光学与光纤通信实习 指导书光学与光纤通信实验基地.doc

光学与光纤通信实习 指导书光学与光纤通信实验基地 2004.txt24生活如海，宽容作舟，泛舟于海，方知海之宽阔；生活如山，宽容为径，循径登山，方知山之高大；生活如歌，宽容是曲，和曲而歌，方知歌之动听。光学与光纤通信实习 指导书光学与光纤通信实验基地 2004 年 12 月目第一篇:光纤通信技术实习指导书录光纤器件使用必读1 光纤通信实验系统简介3 第一章实验一 实验二 实验三 实验四 实验五 实验六 实验七光纤通信基础实习光纤通信系统信号源单元实验5 光发送系统单元实验11 光接收系统单元实验17 光纤通信传输线路码型及其编码/解码实验22 模拟,数字,语音信号的光纤通信传输综合实验 27 光纤通信系统数字光发送接口指标测试实验35 光纤通信系统数字光接收接口指标测试实验38第二章设计一 设计二光纤通信技术设计实习语音光传输系统的设计与制作42 光通信编码,解码模块的设计45第二篇:DWDM 光纤通信系统实习指导书第一章 波分复用 DWDM 光纤通信系统实验简介 1 第二章 系统性能测试 4 实验一 实验二 实验三 实验四 实验五 实验六 发射机及波长转换器(OUT)测试 4 光复用盘(OMU)/解复用盘(ODU)性能测试 12 光放大器性能测试 15 光信到监控盘测试 19 主光通道的测试 22 熔融拉锥波分复用器与耦合器的测试 321实验七 实验八基于波长扫描法的偏振模色散测试 34基于光时域反射仪进行光纤长度,损耗及断点实验 36 38第三章 DEMS 网管系统实验第三篇 第一章光学零件制造工艺实习指导书 光学零件制造工艺一般知识1.1 光学零件制造工艺的特点及一般过程 1 1.2 光学零件制造工艺安全操作知识2 1.3 光学零件和光学零件图 3 1.4 光学零件的加工余量 5 第二章 光学零件制造工艺实习2.1 光学零件的粗磨成型工艺 8 2.2 光学零件的细磨工艺122.3 光学零件的抛光工艺 14 第三章 光学零件的定心磨边3.1 偏心与定心概述19 3.2 定心磨边工艺 第四章19光学零件质量检验224.1 粗糙度的检验4.2 表面疵病的检验 22 第五章 光学零件真空镀膜5.1 光学薄膜及镀制方法分类 24 5.2 真空镀膜原理 2725.3 真空镀膜设备 27 5.4 真空镀膜基本工艺流程285.5 镀膜操作流程 283第一篇 光纤通信技术 实习指导书刘海 编光学与光纤通信实验基地第一篇 光纤通信技术光纤器件使用必读一,光纤的使用和保护光纤通信技术实验中使用的是两米长的多模光纤跳线(注:光纤跳线是 一种较短的光纤连接线) .光纤是用石英(SiO2)材料制成的外径为 125m 左右的细玻璃丝,属于一种硬度很高的无延展性的易碎材料,比头发丝还细. 光纤不能受压,受拉,不能折叠,绝对禁止直角弯曲,只能按照一定的弯曲 半径将光纤绕成环状(弯曲半径一般不应小于 5 厘米) . 光纤在放置不用时,光纤跳线两头均由保护套保护着.对于光纤保护套 的安装及拆取,注意遵循以下步骤: (1)拆取:从光纤上取下保护套时,用手捏住保护套的末端,向外轻拉, 直到全部抽出,保护套取下后,要妥为放置; (2)安装:将光纤套入保护套是取下的逆过程,实验结束后,一定要注 意将保护套套回光纤跳线. 在光纤跳线的使用过程中,切勿用手触摸接头.若接头被不慎弄脏,需 立即用酒精轻轻擦拭. 光纤跳线采用的是 ST 型活动连接器,这种接头与传统的 BNC 电缆接头 相似,只是尺寸有所缩小.二,激光发送/接收模块的使用和保护激光发送/接收模块属于易损昂贵器件,在实验使用和操作过程中应加倍 小心,防止激光器件的损坏. 在本光纤通信实验系统中,所采用的光器件是安捷伦公司的 HFBR-1414T 激光发送模块和 HFBR-2416T 激光接收模块.两个器件的光接 口均为 ST 型连接器,采用全塑材料.在实验系统中,激光器件已经事先安装 好,光纤跳线也已经连接在激光器件上.每个激光器件和光纤跳线都配有保 护套,这些保护套由器件袋装好放在实验箱里. 激光器件保护套和光纤跳线的保护套不一样,其拆取及安装的具体方法 是: (1)拆取:按照图 I-1 中箭头指示的方向,旋转激光器件前端的保护套 90,然后向外拉出保护套.保护套应该保持其内部前端的清洁,防止污染激 光器件内部的光通道和激光芯片. (2)安装:将保护套套入激光器件是取下的逆过程,当不使用激光器件 是应该立即将保护套套入激光器件,以保护激光器件免受灰尘等污染. 在实验过程中,光纤跳线和激光器件的连接和拆取都必须在关掉电源后1进行操作,否则会造成光纤跳线和激光器件的致命性损坏.在实验进行的任 何时候,一定要注意避免把光纤对准自己或别人的眼睛,否则会对眼睛造成 永久性伤害.三,ST 型光纤连接器的使用方法在本光纤通信技术实验中,采用的 ST 型光连接器,其结构如图 I-1 所 示.这种连接器形如插口型灯座,与传统的 BNC 电缆连接器十分相似,只是 尺寸有所缩小. 进行光纤和激光器件的连接时,首先将光纤跳线上的小凸起对准激光器 件前端的凹槽,将光纤跳线推入,然后象安装 Q9 电缆一样将光纤跳线的外面 的挂钩钩住光收发模块上的凸起.在实验结束后,需要将光纤跳线卸下来, 并立即将所有的保护套装回,光纤跳线放到器件袋中,以免损坏或弄脏光接 口.图 I-1ST 型光连接器结构图正确的安装和拆卸过程不需要使用蛮力, 如果觉得安装过程中确有问题, 须立即向老师报告,不要擅自处理,否则会造成光纤跳线和激光器件的致命 性损坏.2光纤通信实验系统简介一,概述光纤通信是以光波为载波,光纤为传输媒介的通信方式.在光纤通信系 统中传输的信息,如电话和数据等电信号,首先在系统的发送端转变为光信 号,将低频电信号调制到高频的光载波上,即光调制;已调制的光载波经光 纤传输到接收端,然后将光信号转变为电信号,再从解调光波中取出低频电 信号,即光解调. 光纤通信有许多优点,比如速度快,容量巨大,抗干扰能力强等,所以 自 1966 年高锟博士发明光纤以来,光纤通信取得了令人瞩目的成就.现在, 光纤通信已经成为一种越来越重要的通信手段.基本的光纤通信系统如图 II -1 所示,它包括电端机,光端机和光纤光缆.电端机的功能是将准备传输的 信息转换为合适的电信号,或者是从电信号中将信息提取出来;光端机主要 用于完成电信号和光信号之间的相互转换;光纤光缆则用于将调制的光信号 从一端传到另一端.图 II-1 光纤通信系统基本构成本实验系统在参照实际光纤通信系统基本组成的基础上,结合实验教学 的需要,设计了一套相对完整的光纤通信实验系统,该系统包括信号源,光 发送,光接收,光线路编译码,语音信号光传输等单元,并开设了丰富的实 验内容.通过这些实验学习和动手实践,可以加深大家对光纤通信的感性和 理性认识,使理论和实践结合起来,锻炼大家的实际动手能力.二,实验内容本光纤通信技术实验的内容主要由基础实验和设计实验两个部分构成, 分别包含以下内容: 1.光纤通信技术基础实验 实验一 光纤通信系统信号源单元实验 实验二 光发送系统单元实验 实验三 光接收系统单元实验 实验四 光纤通信传输线路码型及其编码/解码实验 实验五 模拟,数字,语音信号的光纤通信传输综合实验 实验六 光纤通信系统数字光发送接口指标测试实验 实验七 光纤通信系统数字光接收接口指标测试实验 2.光纤通信技术设计实验3设计一 语音光传输系统的设计与制作 设计二 光通信编码,解码模块的设计三,实验报告要求实验报告是实验学习的一个重要组成部分,应给予充分的重视.实验前 应认真阅读实验指导书,明确实验目的,了解实验原理,内容,掌握实验步 骤及注意事项,并写出预习报告,报告内容包括: 1.实验目的 2.实验仪器,设备连接方框图,并标明测试点 3.实验记录表格及测试步骤 4.实验指导书上规定的其它内容 做完实验后应进行总结,内容包括 5.实验仪器名称,型号和编号 6.实验数据整理,实验现象分析 7.实验方法及仪器使用总结 8.问题讨论 实验报告应按规定格式,按时交给实验指导教师.4第一部分实验一一,实验目的和内容光纤通信基础实验信号源单元实验1. 熟悉本光纤通信实验系统的电路组成,了解各实验模块的功能. 2. 掌握信号源中模拟信号,数字伪随机序列的产生原理和方法. 3. 学会通过计算机串口进行数字信号发送/接收的方法.二,实验预习要求1. 了解模拟正弦波信号,三角波信号,数字伪随机序列信号等的产 生原理和电路; 2. 了解计算机串行端口和 RS232 串行通信标准的有关知识; 3. 熟悉示波器,万用表等仪表的基本操作.三,实验基本原理1. 实验系统基本构成 本光纤通信实验硬件系统主要由模拟信号单元,数字信号单元,计算机 接口单元,数字信号编译码单元,光发送单元,光接收单元,语音输入单元, 语音输出单元等八个模块构成. 下面对各个单元模块进行简单的介绍. (1)模拟信号单元 本单元可以分别产生标准的正弦波,三角波和方波信号,频率范围从 1KHz20KHz 可调.方波可以调节占空比,信号的幅值也可以通过电位器进 行调节. (2)数字信号单元 本单元包含一个伪随机码产生电路,该电路可以输出一个 15 位的数字伪 随机序列,信号码型为 NRZ 单极性非归零码波形,信号频率可以为 2KHz, 4KHz,8KHz,16KHz,32KHz,64KHz. (3)计算机接口单元 本单元包括 RS232 接口电路和电平转换电路,可以把计算机生成的各种 数字信号通过串行接口传送到实验板上,并把 RS232 电平转换为 TTL 电平, 形成标准的 NRZ 数字波形.同时,本单元还可以把实验板上的数字信号通过 电平转换和 RS232 接口传送到计算机,在屏幕上加以显示. (4)数字编译码单元 本单元通过与数字信号源或计算机接口送出的数字信号相连接,把 NRZ 码进行 CMI 编码;同时可把外部输入的 CMI 码进行译码,输出 NRZ 码信号. (5)光发送单元 本单元为光纤通信实验系统的核心模块之一,用于完成数字信号和模拟 信号的电-光转换,把电信号无失真的转换为光信号,送出到光纤中进行传输.5(6)光接收单元 本单元也是光纤通信实验系统的核心模块, 用于完成光信号的光-电转换, 将光纤中传出的光信号无失真的转换为相应的数字信号和模拟信号,提供给其 它电路进行处理. (7)语音输入单元 本单元通过拾音器电路完成声-电转换,把外接麦克风采集的声音信号转 换为电信号,并进行放大输出. (8)语音输出单元 本单元通过扬声器电路完成电-声转换, 把接收的电信号进行处理和放大, 然后驱动扬声器进行播放. 本实验系统的软件部分包括一个实验软件和一个基于声卡的虚拟仪器软 件.实验软件的主要功能是通过计算机产生任意长度的数字信号和特定帧格 式的数据信号,并能对它们进行 CMI 码,Manchester 码,1B1H 码,PN 码 的编译码.利用计算机的串行接口,可以把这些数字信号传送到实验板上, 也可以接收实验板送出的数字信号. 基于声卡的虚拟仪器软件则是指利用声卡的数据采集等功能实现的音频 范围内的虚拟示波器.此外,它还具有信号发生器,频率计,万用表的功能, 通过外接的测试线和简单的测试电路,完全可以替代上述仪器. 2. 模拟信号源的工作原理 本实验所用到的主要芯片为 ICL8038,其工作频率范围在几赫兹至几百 千赫兹之间,它可以同时输出方波(或脉冲波) ,三角波,正弦波.电阻 R1 与电位器 RP1 用来确定脚的直流电位 V8, 通常取 V82/3VCC, A, B 越小, I I 输出频率越低,反之亦然.RP1 可调节的频率范围为 20Hz-20kHz.VCC 采用 双电源供电时,输出波形的直流电平为零,采用单电源供电时,输出波形的 直流电平为 VCC/2.方波可以调节占空比,信号的幅值也可以通过电位器进行 调节. 本次实验中所用到的模拟信号主要是标准的正弦信号,三角波信号和方 波信号,其频率范围从 1KHz 到 20KHz,可以根据实验需要调整参数得到不 同频率的波形.正弦波和三角波信号产生的电路原理图如图 1-2 所示.6图 11 ICL8038 使用电路原理图3. 数字伪随机序列的产生原理 在数字通信中,常用伪随机序列信号作为信号源,来对通信设备进行测 试或检修.伪随机信号的特点是,它类似于随机信号,出现1和0的概率是 相等的,数字信号序列的直流成分几乎为零. 图 13 用两块 74LS74 双 D 触发器组成 15 位序列信号产生电路,其中 U17 为异或门,称为反馈控制电路.若电路的初始状态为 Q4 Q3 Q2 Q1=1000图 1-2 标准正弦波,三角波和方波产生电路原理图7图 1374LS74 触发器组成 15 位伪随机序列信号产生电路原理图(可由置数脉冲 CR 的负跳变或低电平加到 D 触发器的置数端 S 和复位 端 R 来实现) ,在时钟脉冲 CP 顺序输入时,电路各级触发器的输出如下表所 示.其中 Q4 输出的 15 位序列信号为 000100110101111.表 11 CP 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 D4 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 15 位序列信号输出 Q3 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 Q2 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 Q1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 Q44. 计算机串口数据收发原理和实验软件操作 串行通信是指数据信息被分解为顺序排列的位流,在单一的信道上进行传 输,每次传送的信息为一位码元,例如一个字节有 8Bit,则分解为 8 个码元 按一定的时序传送,这种方式即为串行通信.串行通信在通信领域被广泛应8用,标准的 RS232 接口已成为计算机,交换机和许多通信设备的标准接口. 一般说来, 计算机都有一个或多个串行端口, 它们依次为 COM1, COM2, ., 这些串口提供了外部设备与计算机进行数据传输和通信的通道. 本实验系统采用 RS232 串口通信标准, 通过计算机的 COM 串行端口实现 实验板和计算机之间的数据连接.RS232 采用负逻辑电平工作,逻辑1为 -5V- -15V,逻辑0为+5V+10V,这与实验板上采用的数字电平TTL 电平不兼容, 因此采用电平转换芯片来进行 RS232 电平和 TTL 电平之间的相 互转换. EIA-RS-232C 对电器特性,逻辑电平和各种信号线功能都作了规定.在 TxD 和 RxD 上:逻辑 1(MARK)=-3V-15V,逻辑 0(SPACE)=+3+15V. 在 RTS,CTS,DSR,DTR 和 DCD 等控制线上:信号有效(接通,ON 状 态,正电压)=+3V+15V,信号无效(断开,OFF 状态,负电压)=-3V -15V. 本电路采用三线连接方法.由于逻辑电平不匹配,需进行转换.逻辑电平 转换由 MAX232 来完成, MAX232 内部有电压倍增电路和转换电路, 只需+5V 电源.一个 MAX232 芯片可连接两对收发线,所以允许双机全双工通信.但 实际条件所限,只有一根光纤作为传输信道,所以增设微拨开关使得每次光 纤做单向通道.具体操作如下:当 2,3 闭合时,A 机自发自收;当 2,4 闭 合时,A 机发送 B 机接收;当 1,4 闭合时,B 机自发自收;当 1,3 闭合时, B 机发送 A 机接收. RS232 接口和电平转换电路的原理图如图 1-5 所示.图 1-5RS232 接口和电平转换电路原理图9在实验软件中,通过对计算机串行端口的选择和波特率的设置,就可以实 现计算机和实验板的数据连接.计算机串行端口一般有四个选择:COM1, COM2,COM3 和 COM4,根据实验板和计算机的连接情况确定,一般选择 COM1 或 COM2 口.通信波特率的设置有 300 波特,600 波特,1200 波特, 2400 波特,4800 波特等不同的速率选择,可根据实验的要求进行确定.四,实验项目及步骤1. 模拟信号源电路测试和波形观察 (1)根据电路原理图对电路进行测试,确认电路正常工作; (2)用示波器观察模拟信号源的各测试点波形; (3)对正弦波,三角波和方波的幅度,失真度和占空比等参数进行适当 调节,观察各测试点波形的变化. 2. 伪随机数字信号的产生和测试 (1)根据电路原理图对电路进行测试,确认电路正常工作; (2)用示波器观察伪随机码电路的各测试点波形. 3. 计算机串口的测试和软件操作 (1)根据电路原理图对计算机接口电路进行检查,确认其正常工作; (2)用串口连接线将计算机串口和实验电路连接起来,运行串口通信软件, 观察数据收发情况.五,实验报告要求1. 整理实验记录,在坐标纸上画出实验中测试的各种信号波形. 2. 根据实验测试结果,对信号源和接口电路的工作原理和情况进行分析.六,思考题1. 光纤通信系统能否同时传输模拟和数字信号 2. 通过计算机是否只能产生数字信号 提出一种产生模拟信号的方法.10实验二一,实验目的和内容光发送系统单元实验1. 了解光纤通信中光信号发送的原理和方法; 2. 了解光通信用光源的特性和有关参数; 3. 掌握光发送模块中电-光转换的原理和电路技术; 4. 理解模拟信号和数字信号在光发送过程中的特点和差异.二,实验预习要求1. 阅读光纤通信原理和技术有关光源和光发送系统的内容; 2. 熟悉光功率计的工作原理和使用方法.三,实验基本原理在光纤通信系统中,用于完成电-光转换,实现光信号传送的光 发送部分是整个系统的核心之一.光发送模块的好坏,与整个系统的 性能有很大的关系.在这个部分的设计过程中,应根据实际情况选择 合适的激光器件,尽可能的提高激光器的电光转换效率,减小动态阻 抗,提供合适的工作电流,优化激光器的调制效率,使光发送模块能 稳定,高效的工作.光纤通信光发送系统原理框图如图 2-1 所示.图 21 光纤通信光发送系统原理框图其中各部分用途如下: 1.信号源:产生如正弦波,三角波,阶梯波,方波,脉冲波等模拟或数 字信号; 信号选择开关:选择信号源所产生波形中的一种; 2.切换电路:完成光发送模块的输入信号的切换,即模拟信号与数字信 号的切换(其中含光源工作与否的控制开关) ; 3.驱动电路(模拟或数字) :对光源进行调制(控制光源的振荡参数,如 光强,频率等,得到光频的调幅波或调频波) ,将需传输的电信号调制到光载 波上; 给光源一个预偏置电流;114.光源:产生光载波,并将经调制的载波发送传输. 在信号的光纤通信传输中,由于模拟信号和数字信号具有各自的特点,其 调制和驱动激光器产生光信号的方法也具有相应的特点,不能采用同一个电 路来实现.下面具体从激光器组件,模拟/数字信号切换,数字信号驱动,模 拟信号驱动四个方面分析它们的电路组成及原理. 1, 激光器组件 一般来说,光纤通信系统对光源的要求主要有以下几个方面: 发射波长与使用的光纤传输窗口波长一致; 调制容易,线性好,带宽大; 输出谱窄,以降低光纤色散的影响; 辐射角小,与光纤的耦合效率高; 寿命长,体积小,耗电省等. 能满足上述要求且已广泛应用于光纤通信系统的有两种半导体光源:发 光二极管(LED)和激光二极管(LD) .这两种光源的主要区别在与:LED 输 出的是非相干光,其谱宽宽,入纤功率小, 调制速率低; LD 是相干光输出, 而 谱宽窄,入纤功率大,调制速率高.LED 适宜于短距离低速系统,后者适宜 于长距离高速系统. 本实验系统中, 由于对传输速率和通信距离均要求不高, 因此选用了 LED 作为发送光源.我们采用的是安捷伦公司高性能的半导体通信光源组件 HFBR-1414T,下面对其作一具体介绍. (1)工作参数: HFBR-1414T 是安捷伦公司的高性能的半导体通信光源,其接口电平为 TTL 或 EDL,工作波长为 850nm,其具体参数分别如表 2-1 和表 2-2 所示.表 2-1 HFBR-1414T 光源组件绝对参数参数名称 贮藏温度 工作温度 焊接温度 焊接时间 前向输入 电流(DC) 反相电压表 2-2 参数名称 前向电压 代号 VF代号 S A最小值 5 0最大值 5 5 60 0 00单位秒 ADC RHFBR-1414T 光源组件电/光性能(0-70) 最小值 1.1 - 典型值 1.4 -1.5 最大值 1.7 - 单位 V mV/ 参考条件 1F=75mA -前向电压温度系数 VF/T12中心波长 半幅全宽 结电容 光功率温度系数 热阻C FWHM CT PT/T JA750 - - - -850 130 16 -0.03 260870 185 - - -Nm nm pF dB/ /W- - VF=0V f=1MHZ IF=75100 mA DC -(2)特性曲线 HFBR-1414T 光源组件的有关特性曲线,如输入电压与工作电流关系曲 线(V-I 曲线) ,工作电流与光功率关系曲线(P/I 曲线)等,如下图所示.图 2-2 输入电压与工作电流关系图 2-3工作电流与光功率关系(3)模块外形及管脚分配 HFBR-1414T 的模块外形封装如图 2-4 所示,各管脚功能分配表见表 2- 4.13图 2-4 HFBR-1414 外形封装及尺寸图 表 2-3 HFBR-1414T 管脚功能分配表管脚 功能1 2 3 NC ANODE CATHODE4 NC5 ANODE6 NC7 NC8 NC(4)典型外接电路 HFBR-1414T 的外部连接电路比较简单,如图 2-5 所示.图 2-5 HFBR-1414T 典型外接电路原理图2, 信号切换电路 该部分电路的主要功能是完成模拟信号和数字信号之间的切换功能.其 原理方框图如图 2-6 所示.控制开关 模拟信号 切换 电路 数字信号 图 2-6 信号切换原理框图 光源 模块 光纤本电路通过两个双刀双掷自锁开关,实现光发送模块的工作控制和输入 信号切换,即模拟信号与数字信号的切换.切换开关未按下时,处于数字信 号传送方式;按下时,处于模拟信号传送方式.控制开关未按下时,激光器 件处于停止工作状态;按下后,激光器件进入工作状态. 3, 数字信号驱动工作原理 该部分由数字信号驱动 LED 光源组件产生光信号.因此,通过 74HC0014构成的整形,驱动电路完成数字信号的电平转换及驱动电流的产生.本部分 的原理框图以及电路原理图分别如图 2-7,图 2-8 所示.差分驱动 电路 信号切换 电路数字信号源数字接口图 27 数字信号驱动部分原理框图图 28数字信号驱动电路原理图4, 模拟信号驱动工作原理 该部分由模拟信号驱动 LED 光源组件产生光信号. 通过由三极管, 阻容元件等组成的电路把从信号源送来的模拟信号进行适当的处理, 经放大驱动后送入信号切换单元,驱动光源模块 HFBR-1414T 产生光 信号.该部分的电路原理图如图 2-9 所示. 图中通过调整可调电阻(阻值为 4.7K) ,使电路适应不同的输入阻 抗,一般经调整好后,不需要更改.通过对输出端两个电阻联合调整, 可以控制注入半导体光源的电流,同时以满足低输出阻抗,在调节过 程中,要用示波器边调边观测,监测其注入电流的大小,一经调整好, 就不需要改动,否则有烧毁激光器的危险.15图 29 模拟信号驱动部分原理图四,实验项目及步骤1. 熟悉光发送单元模块的工作原理及结构组成. (1)了解半导体 LED 光源组件 HFBR-1414T 的性能及在操作上应注意的事 项; (2)掌握光发送单元模拟信号驱动部分和数字信号驱动部分的工作原理和电 路结构. 2. 测量并计算 LED 光源的驱动电流. (1)在模拟信号驱动的条件下,观察 LED 光源组件的输出波形,测量并计 算驱动电流的大小; (2)在数字信号驱动的条件下,观察 LED 光源组件的输出波形,测量并计 算驱动电流的大小. 3. LED 光源的输出功率和注入电流的关系曲线P/I 曲线. (1) 采用模拟信号驱动 LED 光源组件,用光功率计测量其输出的光功率大 小; (2) 改变模拟信号的幅值大小,重新测量此时的光功率; (3) 重复上述步骤,得到不同输入幅值时输出的光功率大小,根据这些数 据可以绘制出 LED 光源的 P/I 特性曲线.五,实验报告要求1.整理实验记录,在坐标纸上画出相应的信号波形. 2.计算 LED 光源驱动电流,写出具体计算过程. 3.根据实验数据,绘制输出功率和注入电流的关系曲线.六,思考题1.光源的驱动电流如果过大或过小会产生什么结果 2.光源的 P/ I 特性曲线能说明哪些问题 3.模拟信号驱动和数字信号驱动的区别有哪些 16实验三一,实验目的和内容光接收系统单元实验1. 了解光纤通信中光信号检测的原理和方法; 2. 了解光通信用光电探测器的特性和有关参数; 3. 掌握光接收模块中光-电转换的原理和电路技术.二,实验预习要求1. 阅读光纤通信原理和技术有关光探测器和光接收系统的内容; 2. 熟悉光功率计的工作原理和使用方法.三,实验基本原理在光纤通信系统中,实现信号的光-电转换,完成光信号检测的 光接收单元也是系统核心组成部分之一.光接收模块的好坏直接影响 着整个系统的性能.光接收模块通过光电探测器完成光信号的检测, 然后将探测器输出的微弱电信号进行处理,使之恢复到原来的信号波 形并得到放大. 本实验系统的光接收单元主要包括光检测模块,隔离滤波电路和 信号放大电路, 其组成框图及工作电路原理图如图 3-1 和图 3-2 所示. 下面分别介绍其工作原理.光纤 光检测模块 HFBR-2416 图 3-1 隔离电路 主信号 放大电路 光接收单元组成框图 输出 端口图 3-2光接收单元电路原理图171. 光检测模块 光检测模块主要包括光电探测组件和偏置电路. 本实验系统中使用的光电 探测组件是安捷伦公司生产的,与 HFBR-1414T 光源组件属于同一个系列的 HFBR-2416T 高性能光检测组件.它可以将探测到的光信号转变成微弱的电 信号,经内部低噪声放大后缓冲输出. (1) 性能参数 HFBR-2416T 内部包含一个 PIN 光电二极管和低噪声前置放大集成电路, 它的频率响应从直流一直到 125MHz. 它属于模拟光监测器, 但是它完全可以 兼容数字光纤通信系统.HFBR-2416T 的各种性能参数分别如表 3-1,3-2 所示.表 31 参数名称 贮藏温度 工作温度 焊接温度 焊接时间 信号脚电压 电源电压 输出电流 表 32 参数名称 响应度 RMS 输出噪声 电压 峰值输入功率 输入阻抗 输出直流电压 工作电流 HFBR-2416T 光探测组件的绝对参数 最小值 -55 -40 - - -0.5 -0.5 - 最大值 85 85 260 10 VCC 6.0 25 单位o代号 Ts TA - - Vo VCC-VEE IoC C Coo秒 V V MAHFBR-2416T 光探测组件的电-光,动态性能 最小值 5.3 - - - -4.2 - 典型值 7 0.4 - 30 -3.1 9 最大值 9.6 0.59 -7.6 - -2.4 15 单位 MV/us mVRMS dBM Ohm V mA 条件 p=820nm,50 HZ 75M BD PR=0uW 50M,1ns PWD F=50M Pr=0uW RLOAD=代号 Rp VNO PR RO VODC ICC18(2) 内部结构 HFBR-2416T 光探测组件的内部集成了 PIN 光电二极管和低噪声前置放 大电路,其简化的原理结构图如图 3-3 所示. (3) 特性曲线 HFBR-2416T 光探测组件的各种典型特性曲线如图 3-4 所示.图 3-3 HFBR-2416T 原理结构简图(a)输出均方噪声 vs. 频率(b)脉冲宽度 vs. 峰值输入功率19(c)上升下降时间 vs. 温度 图 3-4(d)接收光谱响应曲线HFBR-2416T 的各种典型特性曲线(4) 模块外形及管脚分配 2. HFBR-2416T 的模块外形封装如图 3-5 所示, 各管脚功能分配表 见表 3-3. 3. 隔离滤波电路 光检测模块的输出直接送至隔离滤波电路, 其组成见图 3-2. 图中的 C108, R72,R73,C3,C20 组成滤波电路,用以滤除不必要的杂波.C109,C96 实现直流隔离功能.图 3-5 HFBR-2416T 的模块外形封装 表 3-3 HFBR-2416T 的管脚功能分配表 管脚 功能 1 NC 2 SIGNAL 3 VEE 4 NC 5 NC 6 VCC 7 VEE 8 NC4. 信号放大电路 信号放大电路主要由两级运算放大器组成,均采用仪表运放 LF357. LF357 为高输入阻抗,高速 J-FET 型运算放大器,最高频率可达 20MHz.整20个放大电路为线性放大,放大倍数达到 50 倍.四,实验项目及步骤1.熟悉光接收单元模块的工作原理及结构组成. (1) 了解 PIN 光探测组件 HFBR-2416T 的性能及在操作上应注意的 事项; (2)掌握光检测模块和信号滤波,放大单元的工作原理和电路结构. 2.接收单元输出波形,测量并计算电路放大倍数. (1)用示波器观察光探测模块输出的电信号波形,测量信号的电压幅值; (2)用示波器观察信号放大模块输出的电信号波形,测量此时信号 的电压幅值; (3)多次测量后,可以计算出光接收电路的放大倍数. 3,观察并分析示波器眼图. (1)在实验系统的信号源发送端选择 PN 码波形,并送入光发送单元产 生 PN 码光信号; (2) 用光接收单元检测传来的 PN 码数字信号, 将示波器的 CH1 接时钟 信号,CH2 接输出端口的 HFBR-OUT,调整示波器使其同步,此时可用示波 器观察到眼图; (3)调节光接收单元的参数,观察眼图的变化.五,实验报告要求1.整理实验记录,在坐标纸上画出相应的信号波形. 2.计算光接收模块的信号放大倍数,写出具体计算过程. 3.根据实验现象,绘制观察到的示波器信号眼图.六,思考题1.如果去掉隔离滤波电路,会对光信号的检测带来什么影响 2.分析实验过程中信号眼图变化的原因.21实验四光纤通信传输线路码型及其编/解码实验一,实验目的和内容1. 了解光纤通信中常用线路码型的种类和特点; 2. 掌握 CMI 码, Manchester 码, nBmB 码的编译码原理和实现技术.二,实验预习要求1.阅读光纤通信原理和技术有关光纤通信线路码型的内容; 2.了解相关编译码电路芯片的结构和功能.三,实验基本原理在数字光纤通信传输信道中,和数字电缆通信一样,通常不直接传送电 端机输出的数字信号,而是需要经过码型变换,使之变换成为适合数字光纤 传输信道传输的码型,称之为线路码型. 适用于光纤通信的线路码有许多种,总的来说,这些码型都具有以下几 个特点: 第一,适于在不中断通信业务的条件下进行误码检测; 第二,连0,连1的个数少,便于定时提取; 第三,码流的基线漂移小,直流成分少; 第四,码型传输速率增加不多,光功率代价较低; 第五,接收端将线路码还原后,误码扩展小; 第六,从码流中可以得到丰富的定时信息,并且带宽较窄. 1. 常用线路码型的种类和特点 在已有的数字光纤通信系统中,采用的线路码多达数十种.不过,总的可 以归纳成以下三类:(1)伪双极性码;(2)mBnB 码;(3)附加奇偶位码. (1)伪双极性码 在数字电缆通信中,除常采用 HDB3 码外,还经常采用1码正负极性交替 发送的反转双极性码,即 AMI 码,它与 HBD3 码具有相同的优点.但在光纤 通信中,由于无法得到负光脉冲,因而也无法得到 AMI 码,但可以将电端机 的输出码型加以适当的变换,使之变成为相当于 AMI 码的单极码,从而使作 为线路码的光脉冲码流也成为相当于 AMI 码的单极码,它具有 AMI 的优点, 称为伪双极性码. 常用的伪双极性码型有 CMI 码和 DMI 码,由 01,l0,ll,00 四种码组构 成.其中,码组 01 和 10 含有的 0 和 1 的个数相等,称为均等码;码组 00 和 ll 含有的 0 和 l 的个数不相等,称为非均等码.线路码中模式 l 和模式 2 是 交替使用的, 当上次出现非均等码时, 工作于模式 1, 下一次出现非均等码时, 工作于模式 2,而模式 1 是0多,模式 2 是1多,所以全线路码流中0和l 的个数是均等的,这就可以保证线路码流中无直流起伏,减小了基线漂移. (2)mBnB 码 mBnB 码又称为组码,这种线路码的特点是将输入编码器的原始码流(例22如,PCM 终端机的输出码流)按 m 比特(mB)为单元进行分组,每组由 mB 二 进制码组成一个字, 称为输入码字, 然后将每个码字在同样长的时间间隙内, 根据一定的规则将其变换成 n 比特(nB)的码流输出,因而称之为 mBnB 码. m 和 n 均为正整数, nm, 且 这就意味着在线路码流中引入了一定的冗余度. 常用的 mBnB 码有 1B2B 码,2B3B 码,3B4B 码,4B5B 码,5B7B 码,6B8B 码,17B18B 码等. (3)附加奇偶位码 附加奇偶位码的特点是:将输入编码器的原始码流按 m 比特(mB)分为一 组,再在每一组的末尾加入一位校正码,以保证每一组码中l的个数或0的 个数为偶数.因此,线路码流中每组为(m 十 1)比特,常称为 mBlP 码.附加 奇偶位码形式上和 mBnB 码相似,但有实质区别,它没有码表,编码方法的 实现也不同于 mBnB 码. 2. CMI 码的电路实现技术 CMI 码即传号翻转码, 1交替地用00和11来表示, 而0则固定用01 来表示,因此把信号从 1 位(bit)变成 2 位(bit) ,属于二电平的 NRZ 波形 的 1B2B 码型,这种码的特点是有一定的纠错能力,并且易于实现,易于定 时提取,因此在低速系统中选为传输码型,图 4-1 为 CMI 码与 NRZ 码的对 应关系.图 4-1CMI 码和 NRZ 码的对应关系(1)编码电路 编码电路用来接收来自信号源的单极性非归零码(NRZ)码,并把这种 码型变换为 CMI 码送至光发送单元, 其框图如图 4-2 所示, 电路原理图如图 4-3 所示.23图 4-2CMI 编码原理框图图 4-3 CMI 编码电路原理图单极性码输入该模块后首先用 CLK 同步,例如输入若是传号(1) ,则 翻转输出,如果是空号(0)则打开门开关,使时钟信号取反后输出,本实验 所用的 NRZ 码是从数字信号源输出的 NRZ 信号,该信号为 24 位 PN 码,其 输入的信码序列可用 K2K4 开关随意改变,如图 4-4 所示.图 4-424 位的 NRZ 码型波形图通过对 CMI 码编码器的电路原理图进行分析,我们可以得出电路中各测 试点的波形如图 4-5 所示.24图 4-5CMI 编码电路各关键测试点波形(2)CMI 译码电路 CMI 译码电路的电路原理图如图 4-6 所示. 译码电路的设计思想是: 当时钟信号与输入的信码对齐时,如果输入的是11或00时,则输出 为1;如果输入为10或01时,则输出为0.图 4-7 所示的是译码电路各 关键测试点的波形图.图 4-6CMI 译码电路原理图图 4-7 CMI 译码电路各关键测试点波形图25四,实验项目及步骤1. 用示波器观察各种编码波形,进行分析和比较. (1)在实验板上产生 CMI 码; (2)在计算机中分别产生 CMI 码,Manchester 码,2B3B 码信号,通过串 行端口传至实验板上; (3)用示波器对信号波形进行观察. 2.计算各码型传输的误码率,绘制它们的功率谱分布曲线,进行有关分析. (1)用实验软件对计算机传输码型进行误码率的统计和分析; (2)用虚拟示波器对各种编码波形进行 FFT 运算,得到功率谱曲线; (3)运用上述实验数据,对各种编码的参数和性能进行比较分析.五,实验报告要求1.整理实验记录,在坐标纸上画出相应的信号波形. 2.统计传输码型的误码率,绘制功率谱分布曲线. 3.根据实验数据,对各种编码的参数和性能进行比较分析.六,思考题1.设输入的 NRZ 码为 1110001011001000100110,求出其对应的 CMI 编码,并画出波形图;设输入的 CMI 码为 0100110100110011010001000 1010101,求出其对应的 NRZ 码,并画出波形图. 2.试设计一种 Manchester 码编译码方案,画出原理框图及电路原理图. 3.对于 CMI 码和 2B3B 码,分别应采取什么误码检测方法 26实验五模拟,数字,语音信号光纤通信传输综合实验一,实验目的和内容1. 掌握模拟光纤通信系统的工作原理和特点; 2. 掌握数字光纤通信系统的工作原理和特点; 3. 了解语音信号光纤传输的特点,以及 PCM 编译码的工作原理和实现技术.二,实验预习要求1. 阅读光纤通信原理和技术有关模拟和数字光纤通信系统的内容; 2.了解 PCM 编译码电路芯片的结构和功能.三,实验基本原理1.模拟信号的光纤通信传输 模拟信号的光纤通信传输与数字信号的光纤通信传输是不一样的.模拟 信号要求光纤通信传输系统的信噪比高,对信号的线性失真小,因此其模拟 光发送机的光源调制,驱动电路,光接收机的信号提取,放大电路都是专门 设计的. 模拟信号的光纤传输,一般采用光强度的直接调制(IM)实现,有直接 光强度调制(基带 IM)方式和模拟脉冲光强度调制方式等.在实用化光纤通 信系统中,一般使用电信号对光源发出的光载波进行光强度调制,以适应光 接收机对其进行包络检测(检波).光强度调制简称 IM,它是用电信号对光源 器件进行直接调制,从而使光源发出的光载功率的大小(强度)随电信号电流 (称为驱动电流)的变化而变化.图 5-1 简单的模拟信号驱动电路及光强度调制例如,图 5-1 是一个最简单的模拟信号驱动电路,用于对发光二极管 (LED)发射的光载波进行强度调制.它将输入基极的信号电压 Ub 的变化转换 为集电极电流 Ic 的变化,用作为 LED 的驱动电流.晶体管 BG 选在甲类工作 状态,调整基极偏置电压,使静止工作点电流 Ie 约为信号电流峰值的一半, 例如 Ico=30mA,于是信号电流 Ic 将在 IcO 上下变化,形成如图 5.1 所示 的 LED 工作的动态特性.若要求调制深度为 80%,则驱动电流的变化范围为27Ic=30 土 24mA,从而使得光源 LED 发射的光载波功率 Pout 的强度受到电 信号 Ub 的调制而作相应的变化.为减少失真,晶体管 BC 和发光二极管 LED 都应偏置在各自的线性工作区.此处仅引用一种最简单的驱动电路来说明 IM 的原理,显然,光强度