光纤实验指导书.docx
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光纤实验指导书
实
验
指
导
书
实验系统概述
实验系统的整体框图如下：
1310nm
光发模块
光纤盘纤区
实验注意事项
光纤盘纤区
电源模块
1310nm
光收模块
1550nm
光发模块
光端FPGA
1550nm
光收模块
数字信号源
及固定速率
时分复用模块
2M接口
模块－
FPGA
程序下载模块
2M接口
模块二
数字信号源
终端及解固
定速率时分
复用模块
电端FPGA
计算机通信
接口模块
一～四
PCM编码模块一
PCM编码模块二
计算机通信
接口模块
五～八
电话甲路
电话控制模块
电话乙路
下面对各个模块进行详细的说明：
一、1310nm光发模块：
完成电信号到光的转换，包括对数字信号和模拟信号的调制。
对数字信号调制的模块中还包括：
自动光功率控制电路、无光检测电路、光器件寿命检测电路等。
各部件功能说明：
P100、P101：
数字信号输入口，输入信号0～5V。
P104、P102：
模拟信号输入口，输入信号-5V～5V。
J101：
模拟信号传输和数字信号传输切换开关。
在电路板上已经标明了模拟信号调制和数字信号调制的切换方式。
J100：
拨码开关第一位是控制数字光调制的通和断，第二位是控制自动光功率控制电流补偿的通和断。
拨码开关拨上为通，拨下为断。
TP100、TP101、TP102：
这三个测试点是用来测量激光器的电流和自动光功率控制的补偿电流，具体的使用方法见实验九。
TP103：
输入数字信号测试点。
TP104：
光检测器经光电转换后电流的大小。
TP105：
输入的数字信号和固定参考电压进行比较后的输出。
TP106：
TP104和TP105的电压经过比较后的输出。
具体的电路见实验八。
RP100：
调节数字信号光调制的调制强度。
RP101：
调节寿命告警电路的门限电压的大小。
RP102：
调节无光告警电路的门限电压的大小。
RP103：
调节自动光功率控制的强度。
RP104：
输入模拟信号衰减，使模拟光调制达到比较理想的效果。
二、1550nm光发模块：
同1310nm光发模块有同样的功能，其中各部件的功能与1310nm光发模块也是对应。
例如，1550nm中的测试点TP200与1310nm中的测试点TP100的功能一样，RP100同RP200的作用一样。
三、1310nm光收模块：
主要完成光电信号的转换，小信号的检测与信号的恢复放大等功能。
包括预放大电路、主放大电路和电平判决电路。
各部件功能说明：
P103、P105：
模拟信号输出口。
P106、P107：
数字信号输出口。
TP108：
模拟信号输出测试点。
TP109：
数字信号输出测试点。
RP106：
调节接收的灵敏度。
RP107：
调节模拟信号失真度。
RP108：
调节电平判决电路的判决电平。
四、1550nm光收模块
同1310nm光收模块有同样的功能，其中各部件的功能与1310nm光收模块也是对应。
例如，1550nm中的测试点P203与1310nm中的测试点P103的功能一样，RP106同RP206的作用一样。
五、数字信号源及固定速率时分复用模块
数字信号源模块作用是产生四路128Kbit/s的NRZ码。
固定速率时分复用模块是将四路数字信号用固定速率时分复用的方式复用成一路NRZ码。
1、各部件功能说明：
U300、U301、U302、U303：
四个十位的光条，其中每个光条的前八位分别代表每一路NRZ码的八位，每个光条的最后两位无效。
光条亮代表”1”，熄代表”0”。
U311、U312、U313、U314：
四个八位的拨码开关，可以改变四路NRZ码的值，拨码开关拨上为”0”，拨下为”1”。
P300、P301、P302、P304：
四路八位的NRZ输出，TTL电平输出。
TP300、TP301、TP302、TP303：
四路NRZ码的观测点。
P738、P739、P740、P741：
固定速率时分复用模块四路数字信号输入口。
TTL电平输入。
P742：
固定速率时分复用模块复用信号输出口。
TTL电平输出。
TP743：
四路NRZ码及复用信号的位时钟观测点。
六、数字信号源终端及解固定速率时分复用模块
解固定速率时分复用模块的作用是将经过固定速率时分复用的一路NRZ码分解成四路NRZ码。
数字信号源终端是将分解后的NRZ码显示在光条上，因为帧同步码不显示，因此只显示了三路NRZ码。
各部件功能说明：
U304、U305、U306：
三个十位的光条，其中每个光条的前八位分别代表每一路NTZ码的八位，每个光条的最后两位无效。
光条亮代表”1”，熄代表”0”。
P745：
解固定速率时分复用模块NRZ码输入口。
TTL电平输入。
P744：
位时钟提取输入口。
TTL电平输入。
TP745：
解固定速率时分复用模块NRZ码输入测试点。
TP744：
位时钟提取NRZ码输入测试点。
TP746：
位时钟提取模块输出的位时钟信号测试点。
七、2M接口模块一和2M接口模块二
2M接口模块主要完成电平变换和电平反变换的功能。
电平变换是将两路NRZ码变换成三阶高密度双极性码（HDB3码）。
电平反变换是将三阶高密度双极性码（HDB3码）变换成两路NRZ码。
各部件功能说明：
P800、P802（P900、P902）：
电平变换的两路NRZ码输入。
TTL电平输入。
P801、P806（P901、P906）：
电平变换后的三阶高密度双极性码（HDB3码）输出。
TP800、TP802（TP900、TP902）：
输入的两路NRZ码观测点。
TP801（TP901）：
输出的三阶高密度双极性码（HDB3码）测试点。
P803、P807（P903、P907）：
电平反变换的三阶高密度双极性码（HDB3码）输入口。
P804、P805（P904、P905）：
电平反变换的两路NRZ输出。
TTL电平输出。
TP803（TP903）：
输入三阶高密度双极性码（HDB3码）测试点。
TP804、TP805（TP904、TP905）：
输出的两路NRZ码观测点。
八、计算机接口模块
计算机接口模块一～四提供了八个计算机RS232接口。
其中DOUT表示计算机输出的数据，DIN表示输入到计算机的数据。
九、PCM编译码模块
此模块采用专用芯片TP3067来实现PCM编译码电路，可同时完成两路信号的编译码工作。
PCM模块可以实现传输两路语音信号。
各部件功能说明：
P500、P512：
模拟信号输入端。
P502、P508：
PCM编码的帧时钟。
P503、P507：
PCM编码后的NRZ码输出。
P506、P509：
PCM译码单元NRZ码输入。
P505、P510：
PCM译码单元位时钟输入。
P504、P511：
PCM译码单元帧时钟。
P501、P513：
PCM译码单元模拟信号输出。
TP500、TP512：
模拟信号观测点。
TP502、TP508：
PCM编码的帧时钟观测点。
TP503、TP507：
PCM编码后的NRZ码观测点。
TP501、TP513：
PCM译码单元模拟信号测试点。
十、电话模块甲、乙
此模块采用专用芯片AM79R70来完成用户接口电路（SLIC）。
其中DOUT是语音信号输出，DIN是语音信号输入。
十一、电话控制模块
电话控制模块完成两路电话摘挂机状态检测，设置两路电话的通话、振铃、忙音、回铃音等状态。
十二、FPGA程序下载模块
程序下载采用一根JTAG下载线同时配置两片FPGA的方式，断电后通过JTAG下载的程序将丢失，FPGA再次上电时由专用配置芯片进行配置，此时FPGA中的程序是原始的程序。
这样，不用担心进行二次开发实验后程序会丢失，且FPGA程序下载次数没有限制，再加上FPGA的容量很大，因此本实验系统很适合进行比较复杂的二次开发实验。
二次开发采用的软件是QuartusII4.0，在附录中将对QuartusII4.0软件的使用方法进行详细的介绍。
各部件功能说明：
J601：
JTAG下载口。
J604：
选择AS下载模式或JTAG下载模式。
拨码开关全拨向上是选择AS下载模式，全拨向下是选择JTAG下载模式。
用户使用时应将拨码开关拨向下方。
十三、电端FPGA
电端FPGA主要完成变速率时分复用、HDB3编码、HDB3译码、解变速率时分复用、位时钟提取、帧同步提取信号等功能。
1、变速率时分复用测试点及接口功能说明：
P600、P601、P602、P603：
变速率时分复用四路数据输入口。
TP600、TP601、TP602、TP603：
变速率时分复用四路数据输入测试点。
TP604：
进行码速调整的位时钟测试点。
P605、P606、P607、P608：
码速调整后的四路数据输出口。
TP605、TP606、TP607、TP608：
码速调整后的四路数据输出测试点。
TP609、TP610、TP611、TP612：
变速率时分复用的四路数据的时隙。
P613：
变速率时分复用位时钟输出。
TP613：
变速率时分复用位时钟测试点。
P614：
变速率时分复用复用输出口。
TP614：
变速率时分复用复用输出测试点。
2、HDB3编码模块测试点及接口功能说明：
P618：
HDB3编码模块NRZ码输入口。
TP618：
HDB3编码模块NRZ码输入测试点。
P616、P617：
HDB3编码模块HDB3码两路信号输出。
TP616、TP617：
HDB3编码模块HDB3码两路信号输出测试点。
TP615：
HDB3编码位时钟测试点。
3、HDB3译码模块测试点及接口功能说明：
P621、P622：
HDB3译码模块两路NRZ码输入口。
TP621、TP622：
HDB3译码模块两路NRZ码输入观测点。
P620：
HDB3译码模块NRZ码输出口。
TP620：
HDB3译码模块NRZ码输出观测点。
TP619：
HDB3译码位时钟时钟测试点。
4、位时钟提取模块（数字锁相环模块）测试点及接口功能说明：
P624：
位时钟提取模块NRZ码输入口。
TP624：
位时钟提取模块NRZ码输入观测点。
P623：
位时钟提取模块位时钟输出口。
TP623：
位时钟提取模块位时钟输出观测点。
5、帧同步信号提取模块测试点及接口功能说明：
P626：
帧同步信号提取模块数据输入。
TP625：
帧同步信号提取模块位时钟观测点。
TP627、TP628、TP629、TP630：
帧同步信号提取模块四路数据的帧同步信号测试点。
6、解复用模块测试点及接口功能说明：
P632：
解复用模块NRZ码输入口。
TP631：
解复用模块位时钟测试点。
P633、P634、P635、P636：
解复用模块四路数据输出口。
TP633、TP634、TP635、TP636：
解复用模块四路数据输出观测点。
十四、光端FPGA
光端FPGA主要完成HDB3编码、HDB3译码、扰码、解扰码、CMI编码、CMI译码、位时钟提取、固定速率时分复用、解固定速率时分复用等功能。
其中固定速率时分复用模块和解固定速率时分复用模块的测试点及接口功能在前面已经介绍。
1、HDB3译码模块测试点及接口功能说明：
P703、P704：
HDB3译码模块两路NRZ码输入口。
TP703、TP704：
HDB3译码模块两路NRZ码输入测试点。
P702：
HDB3译码模块NRZ输出口。
TP702:
HDB3译码模块NRZ输出测试点。
P701：
单独模块实验时外加时钟信号输入口。
TP701：
单独模块实验时外加时钟信号输入测试点。
TP700：
HDB3译码模块位时钟观测点。
2、位时钟提取模块测试点及接口功能说明：
P708：
位时钟提取模块NRZ码输入口。
TP708：
位时钟提取模块NRZ码输入测试点。
P707：
位时钟提取模块位时钟输出口。
TP707：
位时钟提取模块位时钟输出测试点。
P706：
单独模块实验时外加时钟信号输入口。
TP706：
单独模块实验时外加时钟信号输入测试点。
TP705：
位时钟提取模块主时钟测试点。
3、扰码模块测试点及接口功能说明：
P712：
扰码模块NRZ码输入口。
TP712：
扰码模块NRZ码输入测试点。
P711：
扰码模块扰码输出口。
TP711：
扰码模块扰码输出测试点。
P710：
单独模块实验时外加时钟信号输入口。
TP710：
单独模块实验时外加时钟信号输入测试点。
TP709：
扰码模块位时钟测试点。
4、CMI编码模块测试点及接口功能说明：
P716：
CMI编码模块NRZ码输入口。
TP716：
CMI编码模块NRZ码输入测试点。
P715：
CMI编码模块CMI码输出口。
TP715：
CMI编码模块CMI码输出测试点。
P714：
单独模块实验时外加时钟输入口。
TP714：
单独模块实验时外加时钟输入测试点。
TP713：
CMI编码位时钟，编码速率是2048Kbit/s。
5、PN序列产生模块：
P720：
输出7位8Kbit/s的PN序列一。
TP720：
PN序列一的观测点。
P719：
输出PN序列一的位时钟。
TP719：
PN序列一位时钟的观测点。
P718：
输出15位32Kbit/s的PN序列二。
TP718：
PN序列二的观测点。
P717：
输出PN序列二的位时钟。
TP717：
PN序列二位时钟的观测点。
6、CMI译码模块测试点及接口功能说明：
P724：
CMI译码模块CMI码输入口。
TP724：
CMI译码模块CMI码输入观测点。
P723：
CMI译码模块NRZ码输出口。
TP723：
CMI译码模块NRZ码输出观测点。
P722：
单独模块实验时外加时钟输入口。
TP722：
单独模块实验时外加时钟输入测试点。
TP721：
CMI译码模块时钟观测点。
7、位时钟提取模块测试点及接口功能说明：
P728：
位时钟提取模块NRZ码输入口。
TP728：
位时钟提取模块NRZ码输入测试点。
P727：
位时钟提取模块位时钟输出口。
TP727：
位时钟提取模块位时钟输出测试点。
P726：
单独模块实验时外加时钟信号输入口。
TP726：
单独模块实验时外加时钟信号输入测试点。
TP725：
位时钟提取模块主时钟测试点。
8、解扰码模块测试点及接口功能说明：
P732：
解扰码模块扰码输入口。
TP732：
解扰码模块扰码输入测试点。
P731：
解扰码模块NRZ码输出口。
TP731：
解扰码模块NRZ码输出测试点。
P730：
单独模块实验时外加时钟信号输入口。
TP730：
单独模块实验时外加时钟信号输入测试点。
TP729：
扰码模块位时钟测试点。
9、HDB3编码模块测试点及接口功能说明：
P737：
HDB3编码模块NRZ码输入口。
TP737：
HDB3编码模块NRZ码输入测试点。
P736、P735：
HDB3编码模块HDB3码两路信号输出。
TP736、TP735：
HDB3编码模块HDB3码两路信号输出测试点。
P734：
单独模块实验时外加时钟信号输入口。
TP734：
单独模块实验时外加时钟信号输入测试点。
TP733：
HDB3编码位时钟测试点。
实验二光纤活动连接器
一、实验目的
1.了解介绍光纤活动连接器在光纤通信系统中的作用
2.了解光纤的各种性能参数。
二、实验内容
1.介绍光纤活动连接器的特点与作用。
2.介绍光纤活动连接器的分类。
3.测量光纤活动连接器的插入损耗。
三、实验仪器
1.光纤通信实验系统1台。
2.光功率计1台。
3.光纤活动连接器1个。
四、实验原理
光连接器是光纤传输系统中光通路的基础部件，是光纤系统中必不可少的光无源器件。
它能实现系统中设备之间、设备与仪表之间，设备与光纤之间以及光纤与光纤之间的活动连接，以便于系统接续、测试、维护。
目前，光纤通信对活动连接器的基本要求是：
插入损耗小，受周围环境变化的影响小，
易于连接和拆卸，
重复性、互换性好，
可靠性高，价格低廉。
光纤通信使用的光连接器按纤芯插针、插孔的数目不同分有单芯活动连接器和多芯活动连接器两类；单芯活动连接器的基本结构是插针和插孔。
由光纤连接损耗的计算可知，影响损耗的主要外在因素是相互连接的两根光纤的纤芯之间的错位和倾斜，所以在连接器的结构中，要求插针中的纤芯与插孔有很高的同心度，相连的两根插针在插孔中能精确的对准。
按结构不同分有FC型、ST型、SC型、PC型等等。
1.FC型活动连接器
FC型（平面对接型）光连接器。
这种连接器插入损耗小，重复性、互换性和环境可靠性都能满足光纤通信系统的要求，是目前国内广泛使用的类型。
FC型连接器结构采用插头－转接器－插头的螺旋耦合方式。
两插针套管互相对接，对接套管端面抛磨成平面，外套一个弹性对中套筒，使其压紧并且精确对中定位。
FC型光连接器制造中的主要工艺是高精度插针套管和对中套筒的加工。
高精度插针套管有毛细管型、陶瓷整体型和模塑型三种典型结构。
对中套筒是保证插针套管精确对准的定位机构。
FC型单模光纤连接器一般地分螺旋耦合型和卡口耦合型两种。
FC型单模光纤连接器所连接的两根光纤端面是平面对接，端面间的空气气隙会产生菲涅尔反射。
反射光反射到激光器会引起额外的噪声和波形失真，而端面间的多次反射还会引起插入损耗的增加。
2.PC型光纤连接器
PC型（直接接触型）单模光纤连接器。
这种连接器是为克服FC型连接器的缺点而设计的。
它是将插针套管端面抛磨成凸球面，使被连接的两根光纤的端面直接接触。
这样，它的插入损耗小、反射损耗大、性能稳定可靠。
PC型光纤连接器用于高速数字传输系统。
FC型连接器插针套管的端面也可研磨抛光成凸球面，此时称为FC－PC型光纤连接器。
3.SC型光纤连接器
SC型（矩形）光纤连接器。
SC型矩形光纤连接器采用新型的直插式耦合装置，只需轴向插拔，不用旋转，可自锁和开启，装卸方便。
它体积小，不需旋转空间，能满足高密封装的要求。
它的外壳是矩形的，采用模塑工艺，用增强的PBT的内注模玻璃制造。
插针套管是氧化锆整体型，将其端面研磨成凸球面。
插针体尾入口是锥形的，以便光纤插入到套管内。
SC型矩形连接器的装配一般分：
选择套管、光纤处理、光连接器与光纤的连接、套管端面处理等各步骤。
4.ST型光纤连接器
ST型连接器是一种卡口式的连接器，它采用带键的卡口式紧锁机构，确保每次连接均能准确对中。
插针直径为Φ2.5mm，其材料可为陶瓷或金属。
它可在现场安装，也可在工厂预装成光纤组件。
在本实验系统中，ST插座就与半导体发光二极管组装在一起构成光发送组件或与光检测管、放大器等组件组装成光接收组件，组件用双列直插的8针插头向外连接。
电路板上再装上双列直插的8孔插座，使用时把组件的8针插头插入电路板的8针插座内即实现了光纤与光收发组件再与电路板线路的连接。
目前ST型活动连接器的插入损耗典型值为0.3dB，最大值为0.5dB；其后向反射损耗在一般情况下为≤-31dB，但在端面作精细处理后，可≤-40dB。
单模光纤连接器产品，一般地应标明连接器名称、型号、接光纤类型、工作波长、光纤尺寸、光纤根数、首次使用插入损耗、温度范围、耦合方式（螺旋、卡口、插拔式）以及端面处理、装配方式等等。
五、实验注意事项
1.在实验过程中切勿将光纤端面对着人，切勿带电进行光纤的连接。
六、实验步骤
1.关闭实验系统。
按以下方式用连信号连接导线连接：
数字信号源模块
（数字信号输出一）
P300—P100
————→
1310数字光发模块
（数字光发信号输入）
2.用光纤跳线连接1310nm光发模块的光纤活动连接器和光功率计的光纤活动连接器。
3.将1310nm数字光发模块的拨码开关J100第一位拨到ON状态，第二位拨到OFF状态，将1310nm数字光发模块的手调电位器向左旋到最大。
4.打开系统电源。
将数字信号源输第一路的拨码开关U311全拨到“OFF”状态，即输入到1310nm数字光发模块的信号始终为“1”。
5.观察光功率计的读数P1。
6.关闭系统电源。
在光纤跳线和光功率计之间插入一个光纤活动连接器，然后再用光纤跳线连接光纤活动连接器和光功率计。
7.打开系统电源。
观察光功率计的读数P2。
8.关闭系统电源，拆除实验导线，将各实验仪器摆放整齐。
七、实验报告
1.记录实验参数P1、P2。
按公式P=P1-P2，得到光纤活动连接器的插入损耗P。
实验三 光耦合器件
一、实验目的
1.了解光耦合器件各种类型。
2.了解光耦合器件的制造工艺。
3.了解波分复用器与一般的光耦合器件有何不同。
二、实验内容
1.介绍光耦合器的特点与作用。
2.介绍光耦合器的分类。
3.测量波分复用器的光串扰。
三、实验仪器
1.光纤通信实验系统1台。
2.光功率计1台。
3.光纤活动连接器1个。
4.波分复用器2个。
四、实验原理：
光耦合器的功能是把一个或多个光输入分配给多个或一个光输出。
这种器件对光纤线路的影响主要是附加插入损耗，还有一定的反射和串扰噪声。
耦合器大多与波长无关，与波长相关的耦合器专称为波分复用/解复用器。
1.耦合器的类型
如下图示出常用耦合器的类型，它们具有不同的功能和用途。
图（a）Y型耦合器 这是一种3端耦合器，其功能是把一根光纤输入的光信号按一定比列分配给两根光纤，或把两根光纤输入的光信号组合在一起，输入一根光纤。
这种耦合器主要用做不同分路器的功率分配器或功率组合器。
图（b）4端口耦合器 这是一种2×2＝4端耦合器（又称2×2星状耦合器），用来完成光功率在不同端口间的分配。
它可用做定向耦合器或分路器，但不能做合路器。
图（c）星状耦合器 这是一种n×m耦合器，其功能是把n根光纤输入的光功率组合在一起，均匀地分配给m根光纤，m和n不一定相等。
这种耦合器通常用做多端功率分配器。
图（d）波分复用器（也称合波器/分波器）前述光耦合器均只涉及光功率的分配，而波分复用器涉及多个不同波长的信号进行结合（合波器）或分离（分波器）的功能，因而不仅涉及光功率的分配，还涉及不同波长的分配，因而可以看做是一种特殊形式的光耦合器。
2.基本结构
耦合器的结构有许多种类型，其中比较实用和有发展前途的有光纤型、微器件型和波导型。
（1）光纤型 全光纤型耦合器的制造方法有熔锥和研磨法两种类型。
①、熔锥型光纤耦合器。
把两根或多根光纤排列，用熔拉双锥技术制作的各种器件。
这种方法可以构成Y型耦合器、定向耦合器和波分解复用器等。
它是将两根或多根光纤，把涂覆盖层去掉清洗干净后，拧绞成麻花状，然后在加热熔融状态下边加热边向两边拉伸而成，中间部位是哑铃状的双锥体。
它的工作原理是这样的：
在双锥体的前半部，随着光纤逐渐变细，原来在光纤中传播的芯模逐渐变成包层模并向前传播。
在双锥体区光信号已使所有光纤“公有化”了，即发生光耦合。
在双锥体后半部分，随着光纤逐渐变粗，包层模又逐渐转变为模芯，使光功率分配到各个光纤中，这就是多纤星状耦合器的工作原理。
多纤星状耦合器的制造工艺和所选用设备都比较简单，而光纤根数又可任意选定，因此，这种光纤耦合器将会得到极大的发展。
随着光纤通信向深层的发展，光纤耦合器将在光纤用户网以及光纤居域网中得到大规模的应用。
②、研磨型光纤耦合器 研磨型光纤耦合器制作过程是，将两根光纤一边的包层磨掉大部分，剩下很薄的一层，然后将两根光纤经研磨的一侧拼合在一起，中间涂上一层折射率匹配液，于是两根光纤可以通过包层里的消失场发生耦和，得到所需的偶合功率。
通常，为了有较好的耦和效率，要求剩下的包层极薄（几微米）。
由于其耦合原理也是利用消失场耦合，因而其特性和原理类似于上述熔锥型光纤耦合器，但其制造技术不易
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