光纤通信实验指导书

1、光纤通信原理实验教程（第二版）唐修连编著江苏盛泰信通科技发展有限公司光纤通信原理实验教程（第二版）唐修连 编著江苏盛泰信通科技发展有限公司前 言为了配合有关光纤通信系统原理等课程的教学和实验需要，我们研制开发的光纤通信系统原理综合实验箱。共收入了8个实验，如果实验室配备有光纤通信常用的仪表，还可在此基础上开设更复杂的实验7个。与该书配套的光纤通信系统原理综合实验箱，置于一个便携式的实验箱内，该系统的突出优点有：1、该实验箱采用模块化设计，波形测试点多，调节点多，有利于学生动手操作实验。2、系统采用硬件和软件、分列元件和集成器件相结合，有利于对原理的理解。3、该实验箱还可根据实验者自己的设计来控

2、制，组合各模块完成不同的实验项目。 本实验教程由同完成，由于水平有限，书中缺漏难免，欢迎使用者批评指正。编 著 者 2000.11 目 录第一章光纤通信实验系统总体介绍.1第二章光纤通信基础实验.10实验一、光纤通信实验系统信号发生器单元实验.10实验二、中央处理器（CPU）单元实验.15实验三、码型变换（CMI）实验.23实验四、光发送系统实验.29实验五、光接收系统实验.37实验六、PCM话路光传输系统实验.43实验七、变速率数据光传输实验.46实验八、模拟和数字光纤系统综合实验.51第三章光纤通信加强实验.57实验九、数字光发送接口指标测试实验.571、 消光比EXT测试2、平均发送光功

3、率实验十、数字光接收接口指标测试实验.601、灵敏度测试 2、动态范围测试实验十一、PCM话路特性测试实验.62 实验十二、光纤传输特性测量实验.63 1、光纤损耗的插入测试法2、 多模光纤带宽的时域测试法实验十三、光纤无源器件特性测试实验.65 1、光纤活动连接器 2、Y型分路器3、 星型耦合器实验十四、图像光纤传输系统实验. .66实验十五、波分复用（WDM）光纤通信系统实验.67第四章常用光纤通信仪表简介.69 5.1光功率计.69 5.2稳定光源.70 5.3光时域反射仪（OTDR）.74 5.4误码测试仪.75 5.5光纤熔接机.79 5.6PCM终端测试仪.81第五章光纤通信实验原

4、理电路.83第一章 光纤通信实验系统总体介绍一、概述本实验系统根据光纤通信系统原理的主要知识点进行实验，结合电子技术和微处理器技术，针对光纤通信系统的典型应用可进行8项实验或示教，实验内容重点突出，内容丰富，有重点的培养实验者的动手能力。实验系统总方框图如图1所示，它由以下7个部分单元电路组成：1、信号发生器单元2、模拟接口单元3、数字接口单元4、信号处理单元5、中央CPU控制单元6、光发端机单元7、光接收机单元每个单元电路的详细说明将在后面的实验中逐一介绍。图2是实验系统的电原理图。图3是实验系统元件分布图。图1 实验系统总方框图二、光纤传输系统介绍光纤是由高纯度的SiO2（俗称玻璃）制成的

5、良好的通信媒介，其优点是尺寸小、质量轻，其纤芯典型尺寸多模光纤为50m或62.5m，比人的头发丝还小。抗电磁干扰保密性好，节省了大量的金属。最主要的优点有两点，一是损耗小传输距离远，损耗典型值0.1dB/KM，与之对应同轴电缆5dB/KM。二是容量大，目前一根光纤上的容量达320Gbps。光纤通信是以光为载波，以光纤为传输媒介的一种通信方式。光载波的产生是由半导体光源产生的，半导体光源的体积小，常温下连续工作，寿命长，与我们日常生活中熟悉的光源如白炽灯、日光灯、发光二极管（如红色、绿色、黄色等）不同属于红外光源，尤其半导体激光源的特性更好，发光功率大，传送距离远。光源的发光波长应与光纤的三个低

6、损耗窗口对应，它们分别为以0.85m,1.30m,1.55m为中心、1.30m为零色散窗口，1.55m为最低损耗窗口。光纤传输系统的基本框图如图4 所示图4 光纤传输系统方框图由图4 知光纤传输系统包括光发端机，光收端机，光纤组成。光发送机完成将电信号调制到光载波上去，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，直接检测由半导体光检测器将光信号转换成电流信号。光纤由光纤连接器与光发端机和光收端机相连其连接关系由下面图5 所示。图5 光发、收端机与光纤连接器连接示意图在连接过程中不能蛮劲使用，将方向、缺口对准，将插头插入底座然后旋紧

7、，保护套环即可，光纤的弯曲弧度不能太小，以免折断光纤，插头前端为陶瓷芯子易碎切勿弄脏，碰碎。三、光纤通信的优越性1.最小的传输损耗2.极宽的传输带宽3.光缆外形直径很小4.光缆重量很轻5.与常规同轴电缆相比，光缆在安装时更易弯曲6.极不易受电磁场的干扰7.光缆材料更易获得8.最低的泄漏，最高的安全性9.对高温和化学物品的最大承受力四、光纤的类型1.多模光纤多模光纤是允许多于一个模式光波传输的光纤。模式的数目取决于芯径、数值孔径（接收角）、折射率分布特性和波长。2.单模光纤当入射光波长大于截止波长时，光纤将只能传输一个基模的光波。这种只允许一种模式光波的传输的光纤叫做单模光纤。一般芯径小于10m

8、。光纤的类型如图1-5所示。4阶跃多模光纤传输带宽100MHz包层直径50-200m 折射率 光纤芯直径50-200m包层渐变折射率多模光纤传输带宽1000MHz 折射率 光纤芯单模光纤传输带宽10GHz直径5-10m 包层 折射率 光纤芯图6 光纤的类型五、光纤活动连接器的类型及操作注意1光纤通信产品中使用的活动连接器类型一般可分为： FC/PC型 FC/APC型 SC或ST型上述三种类型的光纤活动连接器均可作为光输入/输出端口。2光纤活动连接器操作注意事项： 连接器应放置于清洁场地，不用时应盖好保护帽。 在插拔连接器时，严禁用力拉扯光缆、光纤，应手握端头操作。 插针体和套筒要保持干净，如发

9、现有污物，应用无水乙醇将其清洁干净。 本实验箱中所使用的光纤活动连接器是ST型。3光纤通信产品中使用的活动连接器外形如图7所示。5图 7 活动连接器外形图六、系统实验项目及建议时数安排实验系统在CPU中央控制单元的管理控制下，实验者可根据自己的设计进行8项实验。1、信号源和信号处理实验0.5学时2、中央集中控制单元实验0.5学时3、码型变换实验1学时4、光发送系统实验1学时5、光接收系统实验1学时6、电话光传输系统实验1学时7、可变速率数据光传输系统实验1学时8、综合实验系统实验2学时 第二章 光纤通信基础实验实验一 光纤通信原理实验系统信号发生器实验 一、实验目的1、 熟悉该光纤通信原理实验

10、系统的电路组成。2、熟悉光纤通信系统发送端信号产生的方法。二、实验仪表1、直流稳压电源一台2、 20MHz示波器一台3、 三用表一台三、实验电路工作原理 时钟信号是该光纤实验系统电中的重要主成部分。其方框图与电原理图分别见1-1与图1-2所示。图1-3是伪随机码产生电路。图1-1 信号发生方框图各点波形说明如下：TP101：2.048MHz的方波信号，作为PCM编译码电路的主时钟信号。TP102：1.024MHz的方波信号TP103：128KHz的窄脉冲信号TP104：8KHz的窄脉冲信号，作为PCM编译码电路的帧同步信号和脉冲波产生电路的波形。TP105：2KHz或1KHz的方波信号，作为正

11、弦波产生电路的输入信号。TP107：8KHz或4KHz的方波信号，作为三角波产生电路的输入信号。TP109：64KHz的方波信号。TP110：伪随机码产生电路输出波形，码型为000011101100101。四、实验内容：1、 用示波器测出各测量点波形，并对每一测量点的波形加以分析。2、 分析伪随机码发生器的工作原理并画出输出波形。五、实验报告要求：1、 分析电路的工作原理，叙述其工作过程。 2、根据测试的实验数据，现象与波形。写出分析的结果与实测的是否一致。实验二 CPU中央处理控制单元系统实验一、实验目的 1、了解单片机在光纤通信系统中的应用。2、 了解该单元电路对整个光纤实验系统的管理与控

12、制过程。3、 熟悉键盘操作方法。二、实验仪器 同实验一三、实验电路工作过程 （一）方框图见图2-1所示，它由CPU单元，显示控制接口电路、数字控制接口电路，模拟控制接口电路与键盘输入电路等五个部分组成。图2-2是它的电原理图。图2-3是CPU与输入键盘、显示电路方框图。图2-1 CPU中央处理控制器方框图 从图2-3可看出，共有12个功能键，其中“脉冲波”、“方波”、“CMI”、“PN”、“数字电话”、“PCM” 键为数字键盘。在做数字信号光传输实验时，用此6个功能健，若再做数字信号与模拟信号的光传输实验时，则再加上“三角波”、“正弦波”、“外输入”、“模拟电话”4个模拟信号功能键。具体操作为

13、：若做数字电话光传输实验时，则按下“数字电话”键后，再按一下“确认”键，这时，CPU接通与数字电话有关的模拟电路、数字电路、光发系统与光收系统等单元电路。实验结束后，再按一下“复位”键，使系统重新工作。图2-4是各种传输方式的实验功能的实验方框图。四、实验内容与要求： 1、熟悉键盘使用的方法和分析CPU中央集中控制处理器单元电路的工作过程。2、用示波器测出测量点TP1、TP2的波形，并对测量点的波形加以分析。4、 用万用表测量直流电压值，其测量点为TP3、TP4、TP5、TP6，并做记录。五、实验报告要求：5、 分析电路的工作原理，叙述其工作过程。 2、根据测试的实验数据，现象与波形。写出分析

14、的结果与实测的是否一致。实验三 码型变换实验一、实验目的1、 了解光纤通信采用的线路码型2、 掌握CMI码的特点3、 了解CMI的编解码实现方法 二、预习要求1、 阅读光纤通信系统原理的线路码型章节2、 熟习相关电路的芯片功能。三、实验电路工作原理1、 电路组成CMI码即为传号翻转码，“1”交替地用“00”和“11”表示，而“0”则固定用“01”表示，因此1bit变为2bit，故属于二电平的NRZ的1B2B码型，这种码的特点是有一定的纠错能力，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31 为CMI码与NRZ的关系 a、编码电路编码电路接收来自信号源的单极性非归零码（NRZ）码，

15、并把这种码型变换为CMI码送至光发送单元，其框图如图3-2所示，图33是它的电原理图。单极性码输入本单元后首先用CLK同步，例如输入若是传号，则翻转输出，若是空号，则打开门开关，使时钟的反送输出，本实验电路的伪随机码为15位的PN码，其输入的信码序列如图34所示。由图33分析可得出，该电路的各测量点的波形如图35所示。b、CMI解码解码采用如下思想：当时钟和信码对齐时，如果输入的是“11”或“00”则输出为“1”，如果输入为“10”或“01”，则输出为“0”，图36是它的解码电原理图，图37是解码电路的各点波形图。 五、实验内容 1、用CLK时钟送入NRZ码到CMI编码，分析电路，测出各点的波

16、形。3、 比较CLK时钟、NRZ码，CMI码六、思考题 1、光纤能否传HDB3码？ 2、重新设计一种CMI编解码方案 实验四 光发送系统实验一、实验目的1、 了解光源的发光持性2、 掌握光发送所完成的电光变换原理3、 了解模拟光发送和数字光发送的区别二、预习要求 1、阅读光纤通信系统原理有关光源和光发送的章节2、预习相关仪表光功率计的使用三、实验电路工作原理 1、电路的组成半导体光源由于体积小，寿命长，工作可靠被广泛应用于光纤通信，其工作原理属于注入电流发光，所以光发送电路必须提供出适当的电流，同时由于其工作时动态阻值小的特点，应尽量提高电光的转换效率，下面分发送的是模拟信号和数字信号, 分别

17、阐述其电路组成。a、数字电路信号处理单元产生的数字信号送入数字接口电路，数字接口电路输出互为反相的两路信号，其电平为ECL电平，送入差分电路转换成电流注入到半导体发光二极管模块。图4-1是它的光发送机框图。 图4-2是数字信号光传输的开关电路，选用集成电路74LS151，它的控制输入由CPU中央控制处理单元控制，通过软件编程实现其工作模式。从图中可看出，有脉冲波信号、方波信号、CMI码、PN码、PCM码和数字电话等。其测量点为TP401。 b、模拟电路*信号处理单元产生的模拟信号送入模拟光发送驱动电路，图4-3是它的模拟光发送机框图。图4-4是模拟信号光传输的开关电路，选用集成电路4066作为

18、它的模拟信号输入开关，它的控制输入由CPU中央控制处理单元控制，通过软件编程实现其工作模式。从图中可看出，有正弦波信号、三角波信号、外输入信号、模拟电话等。其测量点为TP404。图4-4 模拟信号光传输的开关电路与输出波形c、光发送模块（1）工作参数HFBR-1312T，HFBR-1412T均为高性能的半导体通信光源，其接口电平为TTL或ECL，工作波长为8500nm和1300nm，其具体参数如表4-1所示。表4-1参数符号最小值最大值单位测试条件前向电压VF 1.1 1.7VIF=75mA前向电压温度系数VF/T-1.1-1.7mV/IF=75-100/mA中心波长 C12701370Nm半

19、幅全宽FWHM130185Nm结电容CT1616PFf=1MHz光功率温度系数PF/T-0.03-0.03dB/IF=75-100mA热阻QJA260260/W （2）内部电路 HFBR-1312T或HFBR-1412T的内部电路如图4-5所示。 （3）光功率与注入电流的曲线 光功率与注入电流的曲线的关系见表4-2所示。 相 对 光 功 率 （4）模块的几何尺寸及管脚分布 它们的几何尺寸及管脚分布如图4-6所示。（5）注意事项光发模块有保护套按图4-7所示，逆时针旋松并拉出，注意旋转方向，并保管好保护套，在实验做完后立即重新套上。 2、实验电路实验电路如图4-8所示，图中MC10116和BG4

20、01、BG402组成数字驱动电流。BG403、BG404组成模拟驱动。MC10116为数字接口电路送出ECL电平的双路信号Q和Q，BG401，BG402组成差分高速驱动电路。W402为可调电位器，阻值为10K（103），以适应不同的输入阻抗。一般调好后不动，W401，W403电位器的联合调整以控制注入半导体光源的电流，同时以满足低输出阻抗，调试时要用示波器边调边观测，监测其注入电流的大小。PA401为自锁开关，若做数字信号光传输实验时，将自锁开关按下表示接通；若做模拟信号光传输实验时，将自锁开关抬起表示断开。 数字信号光传输实验时，其测量点为TP401、TP402、TP403。 模拟信号光传输

21、实验时，其测量点为TP404、TP405、TP406。四、实验说明TP401为数字脉冲信号输入到光发端机的测试点，可为数字信号PCM码、PN码、CMI码。TP402为驱动半导体光源的数字信号。TP404为模拟信号输入到光发端机的测试点，可为方波、三角波、正弦波、模拟话。TP405为驱动半导体光源的模拟信号。TP402、TP405由自锁开关PA401切换后送半导体LD。在实验中要用示波器测TP402信号的幅度（峰峰），用万用表测电阻R405、R406、R400的阻抗，代入相应的公式估算数字驱动电流，调节电位器W401、W403使得送入LD的信号失真小幅度尽可能大，并确定驱动电流大小，并打开光纤跳

22、线的保护套用光功率计测其对应的光功率，慢慢调节W403并依次测量对应的光功率，再以横坐标（电流）、纵座标（光功率）描绘出相应的曲线，然后依据测试的曲线算出相应的调制度。五、实验项目1、 用示波器观察数字信号光传输的各点波形。 2、用示波器观察模拟信号光传输的各点波形*。 3、测量并计算出半导体光源的驱动电流。 4、采用光功率计测出光源的光纤功率，多测几点画出输出功率和注入电流的关系曲线。 5、在绘出的曲线上求出光源的调制度。 6、用示波器观察光源的非线性失真。六、注意事项 1、HFBR-1312T和HFBR-2316T为数字信号和模拟信号混合传输的光发端机模块和光收端机模块。HFBR-1412

23、T和HFBR-2416T为数字信号的光传输的光发端模块和光收端机模块。因此，若选择后者光端机，则上述实验项目2不能做。 2、由于光源属易损昂贵器件，认真算出最佳注入电流然后在此附近改变注入电流，否则烧坏器件。 3、光纤跳线及光源的ST插度属易损件应轻拿轻放，切忌使用大力气。 4、本次实验所需仪表：20MHz示波器一台、三用表一台、光功率计一台。七、思考题1、 注入电流为何不能太大或太小。2、 注入电流和功率曲线说明什么。3、 数、模电路的区别。 实验五 光接收系统实验一、实验目的1、 了解光检测器的光电变换原理2、 掌握光接收电路的功能3、 掌握光接收机的动态范围的概念二、预习要求1、 阅读光

24、纤通信系统原理有关光检测器和光接收机部分2、 熟习相关仪表及器件三、实验电路工作原理 光接收电路主要完成光电信号的转换，小信号的检测与信号的恢复等功能。1、电路分析 a、电路框图 光接收电路框图如图5-1所示。b、光检测模块 （1）、工作参数 HFBR-2316T和HFBR-2416T均为高性能的光检测模块，其输出为微弱的模拟信号，必须进行低噪声放大，才能送到后续电路进行处理。其具体参数见表5-1所示。表5-1参数符号典型值单位测试条件响应度RP13mv/wp=1300nm 50MHz均方输出噪声VNO0.4MV/RMSPR=0W 100MHz峰值输入功率PR-11.0dBm输出阻抗RO30欧

25、姆输出电压VODC1.8V工作电流ICC9mA （2）、内部电路 光收端机HFBR-2316T和HFBR-2416T的内部电路如图5-2所示 （3）、管脚分布与几何尺寸 （4）、注意事项光收模块也有保护套，见图5-4所示，按逆时针旋松并拉出，注意旋转方向并保管好，在实验完成后立即重新套上。 2、实验电路光接收模块的实验电路如图5-5所示。图中GD701为光收模块，选用HFBR-2316T或HFBR-2416T。BG701为隔离器，选用三极管9013，U701为主放大器，选用集成电路MAX435，可控AGC。W701、W702为可变电位器，可调节放大倍数。其波形测量点有TP701、TP702、T

26、P703、TP704、TP705为接收伪随机码输出，TP706为接收数字电话输出。其中K702为接收信号跳线选择方式开关。四、实验测试说明（眼图的测量与误码的测试） （1）、眼图的测量TP701为2416T或2316T接收模块的输出，用示波器测量电压的幅度，同时将光纤从模块的ST中慢慢拔出（注意动作要轻），观察示波器的电压幅度的变化。TP705为接收机的输出，可与TP701的测试结果比较计算接收的放大倍数，同时将时钟输入示波器的通道1（CHA）、TP705的输出接示波器的通道2（CHB），调整示波器使之触发同步，若输入端输入为PN码，则示波器上应观察到眼图（CHB），调节电位器W702，改变输

27、入PN码的速率，再观察眼图的张开度及形状的变化；（2）、误码的测量若TP705的输出接误码测试仪，此时可观察误码。若将长纤长度加长直至出现误码，则光纤的长度为收发之间的最大传输距离，这时再测量出光纤输出的光功率，则为接收机的灵敏度（这些都是实验室的估测）。五、实验项目1、 光检侧器的偏置电压2、 光接收机的眼图3、 光接收机的动态范围4、 光接收机的灵敏度5、 光接收机的误码测试六、思考题1、 比较数据速率为100Kbps和2Mbps时的眼图2、 设计动态范围的测试方法3、 设计灵敏度的测试方法 实验六 电话光纤传输系统实验一、实验目的1、 了解话音信号的PCM编解码的原理2、 掌握电话通信经

28、过光纤信道的全过程3、 了解话音质量的高低与系统的哪些指标有关二、预习要求 1、阅读光纤通信系统原理有关系统设计的章节和数字通信原理有关话音编码的章节。2、熟习PCM编解码芯片三、实现电路工作原理电话光传输系统完成甲乙双方的电话通信过程 1、工作原理话音信号经过PCM编码后送入光发送端机，经光纤信道传输再由光接收端机完成光电转换和信号恢复，再送到PCM解码电路恢复成原始话音信号，框图如图6-1所示，： 2、实验电路 实验电路如图6-2所示，从图中可看出，用户模块为U201、U301，其型号为SJ0612，PCM编译码电路选用集成电路TP3067，标号为U202、U302，电话机从A201、A3

29、01接入，摘机时发光二极管D201、D301亮，挂机时不亮。测量点TP201、TP301为语音信号的模拟输出。 TP202、TP302为8KHz帧同步信号。 TP203、TP303为PCM编码的数字信号输出。 TP204、TP304为PCM译码的数字信号输入。 TP205、TP305为语音信号的模拟输入。四、实验项目1、 PCM编解码。2、 话音质量的评估。3、 观察原始话音信号，PCM信号光线路传输信号。五、思考题1、 设计原始话音信号的基带直传方案。2、 比较基带直传方案与PCM编码方案的话音质量。实验七 变速率数据传输系统实验一、实验目的1、 了解数字光纤通信系统的原理。2、 掌握NRZ、RZ码对接收时钟的影响3、 观察变速率数据情况下，接收端的眼图并分析原因二、预习要求1、 阅读光纤通信系统原理和有关系统设计章节2、 熟习常用的数字接口码型及数字接口电路三、实验电路工作原理 1、工作原理主要完成各种数据速率的光纤传输，其框图为7-1：四、测试点说明 （1）、数字光传输时，自锁开关PA401应抬起。TP401可根据输入的PN码、CMI码、PCM码等情况，逐一分别测量波形。TP402为送入光纤的数字波形与TP40