实验三 光波测试实验.docx

实验三 光波测试实验.docx

《实验三 光波测试实验.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《实验三 光波测试实验.docx（21页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

实验三光波测试实验

光波测试实验

一实验背景

光的本质是电磁波，它被广泛应用于数码、通信、保健等各个领域。

其中，光在通信领域发挥了巨大作用，光通信得到了快速发展。

光纤通信技术从光通信中脱颖而出，已成为现代通信的主要支柱之一，在现代电信网中起着举足轻重的作用。

光纤通信是利用光波作载波，以光纤作为传输媒质将信息从一处传至另一处的通信方式，被称之为“有线”光通信。

光纤是光在传输过程中必不可少的通道。

当今，光纤以其传输频带宽、抗干扰性高和信号衰减小，而远优于电缆、微波通信的传输，已成为世界通信中主要传输方式。

二实验仪器

1、光纤实验系统结构简介

光纤实验系统可分为电端机模块、光通信模块、管理控制模块、电源供给模块等四大功能模块，

每个功能模块又是由许多子模块组成。

其结构框图如下所示：

图1系统结构框图

2、配套仪器

双踪示波器、单模尾纤、多种接口标准的光跳线、波分复用器等。

3、使用注意点

1）进行铆孔连接时，务必注意铆孔标注的箭头方向：

指向铆孔，说明此铆孔为信号输入孔；背离铆孔，说明此铆孔为信号输出孔。

2）进行铆孔连接时，连接线接头插入铆孔后，轻轻旋转一个小角度，接头将和铆孔锁死；拔出时，回转一个小角度即可轻松拔出，切勿使用莽力，以免插头针断在铆孔中。

3）光器件连接：

在摘掉光接口保护套前，请确保实验台板面清洁，注意收集好接口保护套；光接头连接时，请预先了解接头的结构，手持接头金属部分，按接口的轴线方向轻插轻拔，防止损坏纤芯；

4）若不作特殊说明，本实验平台输出的串行数字序列，低位在前，高位在后。

在示波器上观测到的波形即低位在窗口的左端，高位在窗口的右端。

三实验内容与结果

实验1：

电光、光电转换传输实验

1、实验目的

1）了解本实验系统的基本组成结构；

2）初步了解完整光通信的基本组成结构；

3）掌握光通信的通信原理。

2、实验仪器

光纤通信实验箱，20M双踪示波器，FC-FC单模尾纤1根，信号连接线2根。

3、实验原理

本实验系统主要由两大部分组成：

电端机部分、光信道部分。

电端机又分为电信号发射和电信号接收两子部分，光信道又可分为光发射端机、光纤、光接收端机三个子部分。

实验系统基本组成结构如下图所示：

图2实验系统基本组成结构

电发射部分可以是M序列，可以是各种线路编码（CMI、5B6B、5B1P等），也可以是语音编码信号或者视频信号等；光信道可以是1550nmLD+单模光纤组成，可以是1310nm激光/探测器组成，也可以是850nmLED+多模光纤（选配）组成。

本实验系统中提供的1550nmLD光端机是一体化结构，其结构示意图如下：

图3一体化数字光端机结构示意图

光端机包括光发射端机TX（集成了调制电路、自动功率控制电路、激光管、自动温度控制等），光接收端机RX（集成了光检测器、放大器、均衡和再生电路）。

其数字电信号的输入输出口，都由铜铆孔开放出来，可自行连接。

4、实验步骤

1）关闭系统电源，将光跳线分别连接TX1550、RX1550两法兰接口（选择工作波长为1550nm的光信道），注意收集好器件的防尘帽。

2）打开系统电源，液晶菜单选择“码型变换实验—CMI码PN”。

确认，即在P101铆孔输出32KHZ的15位m序列。

3）示波器测试P101铆孔波形，确认有相应的波形输出。

4）用信号连接线连接P101、P203两铆孔，示波器A通道测试TX1550测试点，确认有相应的波形输出，调节W205即改变送入光发端机信号（TX1550）幅度，最大不超过5V。

即将m序列电信号送入1550nm光发端机，并转换成光信号从TX1550法兰接口输出。

5）示波器B通道测试光收端机输出电信号的P204试点，看是否有与TX1550测试点一样或类似的信号波形。

6）按“返回”键，选择“码型变换实验—CMI码设置”并确认。

改变SW101拨码器设置（往上为1，往下为0），以同样的方法测试，验证P204和TX1550测试点波形是否跟着变化。

7）轻轻拧下TX1550或RX1550法兰接口的光跳线，观测P204测试点的示波器B通道是否还有信号波形？

重新接好，此时是否出现信号波形。

8）以上实验都是在同一台实验箱上自环测试，如果要求两实验箱间进行双工通信，如何设计连接关系，设计出实验方案，并进行实验。

9）关闭系统电源，拆除各光器件并套好防尘帽。

5、实验结果及分析

1）P101铆孔输出的波形如下图所示：

2）P204和TX1550测试点输出的波形如下图所示：

明显可以看出，P204和TX1550测试点输出的波形完全相同，并且与P101铆孔输出的波形是一样的。

调节W205即改变送入光发端机信号（TX1550）幅度，发现TX1550测试点输出的波形幅度发生了变化，但P204测试点输出的波形幅度始终保持不变。

这是因为实验装置的发射段会自动调节增益，使得输出的信号幅度保持不变。

3）改变SW101拨码器设置，P204和TX1550测试点输出的波形如下图所示：

P204和TX1550测试点波形会跟着SW101拨码器设的改变而变化。

如上图所示，当拨码器设置为01100001时，观察示波器上一个周期的波形，从右往左看也是01100001。

之所以示波器要从右往左看，是因为实验平台输出的串行数字序列低位在前、高位在后，在示波器上观测到的波形即低位在窗口的左端，高位在窗口的右端。

4）轻轻拧下TX1550或RX1550法兰接口的光跳线，P204和TX1550测试点输出的波形如下图所示：

TX1550测试点输出的波形正常，而P204测试点没有信号波形输出。

这是因为光发射端的信号仍然存在，所以TX1550测试点输出的波形正常；但光传输的通道——光纤被切断了，所以光接收端接收不到信号，导致P204测试点没有信号波形输出。

实验2：

波分复用器的性能指标测量

1、实验目的

1）了解光波分复用器的指标要求；

2）掌握光波分复用器的测试方法；

3）了解光波分复用器的用途。

2、实验仪器

光纤通信实验箱，20M双踪示波器 ，光功率计（FC-FC单模尾纤），光波分复用器（中心波长1310/1550）1对，活动连接器 1个，信号连接线 2根。

3、实验原理

1）光波分复用器

光波分复用器又称为光合波/分波器。

光波分复用器是为适应光波波分复用技术的需要研制出来的，使用光波分复用器的主要目的是提高光纤传输线路的传输容量。

波分复用是指一条光纤中同时传输具有不同波长的几个光载波，而每个光载波又各自载荷一群数字信号，因此波分复用又称多群复用。

波分复用通信的原理图如下所示：

图4波分复用通信原理图

具有不同波长、各自载有信息信号的若干个载波经由通道CH1、CH2、……CHn等进入合波器，被耦合到同一条光纤中去，再经过此条光纤长距离传输，到终端进入分波器，由其按波长将各载波分离，分别进入各自通道CH1、CH2、……CHn，并分别解调，从而使各自载荷的信息重现。

同样过程可沿与上述相反的方向进行，如图中的虚线所示，这样的复用称为双向复用。

显然，双向复用的复用量将增大一倍，如一个通道传输的信息量为B，单向复用传输的则为NB，双向复用传输的则为2NB。

从上面分析不难看出，复用通信系统中关键的部件是合波、分波器，由于分波器与合波器在原理上是相同的，因此可统称波分复用器。

光波分复用器的主要技术性能指标有工作波长、插入损耗、波长隔离度、温度范围、热稳定性、偏振稳定性、回波损耗和最大功率等。

本实验系统提供了1310nm、1550nm两个工作波长光源，所以配置波分复用器也必须是这两个工作波长。

如下所示为波分复用器的常用连接示意图：

图5波分复用器常用连接示意图

a点1310nm光波与b点1550nm光波经合波器复用到达c点，即1310nm+1550nm光波；c点复用光波经分波器后，又分为d点1310nm光波和e点1550nm光波。

理想情况下，d点应是与a点完全一样的1310nm光波，e点应是与b点完全一样的1550nm光波。

由于插入损耗等性能指标并不十分理想，d点和e点输出的光波的功率与输入的a点，b点的参数会有差异。

下面将对插入损耗和隔离度等指标进行测量。

2）插入损耗和波长隔离度的测量

如图5所示，c点的1310nm光功率与a点的1310nm光功率的差值为光波分复用器对1310nm光传输的插入损耗，c点的1550nm光功率与b点的1550nm光功率的差值为光波分复用器对1550nm光传输的插入损耗。

但由于便携式光功率计不能滤除1310nm光只测1550nm的光功率，同时也不能滤除1550nm光只测1310nm的光功率。

所以我们改用下面方法进行插入损耗测量，也可以同时

对其隔离度指标进行测量。

如图所示：

图6波分复用器测量连接示意图

（1）测量1310nm的插入损耗和波长隔离度

首先测出1310nm光源的输出光功率，记为Pa；紧接着将波分复用器的c点接1310nm光源a点，用光功率计测出波分复用器的输出d、e两点功率，分别记为Pd、Pe。

代入下面公式得出对应的插入损耗和隔离度。

插入损耗：

（dB）

隔离度：

（dB）

（2）测量1550nm的插入损耗和波长隔离度

首先测出1550nm光源的输出光功率，记为Pb；紧接着将波分复用器的c点接1550nm光源b点，用光功率计测出波分复用器的输出e、d两点功率，分别记为Pe、Pd。

代入下面公式得出对应的插入损耗和隔离度。

插入损耗：

（dB）

隔离度：

（dB）

4、实验步骤

由于实验当天没有光功率计，无法测量输入、输出光功率，因此我们考虑用示波器测量输入、输出信号的幅值来替代。

根据幅值与功率的比例关系，同样可以计算出插入损耗和隔离度。

然而，正如我们在实验一中发现的，实验装置的发射段会自动调节增益，使得输出的信号幅度在一定范围内保持不变，所以用幅值之比计算插入损耗和隔离度的想法是不可行的。

我们只能观察到波分复用器有隔离现象。

我们可以用来两种方法显示波分复用器的隔离性。

1）方法一显示1310nm的波长隔离性

（1）关闭系统电源，按照下图将1310nm光发射端机的TX1310法兰接口、FC-FC单模尾纤、光波分复用器、RX1310法兰接口、RX1550法兰接口连接好，注意收集好器件的防尘帽。

（2）打开系统电源，液晶菜单选择“光纤测量实验—平均光发功率”，确认。

即在P103铆孔输出1KHZ的31位m序列。

（3）示波器测试P103铆孔波形，确认有相应的波形输出。

（4）用信号连接线连接P103、P201两铆孔，示波器A通道测试TX1310测试点，确认有相应的波形输出。

即将1KHZ的31位m序列电信号送入1310nm光发端机，并转换成光信号从TX1310法兰接口输出。

（5）用示波器B通道测试RX1310测试点，观察是否有波形输出。

（6）再用示波器B通道测试RX1550测试点，观察是否有波形输出。

（7）关闭系统电源，拆除各光器件并套好防尘帽。

2）方法一显示1550nm的波长隔离性

（1）关闭系统电源，按照下图将1550nm光发射端机的TX1550法兰接口、FC-FC单模尾纤、光波分复用器、RX1310法兰接口、RX1550法兰接口连接好，注意收集好器件的防尘帽。

（2）打开系统电源，液晶菜单选择“光纤测量实验—平均光发功率”，确认。

即在P103铆孔输出1KHZ的31位m序列。

（3）示波器测试P103铆孔波形，确认有相应的波形输出。

（4）用信号连接线连接P103、P203两铆孔，示波器A通道测试TX1220测试点，确认有相应的波形输出。

即将1KHZ的31位m序列电信号送入1550nm光发端机，并转换成光信号从TX1550法兰接口输出。

（5）用示波器B通道测试RX1310测试点，观察是否有波形输出。

（6）再用示波器B通道测试RX1550测试点，观察是否有波形输出。

（7）关闭系统电源，拆除各光器件并套好防尘帽。

3）方法二显示1310nm的波长隔离性

（1）关闭系统电源，按照下图将1310nm光发射端机接到光波分复用器的TX1550法兰接口、再将光波分复用器接到1310nm光接收端，注意收集好器件的防尘帽。

RX1310

（2）打开系统电源，液晶菜单选择“光纤测量实验—平均光发功率”，确认。

（3）用信号连接线连接P103、P201两铆孔，示波器A通道测试TX1310测试点，确认有相应的波形输出。

（4）用示波器B通道测试RX1310测试点，观察是否有波形输出。

（5）关闭系统电源，拆除各光器件并套好防尘帽。

4）方法二显示1550nm的波长隔离性

（1）关闭系统电源，按照下图将1550nm光发射端机接到光波分复用器的TX1310法兰接口、再将光波分复用器接到1310nm光接收端，注意收集好器件的防尘帽。

RX1550

（2）打开系统电源，液晶菜单选择“光纤测量实验—平均光发功率”，确认。

（3）用信号连接线连接P103、P203两铆孔，示波器A通道测试TX1550测试点，确认有相应的波形输出。

（4）用示波器B通道测试RX1550测试点，观察是否有波形输出。

（5）关闭系统电源，拆除各光器件并套好防尘帽。

5、实验结果及分析

1）方法一显示1310nm的波长隔离性：

用示波器B通道分别测试RX1310、RX1550测试点，结果如下图所示：

图（a）RX1310图（b）RX1550

明显可以看出，当波分复用器的TX1310端输入1310nm的光波时，RX1310端的输出波形与输入波形一样，而RX1550端没有输出波形。

由此可以说明1310nm的波长隔离性。

2）方法一显示1550nm的波长隔离性：

用示波器B通道分别测试RX1310、RX1550测试点，结果如下图所示：

图（a）RX1550图（b）RX1310

明显可以看出，当波分复用器的TX1550端输入1550nm的光波时，RX1550端的输出波形与输入波形一样，而RX1310端没有输出波形。

由此可以说明1550nm的波长隔离性。

3）方法二显示1310nm的波长隔离性：

用示波器B通道测试RX1310测试点，结果如下图所示：

明显可以看出，当波分复用器的TX1550端输入1310nm的光波时，RX1310端没有输出波形。

由此可以说明1310nm的波长隔离性。

4）方法二显示1550nm的波长隔离性：

用示波器B通道测试RX1550测试点，结果如下图所示：

明显可以看出，当波分复用器的TX1310端输入1550nm的光波时，RX1550端没有输出波形。

由此可以说明1550nm的波长隔离性。

实验3：

光纤信道眼图观察

1、实验目的

1）了解眼图产生原理。

2）用示波器观测扰码的光纤信道眼图。

2、实验仪器

光纤通信实验箱，20M双踪示波器，FC-FC单模光跳线，信号连接线3根。

3、实验原理

1）实验的组成结构

本实验系统主要由两大部分组成：

电端机部分、光信道部分。

电端机又分为电信号发射和电信号接收两子部分，光信道又可分为光发射端机、光纤、光接收端机三个子部分。

在本实验中，涉及的电发射部分有两个功能模块：

8位的自编数据功能和扰码功能。

涉及的电接收部分就是收端均衡滤波器电路、时钟提取、再生、相应的解扰功能。

眼图观测的实验结构如下图所示：

图7CMI码光纤通信基本组成结构

在整个通信系统中，通常利用眼图方法估计和改善传输系统性能。

我们知道，在实际的通信系统中，数字信号经过非理想的传输系统必定要产生畸变，也会引入噪声和干扰，也就是说，总是在不同程度上存在码间串扰。

在码间串扰和噪声同时存在情况下，系统性能很难进行定量的分析，常常甚至得不到近似结果。

为了便于评价实际系统的性能，常用观察眼图进行分析。

2）眼图

眼图可以直观地估价系统的码间干扰和噪声的影响，是一种常用的测试手段。

所谓“眼图”，就是由解调后经过接收滤波器输出的基带信号，以码元同步时钟作为同步信号在示波器屏幕上显示的波形。

干扰和失真所产生的传输畸变，可以在眼图上清楚地显示出来。

图8无失真及有失真时的波形及眼图

（a）无码间串扰时波形；无码间串扰眼图

（b）有码间串扰时波形；有码间串扰眼图

图8中画出两个无噪声的波形和相应的“眼图”，一个无失真，另一个有失真（码间串扰）。

由图8可以看出，眼图是由虚线分段的接收码元波形叠加组成的。

眼图中央的垂直线表示取样时刻。

当波形没有失真时，眼图是一只“完全张开”的眼睛。

在取样时刻，所有可能的取样值仅有两个：

+1或-1。

当波形有失真时，在取样时刻信号取值分布在小于+1或大于-1附近，“眼睛”部分闭合。

这样，保证正确判决所容许的噪声电平就减小了。

换言之，在随机噪声的功率给定时，将使误码率增加。

“眼睛”张开的大小就表明失真的严重程度。

3）眼图的性质

为便于说明眼图和系统性能的关系，我们将它简化成图9的形状：

图9眼图的重要性质

由此图可以看出：

（1）最佳取样时刻应选择在眼睛张开最大的时刻；

（2）眼睛闭合的速率，即眼图斜边的斜率，表示系统对定时误差灵敏的程度，斜边愈陡，对定位误差愈敏感；（3）在取样时刻上，阴影区的垂直宽度表示最大信号失真量；（4）在取样时刻上，上下两阴影区的间隔垂直距离之半是最小噪声容限，噪声瞬时值超过它就有可能发生错误判决；（5）阴影区与横轴相交的区间表示零点位置变动范围，它对于从信号平均零点位置提取定时信息的解调器有重要影响。

实验室理想状态下的眼图如图10所示：

图10实验室理想状态下的眼图

4）眼图的参数

衡量眼图质量的几个重要参数有：

（1）眼图开启度（U-2ΔU）/U

指在最佳抽样点处眼图幅度“张开”的程度。

无畸变眼图的开启度应为100%。

其中U=U++U-

（2）“眼皮”厚度2ΔU/U

指在最佳抽样点处眼图幅度的闭合部分与最大幅度之比，无畸变眼图的“眼皮”厚度应等于0。

（3）交叉点发散度ΔT/T

指眼图过零点交叉线的发散程度，无畸变眼图的交叉点发散度应为0。

（4）正负极性不对称度

指在最佳抽样点处眼图正、负幅度的不对称程度。

无畸变眼图的极性不对称度应为0。

最后，还需要指出的是：

由于噪声瞬时电平的影响无法在眼图中得到完整的反映，因此，即使在示波器上显示的眼图是张开的，也不能完全保证判决全部正确。

不过，原则上总是眼睛张开得越大，误判越小。

4、实验步骤

1）关闭系统电源，按照图7将1310nm光发射端机的TX1310法兰接口、FC-FC单模尾纤、1310nm光接收端机的RX1310法兰接口连接好。

注意收集好器件的防尘帽。

2）打开系统电源，在液晶菜单选择“码型变换实验-扰码PN”的子菜单，确认；P101测试点观测菜单选择的基带数据序列。

3）用信号连接线连接P103、P201两铆孔，示波器A通道测试TX1310测试点，确认有相应的波形输出，调节W201即改变送入光发端机信号（TX1310）幅度最大（不超过5V），记录信号电平值。

连接P202、P111两铆孔，即将光电转换信号送入数据接收单元。

信号转换过程如图6.5.1

4）对照加扰规则，观测P103测试点的加扰后序列信号，是否符合其规则。

看波形码型是可用其时钟进行同步。

P102为数据对应的时钟，P106为扰码数据。

5）示波器B通道测试P202测试点，看是否有与TX1310测试点一样或类似的信号波形。

测试P115译码输出测试点，看是否跟发端设置的基带数据P101测试点一样或类似的信号波形。

6）连接P202、P112，即1310nm光接收端机光电转换加扰后数据自动送往均衡滤波器电路。

示波器A通道（触发TRTIGGER档）测试P102测试点（与码元同步的时钟T），示波器B通道测试TP106测试点（均衡滤波器输出波形）

7）调节调整示波器的扫描周期（=nT），使TP106的升余弦波波形的余辉反复重叠（即与码元的周期同步），则可观察到n只并排的眼图波形。

眼图上面的一根水平线由连1引起的持续正电平产生，下面的一根水平线由连0码引起的持续的负电平产生，中间部分过零点波形由1、0交替码产生。

8）调整W901直到TP106点波形出现过零点波形重合、线条细且清晰的眼图波形（即无码间串扰、无噪声时的眼图）。

在调整W901过程中，可发现眼图过零点波形重合时W901的位置不是唯一的，它正好验证了无码间串扰的传输特性不唯一。

9）关闭系统电源，拆除各光器件并套好防尘帽。

5、实验结果及分析

1）实验中观测得到的眼图如下所示：

2）结果分析

本次实验中得到的眼图比较理想，说明系统畸变很小。

然而，系统还是存在较小畸变的，下面结合实验得到的眼图对系统的畸变进行分析。

当眼开度

为最大时刻，则是对接收到的信号进行判决的最佳时刻，无码间干扰、信号无畸变时的眼开度为100％，无畸变眼图的眼皮厚度应该等于零。

然而，由于码间干扰，信号畸变使眼开度减小，眼皮厚度

增加，如图所示的眼图中眼皮厚度显然不为零。

系统无畸变眼图交叉点发散角

应该等于零，然而如图所示的眼图中交叉点发散角并不等于零。

无畸变眼图的正、负极性不对称度

应该等于零，然而，由于系统信道的非线性，使得如图所示的眼图中出现了不对称的现象。

四实验总结

本实验针对光波传输系统，采用光电结合的方式，用示波器观察光收发及传输的结果，有很好的观察效果。

因为光是肉眼不可见的，为了研究光的性质，我们只能借助于电，采用光电转换的方式，通过观察“电”来达到研究“光”的目的。

本次实验通过对光收发、传输各模块的实验，加深了我对光的性质以及光纤、光波分复用器等光电器件理论的认识，也让我对光波传输系统有了理解。

由于光在通信领域发挥了巨大作用，现代通信的主要支柱之一——光纤通信正是利用光波作载波，以光纤作为传输媒质将信息从一处传至另一处的通信方式，所以深入理解和研究光波传输系统是很有实用价值的。