光纤通信课程设计

1、湖南工业大学课 程 设 计资 料 袋 计算机与通信 学院（系、部） 2013 2014 学年第 2 学期 课程名称 数字光纤通信 指导教师 刘丰年 职称 副教授 学生姓名 专业班级 学号 题 目 图像、声音的光纤传输系统 成 绩 起止日期 2014 年 05月 16 日2014年05月 22 日目 录 清 单序号材 料 名 称资料数量备 注1课程设计任务书12课程设计说明书13课程设计图纸4源代码56湖南工业大学课程设计任务书20132014学年第 2学期 计算机与通信 学院 通信工程 专业 班级课程名称： 数字光纤通信 设计题目： 图像、声音的光纤传输系统 完成期限：自 2014 年 5 月

2、 16日至 2014 年5月22 日共 1 周内容及任务一、设计的主要技术参数设计一个能进行声音、图像传输的光纤系统，并实现传输。二、设计任务(内容)1.设计模拟信号输入端口；2.设计模拟信号光发送电路；3.设计模拟信号光接收电路；4.设计模拟信号输出端口；5.设计不同方式对话音信号进行光传输；6.设计一路图像信号的单光纤传输；三、设计工作量1周完成进度安排起止日期工作内容2014.5.16分组、任务分配、课题理解2014.5.17-2014.5.18原理分析、光电路设计2014.5.19-2014.5.20实验验证和测试（或结果分析）2014.5.21-2014.5.22总结、书写实验报告参

3、考资料1. 杨祥林，光纤通信系统，国防工业出版社2. Gerd Kerser, 光纤通信，电子工业出版社3. 光纤通信实验指导书，北京百科融创科技有限公司4. 李履信，沈建华，光纤通信系统，机械工业出版社5. OptiSystem.exe软件指导教师（签字）： 年 月 日系（教研室）主任（签字）： 年 月 日数字光纤通信设计说明书声音、图像光纤传输系统起止日期： 2014年 05 月 16 日 至 2014年 05 月 22 日学生姓名班级学号成绩指导教师(签字)计算机与通信学院2014年 05 月 22 日课题名称声音、图像光纤传输系统人数3人组长组员内容及任务一、设计的主要技术参数设计一个

4、能进行声音、图像传输的光纤系统，并实现传输二、设计任务1.设计模拟信号输入端口；2.设计模拟信号光发送电路；3.设计模拟信号光接收电路；4.设计模拟信号输出端口；5.设计不同方式对话音信号进行光传输；6.设计一路图像信号的单光纤传输；三、设计工作量1周完成进度安排起止日期工作内容5月19号-5月20号分组、任务分配、课题理解5月21号功能分析、电路设计和实现5月22号实验验证和测试5月23号总结、书写实验报告参考资料1.杨祥林，光纤通信系统，国防工业出版社2.Gerd Kerser, 光纤通信，电子工业出版社3.光纤通信实验指导书，北京百科融创科技有限公司4.李履信，沈建华，光纤通信系统，机械

5、工业出版社5.OptiSystem.exe软件指导教师（签字）： 年 月 日系（教研室）主任（签字）： 年 月 日图像、声音光纤传输系统一、设计原理1、GT-RC-II 型光纤通信实验系统简介：（1）、电源模块：提供实验箱各模块电源。（2）、1310nm光发送模块：实现模拟信号、数字信号在1310nm光发送机中的光传输及自动光功率控制功能（采用电路来实现）。(3) 1550nm光发送模块：实现模拟信号、数字信号在1550nm光发送机中的光传输及自动光功率控制功能（采用专用芯片来实现）。(4) 1310nm光接收模块：实现1310nm光纤传输信号的接收，实现接收信号光电转换，滤波及放大，将其恢复

6、为标准的电脉冲数据信号。 （5）1550nm光接收模块：实现1550nm光纤传输信号的接收，实现接收信号光电转换，滤波及放大，将其恢复为标准的电脉冲数据信号。 实验系统主要由光发模块、光收模块、光无源器件和辅助通信模块等组成。光发端机完成将电信号直接调制至光载波上去，采用强度调制（IM）；光接收机完成光信号的解调，采用直接检测（DD），属于非相干解调。光载波由半导体光源产生，由半导体光检测器将光信号转换成电信号从而达到传输信号的目的。2、模拟光纤通信系统的结构模拟基带直接光强调制(DIM)光纤传输系统由光发射机(光源通常为发光二极管)、光纤线路和光接收机(光检测器)组成，这种系统的方框图如图1

7、所示。图1模拟光纤通信系统由以下五个部分组成:（1） 光发送机：光发送机是实现电/光转换的光端机。它由光源、驱动器和调制器组成。其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。电端机就是常规的电子通信设备。 （2）光收信机：光收信机是实现光/电转换的光端机。 它由光检测器和光放大器组成。其功能是将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，然后，再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端的电端汲去。 （3）光纤或光缆：光纤或光缆构成光的传输通路。其功能是将发信端发出的已调光信号，经过光纤或光缆的远距离传输后，

8、耦合到收信端的光检测器上去，完成传送信息任务。 （4）中继器：中继器由光检测器、光源和判决再生电路组成。它的作用有两个：一个是补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减；另一个是对波形失真的脉冲近行政性。 （5）光纤连接器、耦合器等无源器件：由于光纤或光缆的长度受光纤拉制工艺和光缆施工条件的限制，且光纤的拉制长度也是有限度的（如1Km)。因此一条光纤线路可能存在多根光纤相连接的问题。于是，光纤间的连接、光纤与光端机的连接及耦合，对光纤连接器、耦合器等无源器件的使用是必不可少的。 3光信号发送端的工作原理图3图2系统采用的发光二极管的驱动和调制电路如图2所示，信号调制采用光强度调制的方法，发送光强度调节

9、电位器用以调节流过LED的静态驱动电流，从而相应改变发光二极管的发射光功率，设定的静态驱动电流调节范围为020毫安，对应面板光发送强度驱动显示值02000单位,当驱动电流较小时发光二极管的发射光功率与驱动电流基本上呈线性关系，音频信号经电容、电阻网络及运放跟随隔离后耦合到另一运放的负输入端，与发光二极管的静态驱动电流想迭加使发光二极管发送随音频信号变化的光信号，如图3所示，并经光纤耦合器将这一光信号耦合到传输光纤。可传输信号频率的低端可由电容、电阻网络决定，系统低频响应不大于20Hz。4光信号接收端的工作原理图4图4是光信号接收端的工作原理图，传输光纤把从发送端发出的光信号通过光纤耦合器将光信

10、号耦合到光电转换器件光电二极管，光电二极管把光信号转变为与之成正比的电流信号，光电二极管使用时应反偏压，经运放的电流电压转换把光电流信号转换成与之成正比的电压信号，电压信号中包含的音频信号经电容电阻耦合到音频功率放大器驱动喇叭发声。光电二极管的频响一般较高，系统的高频响应主要取决于运放等的响应频率。5传输光纤的工作原理图5目前用于光通讯的光纤一般采用石英光纤，它是在折射率n2较大的纤芯内部，覆上一层折射率n1较小的包层，光在纤芯与包层的界面上发生全发射而被限制在纤芯内传播，如图5所示，光纤实际上是一种介质波导，光被闭锁在光纤内，只能沿光纤传输，光纤的芯径一般从几微米至几百微米，按照传输光模式可

11、分为多模光纤和单模光纤，按照光纤折射率分布方式不同可以分为折射率阶跃型和折射率渐变型光纤。折射率阶跃型光纤包含两种圆对称的同轴介质，两者都质地均匀，但折射率不同，外一层折射率低于内层折射率。梯度折射率光纤是一种折射率沿光纤横截面渐变的光纤，这样改变折射率的目的是使各种模传播的群速相近，从而减小模色散增加通讯带宽。多模折射率阶跃型光纤由于各模传输的群速度不同而产生模间色散，传输的带宽受到限制。多模折射率渐变型光纤由于其折射率特殊分布使各模传输的群速度一样而增加信号传输的带宽，单模光纤是只传输单种光模式的光纤，单模光纤可传输信号带宽最高，目前长距离光通讯大都采用单模光纤。石英光纤的主要技术指标有衰

12、减特性，数值孔经和色散等。二、设计所需设备示波器、GT-RC-II型光纤通信实验系统，图像信号源、视频监视器三、设计步骤 本实验用到了RC-GT-型光纤通信实验系统本课题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（音频视频信号发生器）、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。其实验框图6：小摄像头共三个接口：红色的是电源接口，黄色的是视频接口，白色的是音频接口。本实验用到了红色、白色和黄色的三个接口。视频信号源 TX模拟信号输入端口光发送模块音频监视器 RX模拟信号

13、输出端口光接收模块音频信号源 TX模拟信号输入端口光发送模块视频监视器 RX模拟信号输出端口光接收模块光纤1310nm光端机部分1550nm光端机部分 图6 图像和音频传输框图图像光纤传输系统的原理如下：小摄像头产生视频信号（模拟信号），经过模拟调制送入1310nm光发端机，经光纤传输后，由1550nm光收端机监测到视频信号并输出到电视机VIDEO接收端。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-p2V的正弦波正常传输，此时视频信号传输效果

14、最佳。音频光纤传输系统的原理如下：小摄像头产生音频信号（模拟信号），经过模拟调制送入光发端机，经光纤传输后，由光收端机监测到音频信号并输出到电视机AUDIO接收端。听光纤传输音频信号的效果以及特点，以了解光纤传输声音信号的特点。在实验过程中声音效果越好也就说明光纤传输模拟信号的性能越好，性能越稳定。在进行光纤传输音频信号之前，先调节正弦波模拟传输，使得Vp-p2V的正弦波正常传输，此时音频信号传输效果最佳。设计步骤如下：（以下实验步骤以 1310nm 光端机部分讲解，即实验箱左边的模块。1550nm 光端机部分与其相同）第一部分：检测模拟传输通道，方法如下：1.关闭系统电源，把光跳线分别连接到

15、 1310 的 TX 和 RX 端。2.将模拟信号源模块的正弦波或三角波、方波连接到光发送模块的模拟信号输入端（P203）。3.把开关 S200 拨到模拟传输端，短接跳线 J200。4.打开系统电源，用示波器在光接受模块的模拟信号输出端口观察输出信号。5.通过电位器 R257（调节直流分量电平）及 R242（增益调节）得到最佳传输的模拟信号。第二部分：传输视频信号，方法如下： 1.关闭系统电源，保持第一步的光路连接不变，用视频专用连接线连接视频信号源的视频输出信号到光发端的模拟信号输入端口P203，用视频专用连接线连接视频监视器的视频输入端到光收端的模拟信号输出端口 P200。2.依次打开监视

16、器、实验箱和视频信号源的电源，观察视频监视器的图像显示，调节电位器 R257 和 R242，直到显示效果到最佳状态。实验连线图如图7：视频信号源 TX模拟信号输入端口光发送模块视频监视器 RX模拟信号输出端口光接收模块光纤图7 实验连线图第三部分：传输声音信号，方法如下：1.参考第一部分的说明，调整 1550nm 光端机的模拟传输通道，使其正常工作。2.关闭所有电源，连接光路部分：用视频专用连接线连接视频信号源的视频输出信号到1310nm光端机的光发端的模拟信号输入端口P203；用视频专用连接线连接视频监视器的视频输入端1310nm 光端机的光收端的模拟信号输出端口 P200。3.用音频专用连

17、接线连接音频信号源的音频频输出信号到1550nm光端机的光发端的模拟信号输入端口P203；用音频专用连接线将扬声器输入端和1550nm 光端机的光收端的模拟信号输出端口 P200相连。这样，视频监视器上接收的为视频信号源的视频输出信号，而扬声器上接收的为音频信号源的音频输出信号。4.本实验用电视机做为视频和音频的监视器，打开电视机、实验箱和摄像头的电源，观察视频监视器的图像显示和声音质量，分别适当调节两个光端机的电位器 R257 和 R242，直到电视机的显示效果和声音质量达到最佳状态。实验连线图如图8：音频信号源 TX模拟信号输入端口光发送模块音频监视器 RX模拟信号输出端口光接收模块光纤图

18、8四、设计过程数据测试和结果分析图9 模拟信号输入端波形 图10 模拟信号输出端波形图11 经过光纤传输前的图像图12经过光纤传输后的图像结果分析：本次课程设计结果是，通过调节电位器R257和R242，在1550nm光端机部分能够得到比较清晰的视频图像。同样，通过调节电位器R257和R242，在1310nm光端机部分能够得到比较清楚的声音信号。五、心得体会经过本次课程设计，受益匪浅。刚开始接到课题时，为了能够圆满完成这次任务，我去图书馆和上网查找了大量的资料，同时也把课本相关的理论知识重新复习了一遍，把课程设计中一些相关的原理基本上弄懂了。由于我们是采取分组，所以我们组里有几个人一起完成。在组长的协调下，我们很顺利就把前面的预备工作做完了。不过接下来就没有那么顺利了，我们也遇到了几个问题。首先是输入波形不是特别清晰，不管怎么调，都没办法解决。后来换了台机器，这个问题就迎刃而解，不过在接受图像时，出现了一些问题，首先是图像比较模糊，后来经过多番思考