圖中P101是輸入的方波信號，輸入的方波信號有兩種頻率可選1K、2K。P102是三角波的輸出端，P103是正弦波的輸出端。模擬信號也可以通過PCM編碼后變成數(shù)字信號。然后，再送入光發(fā)射模塊數(shù)字信號端進行傳輸。接收到信號后再送入PCM譯碼模塊，得到模擬信號。這種傳輸方法將在后面的實驗中進行。五、實驗注意事項1.在實驗過程中切勿將光纖端面對著人，切勿帶電進行光纖的連接。不要帶電插拔信號連接導(dǎo)線。六、實驗步驟關(guān)閉系統(tǒng)電源，用光纖跳線連接1310nm光發(fā)模塊和1310nm光收模塊。將模擬信號源模塊的正弦波輸出口P410連接到1310nm光發(fā)模塊的模擬信號輸入端P104。把1310nm光發(fā)模塊的J101設(shè)置為“模擬”。將模擬信號源模塊的頻率選擇開關(guān)J400調(diào)到“1K”端。將1310nm光收模塊的RP106（接收靈敏度的調(diào)節(jié)旋鈕，逆時針旋轉(zhuǎn)時輸出信號減?。╉槙r針旋到最大，RP108逆時針旋到最大。打開系統(tǒng)電源，用示波器觀測模擬信號源模塊的TP402，調(diào)節(jié)模擬信源模塊的“輸出幅度”旋鈕RP400，使信號的峰-峰值為2V。用示波器觀測模擬信號源的TP402和1310nm光收的TP108，調(diào)節(jié)1310nm光發(fā)的RP104（輸入信號衰減大小的調(diào)節(jié)旋鈕），使TP108的波形和TP402的相同，且幅值最大。此時，1310nm光收發(fā)模塊無失真的傳輸模擬信號。關(guān)閉系統(tǒng)電源，拆除實驗導(dǎo)線。將各實驗儀器擺放整齊。七、實驗報告1.記錄TP402、TP108各測試點的波形。數(shù)字信號光纖傳輸系統(tǒng)實驗實驗三PN序列光纖傳輸系統(tǒng)一、 實驗?zāi)康模毫私釶N序列的特點。掌握PN序列的產(chǎn)生方法。二、 實驗內(nèi)容：PN序列的光纖傳輸。三、 實驗儀器：光纖通信實驗系統(tǒng)1臺。示波器1臺。光纖跳線1根。四、 實驗原理：PN碼也稱偽隨機序列。它具有近似隨機序列（噪聲）的性質(zhì)，而又能按一定規(guī)律（周期）產(chǎn)生和復(fù)制的序列。因為隨機序列是只能產(chǎn)生而不能復(fù)制的，所以稱其是'偽”的隨機序列。常用的偽隨機序列有m序列、M序列和R-S序列。本實驗系統(tǒng)是采用的m序列作為偽隨機序列。m序列即長線性回饋移位寄存器序列的簡稱。帶線性回饋邏輯的移位寄存器設(shè)定各級寄存器的初始狀態(tài)后，在時鐘觸發(fā)下，每次移位元后各級寄存器狀態(tài)會發(fā)生變化。觀察其中一級寄存器（通常為末級）的輸出，隨著移位元時鐘節(jié)拍的推移會產(chǎn)生一個序列，稱為移位寄存器序列。可以發(fā)現(xiàn)，移位寄存器序列是一種周期序列，其周期不但與移位寄存器的級數(shù)有關(guān)，而且與線性回饋邏輯有關(guān)。本實驗系統(tǒng)采用了如圖23-1的邏輯關(guān)系：圖23-1PN序列實現(xiàn)原理圖PN序列的波形如圖23-2：clkJWWWWWWUWWWWWWWUWlpn序列jinrnniinrnnr圖23-2PN序列波形圖數(shù)字信號源模塊中有兩路PN序列輸出，其中P281是7位32Kbit/s的NRZ碼，P283是15位256Kbit/s的NRZ碼。五、 實驗注意事項在實驗過程中切勿將光纖端面對著人，切勿帶電進行光纖的連接。不要帶電插拔信號連接導(dǎo)線。六、 實驗步驟：關(guān)閉系統(tǒng)電源。用信號連接導(dǎo)線連接數(shù)字信號源的PN序列輸出口P720“PN1”和1310nm光發(fā)端數(shù)字信號輸入口P100o用光纖跳線連接1310nm光發(fā)模塊和1310nm光收模塊。將1310nm光發(fā)模塊的J100第一位撥為“ON”（數(shù)字光調(diào)制的通狀態(tài)），第二位撥為“OFF”（自動光功率控制補償電流的斷狀態(tài)），J101設(shè)置為“數(shù)字”，“輸出光功率”旋鈕RP100（數(shù)字光調(diào)制的光發(fā)射功率大小的調(diào)節(jié)旋鈕，逆時針旋轉(zhuǎn)為光功率增大）逆時針旋到最大。將1310nm光收模塊的RP106（接收靈敏度的調(diào)節(jié)旋鈕，逆時針旋轉(zhuǎn)時輸出信號減?。╉槙r針旋到最大，RP108逆時針旋到最大。打開系統(tǒng)電源，用示波器觀測1310nm光發(fā)模塊的TP103和1310nm光收模塊TP109。調(diào)節(jié)1310nm光收模塊的RP107，使兩路波形相同。關(guān)閉系統(tǒng)電源，拆除實驗導(dǎo)線。將各實驗儀器擺放整齊。七、 實驗報告描述PN序列產(chǎn)生的方法。記錄TP103、TP109各測試點的波形。光纖綜合傳輸系統(tǒng)實驗實驗四波分復(fù)用光纖傳輸系統(tǒng)（WDM）一、 實驗?zāi)康?.掌握波分復(fù)用技術(shù)及實現(xiàn)方法。二、 實驗內(nèi)容了解光波復(fù)用的幾種技術(shù)。了解波分復(fù)用原理及實現(xiàn)方法。三、 實驗儀器光纖通信實驗系統(tǒng)1臺。波分復(fù)用器2個。示波器1臺。光纖活動連接器1個。四、 實驗原理光波具有很高的頻率，利用光載波作為信息載體進行通信，具有巨大的可用帶寬。對石英光纖，其低損耗窗口總寬度約200nm，帶寬25000GHz（25THz）。但實際光波系統(tǒng)中由于光纖色散和電路速率的限制，其通信速率限制在10Gb/s或者更小。為了充分利用光纖的頻帶資源，提高光波系統(tǒng)的通信容量，采用了如下幾種復(fù)用技術(shù)：（一）光波分復(fù)用（WDM）光波分復(fù)用是將兩種或多種不同波長的光載波信號（攜帶有各種類型的信息），在發(fā)送端經(jīng)復(fù)用器（也叫合波器，multiplexer）把這些光載波信號匯合在一起，并耦合到光線路中同一根光纖中進行傳輸；在接收端經(jīng)分波器（也叫解復(fù)用器，demultiplexer）將各種波長的光載波進行分離，然后由光接收機做相應(yīng)的處理恢復(fù)原信號。這種復(fù)用方式稱作波分復(fù)用?？梢詥蜗騻鬏敚部梢噪p向傳輸。根據(jù)通道間隔的大小，光波分復(fù)用技術(shù)可分為三種，即稀疏的WDM、密集的WDM和致密的WDM，后者也叫做光頻分復(fù)用（PFDM）。光波分復(fù)用器在本實驗系統(tǒng)中的應(yīng)用如圖8-1所示。有三種傳輸形式：雙模擬信號、模擬信號+數(shù)字信號、雙數(shù)字信號。（二） 時分復(fù)用（OTDM）OTDM方式的工作原理與電時分復(fù)用方式相似，只是在光域進行復(fù)用和解復(fù)用處理，即將光信號按照一定的幀結(jié)構(gòu)傳輸，將一幀光信號時間T劃分為n個時隙，每個時隙為T/n，第1，2,…，n路的時隙依次排列，每個時隙只傳輸固定的通道。每個信道的時間位置可以通過延時器來調(diào)整。光時分復(fù)用方式的缺點是需要比復(fù)雜的光器件，而且色散影響比別的復(fù)用方式嚴(yán)重，這是因為OTDM信號對帶寬的要求高。（三） 光碼分復(fù)用（OCDM）光碼分復(fù)用技術(shù)在原理上與電碼分復(fù)用技術(shù)相似，并與之對應(yīng)。OCDM系統(tǒng)給每個用戶分配唯一的一個正交碼的碼字作為該用戶的地址碼，對要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息用該地址碼進行光編碼，實現(xiàn)信道復(fù)用。在接收端用發(fā)送端相同的地址碼進行光譯碼，實現(xiàn)用戶間的通信。OCDM技術(shù)通過直接光編碼和光譯碼，實現(xiàn)光信道的復(fù)用和信號交換，能較好地發(fā)揮光纖信道頻帶寬的潛力，同時具有動態(tài)分配帶寬、網(wǎng)絡(luò)擴展容易、多址連接和控制靈活方便、網(wǎng)管簡單、保密性能強等優(yōu)點，適合于實時性要求高、速率高的寬帶通信系統(tǒng)。（四） 空分復(fù)用（SDM）空分復(fù)用是每根光纖只用于一個方向的信號傳輸，雙向通信則需要有一對光纖，即光纖數(shù)量加倍，目前的實際光通信系統(tǒng)多工作于這種方式。顯然，N對光纖可以增加N從的傳輸容量，不同系統(tǒng)的光波長相互獨立。由于光纜都包含有多根光纖在內(nèi)，因而可以認(rèn)為空分復(fù)用是最早、最簡單的光波復(fù)用方式。（五） 方向分割復(fù)用（DDM）方向分割復(fù)用是采用一對光的方向耦合器（即定向耦合器），分別配置于收發(fā)端用來分離收發(fā)兩個方向的信號，從而實現(xiàn)一根光纖的同波長雙向傳輸，當(dāng)然不同波長就更沒問題了。由于方向耦合器引起的近端串音會限制傳輸距離，因而方向分割復(fù)用方式只限于短距離傳輸。光方向分割復(fù)用（DDM）方式系統(tǒng)構(gòu)成示意圖如下：

圖27-2光方向分割復(fù)用（DDM）系統(tǒng)構(gòu)成示意圖其中，WDM光波系統(tǒng)是高速全光傳輸中傳輸容量潛力最大的一種多通道復(fù)用方案，本實驗采用1310nm和1550nm的光波進行波分復(fù)用。五、 實驗注意事項在實驗過程中切勿將光纖端面對著人，切勿帶電進行光纖的連接。六、 實驗步驟：關(guān)閉系統(tǒng)電源。有三種連線方式分別代表了模擬信號和模擬信號一起傳輸、模擬信號和數(shù)字信號混傳、數(shù)字信號和數(shù)字信號一起傳輸，選擇其中一種:方式一模擬信號源模塊（正弦波輸出）P410—P104?1310nm光發(fā)模塊（模擬光發(fā)輸入）模擬信號源模塊（三角波輸出）P401—P204?1550nm光發(fā)模塊（模擬光發(fā)輸入）方式二模擬信號源模塊（正弦波輸出）P410—P104 *1310nm光發(fā)模塊（模擬光發(fā)輸入）數(shù)字信號源（PN序列一）P720—P200?1550nm光發(fā)模塊（數(shù)字光發(fā)輸入）方式三數(shù)字信號源（PN序列一）P720—P100 *1310nm光發(fā)模塊（數(shù)字光發(fā)輸入）數(shù)字信號源（PN序列二）P718—P200*1550nm光發(fā)模塊（數(shù)字光發(fā)輸入）在上表中的三種連線方式任選其一。按圖27-1連接好波分復(fù)用器。如果傳輸?shù)氖悄M信號，則按實驗二來進行實驗。如果傳輸?shù)氖菙?shù)字信號則按實驗四來進行實驗。關(guān)閉系統(tǒng)電源。拆除連線，將實驗儀器擺放整齊。七、實驗報告記錄輸入輸出各測試點波形。

實驗五固定速率時分復(fù)用原理及實現(xiàn)實驗五固定速率時分復(fù)用原理及實現(xiàn)一、 實驗?zāi)康模?.掌握固定速率時分復(fù)用的實現(xiàn)方法。二、 實驗內(nèi)容：1.了解固定速率時分復(fù)用的原理及實現(xiàn)方法。三、 實驗儀器：光纖通信實驗系統(tǒng)1臺。示波器1臺。光纖跳線一根。四、 實驗原理：在實際應(yīng)用中，通常總是把數(shù)字復(fù)接器和數(shù)字分接器裝在一起做成一個設(shè)備，稱為復(fù)接分接器。數(shù)字復(fù)接器的作用是把兩個或兩個以上的支路數(shù)字信號按時分復(fù)接方式合并成為單一的合路數(shù)字信號。數(shù)字復(fù)接器由定時、調(diào)整和復(fù)接單元所組成。定時單元的作用是為設(shè)備提供統(tǒng)一的基準(zhǔn)時間信號，備有內(nèi)部時鐘，也可以由外部時鐘推動。調(diào)整單元的作用是對各輸入支路數(shù)字信號進行必要的頻率或相位調(diào)整，形成與本機定時信號完全同步的數(shù)字信號。復(fù)接單元的作用是對已同步的支路信號進行時間復(fù)接以形成合路數(shù)字信號。復(fù)接方式：將低次群復(fù)接成高次群的方法有三種；逐比特復(fù)接；按碼字復(fù)接:按幀復(fù)接。在本實驗中，由于速率固定，信息流量不大，所以我們所應(yīng)用的方式為按碼字復(fù)接，下面我們把這種復(fù)接方式作簡單介紹，對于其它兩種方式將在以后的實驗中進行介紹。按碼字復(fù)接：對本實驗來說，速率固定，信息結(jié)構(gòu)固定，每8位碼代表一“碼字”。這種復(fù)接方式是按順序每次復(fù)接1個信號的8位碼，輸入信息的碼字輪流被復(fù)接。復(fù)接過程是：首先取第一路信息的第一組“碼字”，接著取第二路信息的第一組“碼字”再取第三信息的第一組“碼字”，輪流將3個支路的第一組“碼字”取值一次后再進行第二組“碼字”取值，方法仍然是：首先取第一路信息的第二組碼，接著取第二路信息的第二組碼，再取第三路信息的第二組碼，輪流將3個支路的第二組碼取值一次后再進行第三組碼取值，依此類推，一直循環(huán)下去，這樣得到復(fù)接后的二次群序列0)0這種方式由于是按碼字復(fù)接，循環(huán)周期較長，所需緩沖存儲器的容量較大，目前應(yīng)用的很少。圖30-1按碼字復(fù)接示意圖固定速率時分復(fù)用包含數(shù)字信號源、復(fù)接器兩個部分。1.數(shù)字信號源下圖為四路數(shù)字信號固定速率復(fù)用原理框圖圖30-2四路數(shù)據(jù)固定速率復(fù)用原理框圖其中74LS151的真值表如下：表30-174LS151真值表CBACEZ0000x00010x10100x20110x31000x41010x51100x61110x7①①①10

其中，A、B、C的信號由光端FPGA給出，波形如下圖所示:CB一圖30-3由FPGA給出的A、B、C的信號CE4、CE3、CE2、CE1始終為“0”保持四片74151始終用信號輸出:2.復(fù)接器復(fù)接器是由FPGA實現(xiàn)的，其框圖為：定時四路輸入 四路輸入 f調(diào) >復(fù)整 ?接 >圖30-4固