《光纤通信技术》实验指导书

1、光纤通信实验指导书编写人：王慧敏审核人：朱东弼延边大学工学院电子信息通信学科目录一、基础实验部分实验一模拟信号光纤传输实验1实验二数字信号光纤传输实验3实验三电话光纤传输系统实验 5实验四图像光纤传输系统实验7实验五数字光纤通信系统接口码型变换实验 9二、选做实验部分实验六数字光纤通信系统线路编译码实验11实验七计算机数据光纤传输系统实验14三、创新实验部分实验八数字光纤通信系统综合实验16实验一模拟信号光纤传输实验一、实验目的1了解模拟信号光纤系统的通信原理2.了解完整的模拟信号光纤通信系统的基本结构二、实验仪器及材料1. 光纤通信原理实验箱一台2. 示波器一台三、预习要求预习模拟光纤通信系

2、统工作原理四、实验内容实验原理根据系统传输信号不同，光纤通信系统可分为模拟光纤通信系统和数字光纤 通信系统。由于发光二极管和半导体激光器的输出光功率（对激光器来说，是指 阈值电流以上线性部分）基本上与注入电流成正比，而且电流的变化转换为光频 调制也呈线性，所以可以直接调制对于半导体激光器和发光二极管来说具有简 单、经济和容易实现等优点。进行发光二极管及半导体激光器调制时采用的就是 直接调制。从调制信号的形式来看，光调制可分为模拟信号调制和数字信号调制。模拟信号调制直接用连续的模拟信号（如话音、模拟图像信号等）对光源进行调制。 图1-1就是对发光二极管进行模拟调制的原理图。图1-1发光二极管模拟

3、调制原理图连续的模拟信号电流叠加在直流偏置电流上， 适当地选择直流偏置电流的大小，可以减小光信号的非线性失真。电路实现上，LED的模拟信号调制较为简单，利用其P-I的线性关系，可以直接利用电流放大电路进行调制，一般来说， 半导体激光器很少用于模拟信号的直接调制，半导体激光器模拟调制要求光源线 性度很高。而且要求提高光接收机的信噪比比较高。与发光二极管相比，半导体激光器的V-I线性区较小，直接进行模拟调制难度加大。本实验通过完成各种不同模拟信号的 LED光纤传输（如正弦波，三角波， 外输入音乐信号），了解模拟信号的调制过程及调制系统组成。模拟信号光纤通 信系统组成如图1-2所示。信号处理单元测试

4、端口图1-2模拟信号光纤传输系统框图在LD模拟信号调制实验中，米用预失真补偿电路对模拟信号波形进行失真 补偿，观察补偿后的传输效果与补偿前的效果。实验内容1. 各种模拟信号LED模拟调制：三角波，正弦波，语音信号（外输入语音 信号）2. 各种模拟信号LD模拟调制：三角波，正弦波，语音信号（外输入语音信 号）五、实验报告1记录并画出各模拟信号的波形， 对模拟信号光传输前后的波形进行比较。2. 简述模拟信号光纤传输过程。3. 比较LD与LED模拟信号调制的效果。六、思考题分析和比较LD模拟信号调制与LED模拟信号调制的异同点，并指出其优 缺点。实验二数字信号光纤传输实验一、实验目的1. 了解数字信

5、号光纤传输系统的通信原理2. 掌握完整数字光纤通信系统的基本结构二、实验仪器及材料1. 光纤通信原理实验箱一台2. 示波器一台三、预习要求预习数字信号光纤传输系统的工作原理。四、实验内容实验原理数字信号的光源驱动电路与模拟驱动电路原理有一定区别。半导体激光器是利用其在有源区中受激发射的器件，只有在工作电流超过阈值电流的情况下， 才 会输出激光（相干光），因而是有阈值的器件。图2-1为LD的P-I特性曲线及调 制波形，图中的Ith为LD的阈值电流。由图可见调制LD光源器件发光必须是直 流偏置电流Ib和信号电流（即调制电流Im）的共同作用。本实验利用光纤对各种数字信号进行传输，以了解和熟悉光纤传输

6、数字信号 系统的组成。用双踪示波器观察光发模块与光接收模块各点的波形，并进行比较。数字信号光纤传输系统组成框图如图2-2所示，对原始数字信号产生模块的信号进行各种不同方式的编码和译码，然后通过光纤传输，在测试 端口观测输出端的信号波形，并且比较发光二极管的数字驱动与半导体激 光器数字驱动效果的异同。原始信号信号处理单元光发端机光收端机信号处理单元译码测试端口图2-2数字信号光纤传输系统组成框图实验内容1观察各种数字信号在LD （1310nm）光纤传输系统中的波形2. 观察各种数字信号在LED（850nm）光纤传输系统中的波形（可选）五、实验报告1. 记录并画出LD（ 1310nm）数字信号调制

7、过程中各测试点波形2. 记录并画出LED（850nm）数字信号调制过程中各测试点波形六、思考题1. 画出光纤传输数字信号实验框图，并简述数字信号光纤传输过程。2比较LD数字光纤传输系统与LED数字光纤传输系统传输信号的效果, 并分别分析优缺点。实验三 电话光纤传输系统实验一、实验目的1了解电话及语音信号通过光纤传输的全过程2掌握模拟电话、数字电话光纤传输的工作原理二、实验仪器及材料1. 光纤通信原理实验箱一台2. 示波器一台三、预习要求预习电话光纤传输系统的工作过程四、实验内容实验原理对于局间通信来说，电话语音通信具有举足轻重的作用。 以电话通信网络为 载体，各种模拟（或数字）信号的传输系统已

8、经商用化。如电话、传真、拨号网 络通信等业务都是在局间电话网上实现的。电话语音信号的光纤传输分为两种方式， 一种方式为模拟电话光纤传输，即 电话用户接口输出的模拟信号直接送入光纤模拟信号传输信道，从而实现两部电话的通话（由于模拟信号无法直接进行时分复用， 因此模拟电话光纤传输只能传 输一路电话语音信号，另一路电话语音信号直接用连接导线代替光纤），实验方框图如图3-1所示。图3-1 电话模拟光纤传输另一种方式为数字电话光纤传输，即电话用户接口输出的模拟信号经过 PCM 编码以后，利用时分复用的方式，将两路信号数字调制成一路信号， 然后送入光 发端机中进行光纤传输，光收端机接收的信号通过时分解复用

9、，实现信号的分离， 分别送入两个电话用户接口电路中， 实现两部电话的全双工通话，其方框图如图 3-2所示。图3-2电话数字光纤传输在PCM编译码中，帧同步信号为8KHz，帧信号分为四个时隙，分别为 时隙0、时隙1、时隙2和时隙3;时隙0为帧同步信号，其同步码为固定的码 流“0 1 1 1 0 0 1 0时隙1和时隙2分别为两路电话语音调制数据，时隙 3为空 时隙，在本实验中没有用到（用低电平表示），图3-3为PCM编码一帧的结构示 意图。一帧时隙0ta,时隙1时隙2时隙31 1J-F1 1 1 L 1 11 1图3-3 PCM编码帧结构示意图 实验内容1. 模拟电话光纤传输系统实验2. 数字电

10、话光纤传输系统实验五、实验报告1记录实验过程中各点的波形。2评估模拟电话通话和数字电话通话的质量。3.评估850nm电话光纤传输系统和1310nm电话光纤传输系统的性能。六、思考题1. 能否用一根光纤传输两路模拟信号， 如果可以，如何实现？如果不行，说 明理由。2. 与模拟电话相比，数字电话有哪些优点 ？3. 画出PCM编码输出一帧的结构示意图，用示波器观察各帧的波形，说明 一帧信息中各时隙代表的意义。实验四图像光纤传输系统实验一、实验目的1. 学习模拟视频信号光纤传输系统组成2. 熟悉图象信号在光纤系统中的传输过程二、实验仪器及材料1. 光纤通信原理实验箱一台2. 示波器一台三、预习要求预习

11、模拟视频信号光纤传输系统组成及传输过程四、实验内容实验原理视频信号的传输量日益增长，尤其是有线电视（CATV），需要将几十路电视信号送到千家万户。视频信号的光纤传输也是人们非常关注的课题。本实验主要采用模拟信号直接调制的方法进行视频信号的光纤传输。系统主要由小摄像头（电视信号发生器）、小型电视机（视频监视器）和模拟光纤通信 系统组成。通过观察视频信号的光纤传输，测试光纤传输模拟信号的性能。该实 验实质上也就是光纤传输模拟信号。实验框图如图 4-1所示。图4-1图象光纤传输系统小摄像头产生视频信号（模拟信号），经过模拟调制送入光发端机，经光纤 传输后，由光收端机监测到视频信号并输出到电视机接收端

12、，观测光纤传输视频信号的效果以及特点，以了解光纤传输电视信号的特点。在实验过程中图象效果 越好也就说明光纤传输模拟信号的性能就越好，性能越稳定。在进行光纤传输视 频信号之前，先调节正弦波模拟传输，使得 Vp-p二2V的正弦波正常传输，此时 视频信号传输效果最佳。实验时可以比较半导体激光器和发光二极管光纤通信系 统传输视频信号的效果。实验内容1. 模拟视频信号进行LED调制光纤传输2. 模拟视频信号进行LD调制光纤传输五、实验报告1. 观察图像信号经光纤传输后的效果，评估光纤传输图像信号的性能。 2. 比较 LED 与 LD 视频传输效果 。六、思考题1. 能否采用视频信号数字光纤传输？若能，则

13、还应该具备哪些实验器材？2. 试设计一种方法，利用本实验箱进行电视图像信号和语音信号的光纤传 输。实验五数字光纤通信系统接口码型变换实验、实验目的1. 了解接口码型在光纤传输中的作用2. 了解HDB3码编译电路实现原理3. 掌握HDB3码的编译码规则及编译码过程、实验仪器及材料1. 光纤通信原理实验箱一台2. 示波器一台三、预习要求预习光纤通信系统的传输码型四、实验内容实验原理接口码型变换电路包括输入接口码型变换和输出接口码型变换两部分内容。 这种变换电路完全是为了适应数字传输的需要而设置的，接口码型从我国所采用的数字通信标准制式来看有两种，即 HDB3码型和CMI码型，这两种接口码型 也就是

14、数字通信的线路传输码型，但是HDB3码不能用作光纤数字通信的线路码 型，因此在光发机模块必须要有接口码型变换电路。HDB3码是三阶高密度双极性码(High Density Bipolar Codes)的简称。所谓三阶，即最大允许连 “0数为3 个。这种码型为PCM 一次群、二次群和三次群的电线路传输码型。在数字光纤 通信系统中，HDB3码就是相应的PCM设备与数字光纤通信设备之间的接口码 型。输入接口码型变换电路就是将 HDB3码变换为PCM码，此PCM码经过光纤 传输后再经输出接口码型变换电路进行码反变换，得到HDB3码。实验系统方框图如5-1。图5-1HDB3编译码实验框图1、HDB3码有

15、如下特点：a) HDB3码的功率谱中无直流分量，高低频成分少，定时信息丰富，有利 于定时提取。b) HDB3码是伪三进制码，它的状态用 B+，B-，和0表示。c) HDB3码的最大连0数等于3d) HDB3码中任意两个相邻“V永冲(破坏点)之间的传号“B脉冲数目(不包括“ V脉冲本身)为奇数e) HDB3 码可以利用其破坏点规则检测线路传输中产生的误码。2、HDB 3 码编码HDB3 码的编码规则：二进制中的传号，在 HDB3 码中编成交替反转码。当 二进制信号为全“ 1码时，HDB3码与一般的AMI码相同。二进制中的空号，在 HDB3码中仍编为空号，但在二进制中出现四空号串，则用以下四连“0

16、”代节代 替，其取代节形式如下：000V或B00V。其中，V为双极性码中极性交替改变法 则的破坏点， B 为双极性码中极性交替改变法则中的非破坏点，0为双极性码中的 0 码。同一个取代节中的“B； “V脉冲在HDB3码中的极性相同。HDB3码中相邻字节中的“V脉冲符合交替反转法则。用取代节中的“ B脉冲来保证HDB3码中任意两个相邻取代节的 “V脉冲之间的 脉冲数目为奇数。即从二进制信号进行HDB3码编码的过程中，遇到一个四空号 串，准备用取代节代替时，要视相邻前一个取代节中的“ V脉冲至准备代替四空号串的取代节中的“V脉冲之间已有的脉冲数目，如果为奇数，用 000V取代节, 若为偶数，则用

17、B00V 取代节。实验内容1. 学习了解HDB3编码规则2. 观察接口码型的编译码过程五、实验报告1. 记录实验中各点的波形。2. 分析各点的波形，比较实验所观察到的波形与理论波形是否一致，如果不 一致分析其原因。3. 简要叙述HDB3码的编码规则。六、思考题1. 为什么HDB3码不能在数字光纤传输系统中传输？2. 接口码型变换电路在光纤传输系统中处于什么位置，有何作用？实验六 数字光纤通信系统线路编译码实验一、实验目的1. 了解线路码型在光纤传输系统中的作用2. 掌握线路码型的编译码过程以及电路实现原理二、实验仪器及材料1. 光纤通信原理实验箱 一台2. 示波器 一台三、预习要求预习线路码型

18、的编译码过程四、实验内容实验原理接口码型 HDB 3码虽然有很多优点，如功率谱中无直流分量， 高低频成分少， 定时信息丰富， 有利于定时提取等， 但它不能在光纤中传输， 当通过接口码型变 换电路将其变换为 PCM 码后，虽然能在数字光纤通信系统中传输，但在实际的 数字光纤通信系统中并不采用这种码型。 本实验阐述了适合数字光纤通信系统所 采用的三种线路码型：伪双极性码； mBnB码；附加奇偶位码。还说明了 线路码相对于接口码型的优点，并将一基带信号 NRZ 码变换为有利于数字光纤 通信系统传输的线路码型：伪双极性码、 mBnB 码。由于 CMI 码有很多优点，它既为我国数字通信标准制式所规定的两

19、种接口 码型之一，又是数字光纤通信系统中所采用的线路码型， 它既属于伪双极性码又 属于mBnB码（1B2B码）。所以，本实验中的线路码型就采用 CMI码。CMI码为信号反转码（Code Mark Inversion）,是一种二电平不归零码，是 PCM 四次群的线路传输码型，也就是四次群数字光纤通信设备与四次群 PCM 设备之 间的接口码型。1. CMI 码的特点 CMI 码编译电路简单，便于设计与调试。 CMI 码的最大连 “0和”连“ 1都”是 3 个 具有误码监测能力，当其编码规则被破坏，就表示有误码产生，便于线路传 输中的误码监测。 CMI码功率谱中的直流分量恒定，低频分量小，fr （变

20、换前的码速率）频率 处有限谱，频带较宽，便于定时提取。 CMI 码的速率是编码前信号速率的两倍。2. CMI 码的编码规则 对于二进制 “0被”编码成为前后得 A1 和 A2（ A1 为“0电”平， A2 为“1电”平） 两种幅值的电平，每种幅值占单位时间间隔的一半（T/2），即在CMI码中为“ 01码。 对于二进制“ 1用幅值电平Ai和A2来编码。Ai或A2都占满了一个单位时间 间隔（T）,即在CMI码流中为“00或“ 11码；对于相继的二进制“ 1,这两 个电平相互交替。这也就是前一个二进制“ 1编为A1，（即“00）则后一个二进制“1就编A2，反之，前一个二进制“ 1编为A2,（即“ 1

21、1）则后一个二进 制“僦编A1，即在CMI码流中以“00和“ 11信号相互交替。3. CMI码编码电路的方式。CMI编码电路比较简单，CMI码的编码规则是将二值码 NRZ序列中的“ 1” 和“0状态进行分离，然后按各自的编码规则进行编码，最后由这两种状态的编 码合成输出就成为CMI码。4. CMI译码电路CMI译码不采用CMI编码逆变换，而是采用延时 CMI码T/2 （即半比特时 间）然后相加，时钟读出的方法。5. mBnB码和伪双极性码mBnB码是将输入的m比特（Bit） 一组码作为一个码字，按变换表，在同样长 的时间间隔内，变换成n比特一组的输出码字，因此又称为字变换码。这里 m， n均为

22、正整数，且nm。伪双极性码（CMI和DMI ）也是一种字变换码，也可以认为它们是 1B2B 码，这种码保留了电缆数字传输中常用的双极性码（常称AMI码）的优点，如表6.2所示。用两个比特数字脉冲表示 AMI码中的一个码字，“ 1码时以“00和“ 11相互交替（对应于AMI码中“1码以牛”和“一电平相互交替），从而使码流 中“（和 “ 1均等，消除直流基线的影响，连 “0整数和连“ 1整数被限制在2或3, 同时也可以自检误码。但这种码型的缺点是冗余度大，仅在基群和二次群系统中 使用。表6.1 AMI码和伪双极性码的变换规则AMICMIDMI+111100101在牛”之后，10在“一之后0000表

23、6.2二电平码变为CMI和DMI码的规则电平码CMIDMIDMI模式1模式2模式1模式2001010110 （连“ 0模式不变）100110011实验中线路编码将数字基带信号 NRZ码变换为适合数字光纤通信系统传输 的线路码型CMI码，CMI码经光纤传输后，再经线路译码变换为基带信号NRZ码。实验方框图如图6-1所示。观察各点波形以理解 CMI编译码规则。数字基带信号CMI编码光发送CMI译码图6-1 CMI编码译码实验框图实验内容1. 验证符合光纤传输系统的线路码型2. 观察线路码型的编译码过程五、实验报告1. 记录实验中各点的波形。如果不2. 分析各点的波形， 比较实验所观察到的波形与理论

24、波形是否一致， 一致分析其原因。六、思考题1. 为什么实际的数字光纤通信系统一般不直接采用 PCM 码型？2. CMI 作为数字光纤通信系统的线路码型有哪些优点？实验七 计算机数据光纤传输系统实验、实验目的1. 学习计算机数据通信基本知识2. 掌握计算机串口通信光纤传输系统组成3. 进一步理解 CMI 码型在光纤通信系统中的作用、实验仪器及材料1. 光纤通信原理实验箱 一台2. 示波器 一台3. 计算机 二台4. 万用表 一台三、预习要求预习 CMI 编码在光纤线路码型中的作用四、实验内容实验原理随着计算机技术的发展， 计算机通信越来越显得重要。 由于串行通信是在一 根传输线上一位一位的传输信

25、息， 所用的传输线少， 并且可以借助现成的电话网 进行信息传送， 因此特别适合远距离传送。 对于那些与计算机相距不远的人机交 互设备和串行存储的外部设备如打印机、 逻辑分析仪和磁盘等， 采用串行方式交 换数据也很普遍。所以串行接口是微机应用系统常用的接口。在并行通信中， 传输线数目没有限制， 一般除了数据线外还有通信联络控制 线。例如，在发送前，先问对方是否准备就绪，或正在工作即忙，接收方收到数 据后，要向发送方回送数据已经收到的应答信号。 但是在串行通信中， 由于信息 在一个方向上串行传输， 只占用一根通信线，因此这根线既作数据线又作联络线， 也就是说要在一根传输线上既传送数据信息， 又传送

26、联络控制信息， 这就是串行 通信的首要特点。 那么如何来识别在一根线上串行传送的信息流中， 哪一部分是 数据信号， 哪一部分是联络信号。 为解决这个问题， 就引出了串行通信的一系列 约定。因此串行通信的第二个特点是它的信息格式有固定的要求， 分同步和异步 通信格式， 与此对应， 就有异步通信与同步通信两种方式。 第三个特点是串行通 信中对信息的逻辑定义与 TTL 不兼容，因此需要进行逻辑电平转换。计算机数据光纤通信系统主要由计算机串口电路、 CMI 编译码电路、光发 端机和光收端机组成。系统实验方框图如图 7-1 所示。图7-1计算机串口通信实验方框图计算机数据全双工通信，必须有两个数据通信信

27、道，光纤通信系统中利用两 套光纤通信系统进行，即在通信的每一方加载光发和光收系统， 在传输信号中可 以有两种方式，一种方式就是直接用两根光纤传输，另一种方式就是利用波分复 用（波分复用技术实验见实验二十二）的方式进行。在这里利用两个光纤通信系 统，即利用1310nm光纤通信系统和1550nm光纤通信系统组成。同时用两个光 纤作为传输信号的通道。进行串口数据传输时，采用 windows系统附件中的超级终端进行计算机数 据光纤通信的演示。可以进行键盘数据传输，文件传输，传输速率可设定为 9.6KB/S或更高。调节传输波特率，并观察实际传输文件时的传输速率。 实验内容1. 用光纤通信系统实现计算机串

28、口数据通信2. 进一步加深了解CMI编码在光纤线路码型中的作用五、实验报告1. 说明计算机数据光纤传输系统各组成部分的作用。2. 根据实验结果，说明文件传输实际速率与设置波特率的关系。六、思考题1. 说明计算机串口通信基本原理。2. 若计算机数据光纤通信系统中没有CMI编译码部分，则会出现什么情况？实验八 数字光纤通信系统综合实验一、实验目的1.了解数字光纤通信系统的组成原理2.掌握各个模块在整个系统中的作用二、实验仪器及材料计算机 一台三、预习要求预习数字光纤通信系统的组成及工作原理四、实验内 容 实验原理本实验为了适应数字光纤通信的需要， 让学生了解数字光纤通信系统的完整 硬件组成而设计的。 实际完整的数字光纤通信系统的硬件组成， 包括接口码型变 换电路、线路码型变换电路、光接口变换电路。同时本实验还模拟了实际 PCM 通信系统与数字光纤通信系统整个过程传输码型的变换， 从而让学生对这两个实