光纤通信实验指导书范本.docx
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光纤通信实验指导书范本
光纤通信
实验指导书
巢湖学院
电子工程与电气自动化学院
2016年2月
附录实验系统概述
实验要求
1、实验前必须充分预习，完成指定的预习任务，预习要求是：
1）认真阅读实验知道书，了解实验任务
2）复习实验中所有各仪器的使用方法及注意事项。
2、使用仪器和学习前必须了解其性能、操作方法及注意事项，在使用时必须严格遵守。
3、实验时接线要认真，相互仔细检查，确定无误才能接通电源，初学或没有把握应经指导老师审查同意后再接通电源。
4、实验时应注意观察，若发现有破坏性异常现象（例如有元件冒烟、发烫或有异味）应立即关断电源，保持现场，报告指导老师。
找出原因、排除故障，经指导老师同意后再继续实验。
5、实验过程中需要改接线时，应关断电源后才能拆、接线。
6、实验过程中应仔细观察实验现象，认真记录试验结果（数据、波形、现象）。
所记录的实验结果经指导教师审阅签字后在拆除实验线路。
7、实验结束后，必须关断电源、拔出电源插头，并将仪器、设备、工具、导线等按规定整理。
8、实验后每个同学必须按要求独立完成实验报告。
光纤实验箱使用注意事项
光学器件属于昂贵易损器件，所以在实验操作过程中应加倍小心，防止光学器件的损坏，为了保证实验顺利地进行，请注意以下事项：
1、请仔细阅读实验指导书操作步骤后开机实验，实验各测试点、跳线及开关说明请参考附录
，正确连接导线，以免造成光学器件和芯片的损坏。
2、实验箱使用过程中应有防静电措施，以防静电损坏光学器件。
3、光学器件属于昂贵器件，在安装和拆卸过程中请注意轻拿轻放，遇到问题须及时向老师报告。
4、实验时不可将光纤输出端对准自己或别人的眼睛，以免损伤眼睛。
5、实验箱使用完毕后，请立即将防尘帽盖住光纤输入、输出端口，用光纤端面防尘盖盖住光纤跳线端面，防止灰尘进入光纤端面而影响光信号的传输。
6、若不小心把光纤输出端的接口弄脏，需用酒精棉球进行清洗。
7、光纤跳线接头应妥善保管，防止磕碰，使用后及时戴上防尘帽。
8、不要用力拉扯光纤，光纤弯曲半径一般不小于30mm，否则可能导致光纤折断。
9、进行光纤传输实验时，半导体激光器驱动电流不要超过40mA，发光二极管驱动电流不要超过60mA。
10、不要用手触摸激光器和探测器的焊点，以免烧坏激光器与探测器。
实验一单模光纤特性测量.
1、实验目的
1、能够熟练测量光的特性
2、掌握单模光纤特性
2、实验仪器
1、ZH7002型光纤通信多功能综合实验系统一台
2、光功率计一台
3、实验原理
光纤是光波的传输媒质，按光纤中传输模式的多少，光纤可分为多模光纤和单模光纤两类。
在单模光纤中只能传输一个模式，多模光纤则能承载成百上千个模式。
一般的光纤通信系统中，对光纤的要求为：
（1）低传输损耗；
（2）高带宽和高数据传输速率；（3）与系统元件（光源、光检测器等）的耦合损耗低；（4）高的机械稳定性；（5）在工作条件下光和机械性能的退化慢；（6）容易制造。
单模光纤：
中心玻璃芯较细（5～10μm），只能传一种模式的光。
单模光纤可提供最大的信息载容量，在设计波长时，带宽可达到50GHz·km。
单模光纤的折射率可选用阶跃型分布，也可选用梯度型分布，为了特殊的目的，如：
色散位移、非零色散、色散补偿、保偏等，还可选用其他复杂的折射率分布结构。
目前商用的常规单模光纤，一般选用阶跃型折射率分布。
阶跃型单模光纤是高带宽、低损耗的优质光纤，这种光纤适合长距离光传输。
它一般是由掺杂石英玻璃制成。
单模光纤的芯径很小以确保其传输单模，但是其包层直径很大。
为避免外界环境的影响，一般要用缓冲层来保护和增强单模光纤。
实际使用的单模光纤可能结构如图2.1.1所示。
单模光纤的结构、参数和各组成部分的作用与多模光纤是类似的，它们的不同之处在于：
单模光纤有模场直径和截止波长两个特殊参数。
单模光纤的典型几何参数如表2.1.1所示。
图2.1.1单模光纤的横截面图
表2.1.1单模光纤的典型几何参数
参数
指标
模场直径，μm
（8.6～10.5）±0.7
包层直径，μm
125±1
芯／包层同心度误差，μm
≤0.8
包层不圆度，％
≤2％
单模光纤以其损耗低、频带宽、容量大、成本低、易于扩容等优点，作为一种理想的信息传输介质，得到了广泛的应用，随着光纤通信技术的飞速发展，人们研究开发出了光纤放大器、时分复用技术、波分复用技术和频分复用技术，使单模光纤的传输距离、通信容量和传输速率进一步提高。
4、实验步骤
准备工作：
将实验箱左上端的跳线开关KE01和KJ02都设置在“5B6B”工作方式下（右端：
2－3），将5B6B编码模块中的输入数据选择开关KB01设置在“m序列”工作方式（右端：
2－3），KX02设置在“正常”位置；用发送波长为1310nm和1550nm的光纤发送器作为光源；并准备好尾纤，为保证测试精度，测量前先用酒精棉将光纤头清洁一下。
1、弯曲损耗测量
（1）将单模光纤跳线的一端接入光纤收发模块中激光收发器UE01的发送端，然后用光功率计测量该光源的光功率并记录结果。
（2）人为地抖动跳线，定性地观察光功率值的波动范围。
（3）人为地弯曲跳线，甚至小心的对折，观察光功率的测量值，估算弯曲以后的损耗；还可以将跳线绕在笔上，观察绕若干圈所引入的损耗。
2、不同波长（1310nm与1550nm）的光信号在光纤中衰减量的测量（连接方法可参考图2.1.2）
（1）将跳线的一端接到光发送波长为1310nm的激光发送器的输出端，用光功率计测出该点的光功率
，在此跳线的另一端通过连接器再接入一根跳线，测光功率
，计算出差值
。
（注：
此差值中包含有连接器的损耗）
（2）将跳线的一端接到光发送波长为1550nm的激光发送器的输出端，用光功率计测出该点的光功率
，在此跳线的另一端通过连接器再接入跳线，测光功率
，计算出差值
。
（注：
此差值中包含有连接器的损耗）
（3）将
和
进行作比较。
5、实验报告
分析总结各项测量结果。
实验二多模光纤特性测量.
1、实验目的
1、能够熟练测量光的特性
2、掌握多模光纤特性
2、实验仪器
1、ZH7002型光纤通信多功能综合实验系统一台
2、光功率计一台
3、实验原理
多模光纤：
中心玻璃芯较粗（50或62.5μm），耦合入光纤的光功率较大，可传多种模式的光。
但其模间色散较大，每一种模式到达光纤终端的时间先后不同，造成了脉冲的展宽，这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重。
例如：
600MB/KM的光纤在2KM时则只有300MB的带宽了。
因此，多模光纤传输的距离就比较近，一般只有几公里。
除此之外，多模光纤弯曲损耗比较大。
多模光纤结构如图2.2.1所示。
纤芯用来导光，包层保证光在纤芯内发生全反射。
涂覆层则为保护光纤不受外界作用而产生微小裂纹。
多模光纤的典型几何参数，如表2.2.1所示。
图2.2.1多模光纤的结构图
由于多模光纤一方面收发机相对便宜，另一方面多模光纤接续简单方便和费用低，因此应用范围也很广。
且目前是多模光纤研究与开发的一个新时期，多模光纤以前大多用在短程通信中，随着人类社会信息化进程步伐的加快，其传输速率和容量也在不断上升。
表2.2.150／125多模光纤典型几何参数
参数
指数
芯径，μm
50.0±2.5
包层直径，μm
125.0±2.0
芯不圆度，％
≤6％
芯／包层同心度误差，μm
≤1.5
包层不圆度，％
≤2％
4、实验步骤
准备工作：
将实验箱左上端的跳线开关KE01和KJ02都设置为“5B6B”工作方式（右端：
2－3），将5B6B编码模块中的输入数据选择开关KB01设置为“m序列”（右端：
2－3），KX02设置在“正常”位置。
准备好多模光纤跳线，为保证测试精度，测量前先用酒精棉将跳线头清洁一下。
1、弯曲损耗测量
（1）将跳线的一头接入光收发模块中激光收发器UE01的发送端，用光功率计在跳线另一头测光功率，记录测量结果。
（2）人为地抖动跳线，定性的观察光功率值的波动范围。
（3）人为地弯曲跳线，甚至小心的对折，观察光功率计的测量值，估算跳线弯曲后的损耗；还可将跳线绕在一枝笔上，测量绕若干圈后的损耗。
2、不同波长（1310nm与1550nm）的光信号在跳线中衰减量的测量
（1）将跳线的一端接到光发送波长为1310nm的激光发送器的输出端，并用光功率计测出该点的光功率
，在此跳线的另一端通过连接器再接入一根多模光纤跳线，然后再测光功率
，计算出差值
。
（此差值包含有光通过连接器的损耗）
（2）将跳线的一端接到光发送波长为1550nm处，并用光功率计测出该点的光功率
，在此跳线的另一端通过连接器再接入一根多模光纤跳线，然后再测试光功率
，计算出差值
。
（此差值包含有光通过连接器的损耗）
（3）将
和
进行作比较。
3、多模光纤与单模光纤串接性能测试
（1）将激光收发器UE01的发送端作为光源，先接入一根单模光纤跳线，用光功率计测出光功率，并记录测量结果，然后在这根单模光纤跳线的另一头通过连接器再接上一根多模光纤跳线，在多模光纤跳线的另一端测出的光功率。
（2）同理，将激光收发器UE01的发送端作为光源，先接入一根多模光纤跳线，这时用光功率计测出光功率，并记录，然后用连接器连上一根单模光纤，再用光功率计测出该端的光功率。
（3）将
（1）、
（2）步骤中各对应点的值作比较，分析原因。
5、实验报告
分析总结各项测量结果。
实验三光连接器和跳线特性测量.
1、实验目的
1、理解光连接器和光纤跳线器的各种特性
2、熟悉光连接器和光纤跳线器的应用方法
2、实验仪器
1、ZH7002型光纤通信多功能综合实验系统一台
2、光功率计一台
3、实验步骤
准备工作：
将实验箱左上端的跳线开关KE01和KJ02都设置在“5B6B”工作方式下（右端：
2－3），将5B6B编码模块中的输入数据选择开关KB01设置在“m序列”工作方式（右端：
2－3），KX02设置在“正常”位置；分别以发送波长为1310nm和1550nm的两个激光收发器的发送端作为光源。
按图2.3.1连接好测试设备，连接跳线、连接器和光无源器件时注意定位销方向。
1、插入损耗测量
（1）用光功率计测量波长为1310nm的光源经跳线输出，在“a”点的光功率
；然后将此跳线接光功率计的一端接入连接器的输入端口，在连接器的另一端再接一根跳线，用光功率计测量经一对光连接器和光纤跳线器输出在“b”点光功率
，记录测量结果，填入表格，计算一对光连接器和光纤跳线器插入损耗值。
（2）可以在“b”点之后，再接入一对光连接器和光纤跳线器，测量输出“c”点光功率
，观测大致的误差偏离值。
（要注意光纤跳线头是否清洁，实验前可用酒精棉擦洗一下）
输入功率（dBm）
输出功率（dBm）
插入损耗（dB）
：
：
：
：
2用粉笔灰污染光纤，重复步骤一。
4、实验报告
分析总结实验数据。
实验四光可变衰减器性能测试实验.
1、实验目的
1、使学生深入了解光可变衰减器的各种特性
2、熟悉光可变衰减器的应用方法
2、实验仪器
1、ZH7002型光纤通信多功能综合实验系统一台
2、光功率计一台
3、实验原理
光衰减器可按要求将光信号能量进行预定量的衰减，主要用于吸收或反射掉系统中无用的光能量，以此来评估系统的损耗或系统测试技术。
光衰减器的分类方法有很多。
按光信号传输方式，可分为：
单模光衰减器和多模光衰减器；按光衰减的变化方式，可分为：
固定光衰减器和可变光衰减器；按光信号的接口方式，可分为：
尾纤式光衰减器、转换器式光衰减器和变换器式光衰减器；按衰减器衰减光功率的工作机理，可分为：
耦合型光衰减器、反射型光衰减器和吸收型光衰减器。
表征光衰减器特性的参数主要有：
插入损耗、衰减量范围、衰减精度、工作波长和工作温度等。
（1）插入损耗
插入损耗是指从输出端测得的光功率（
）与输入端光功率（
）的比的分贝数，表示为：
（2）衰减量范围
对固定光衰减器而言，衰减量就是插入损耗，对可变光衰减器，衰减量有一个范围，因此它有衰减量范围和插入损耗两个性能指标。
（3）衰减精度
对一定衰减量所产生的最大误差。
（4）工作波长和工作温度
光衰减器的衰减量与光的波长有关，也与光衰减器的工作温度有关。
4、实验步骤
准备工作：
将实验箱左上端的跳线开关KE01和KJ02都设置在“5B6B”工作方式下（右端：
2－3），将5B6B编码模块中的输入数据选择开关KB01设置在“m序列”工作方式（右端：
2－3），KX02设置在“正常”位置；以发送波长分别为1310nm和1550nm的激光发送器作为光源。
按图2.6.1连接好测试设备，连接跳线、连接器和光无源器件时注意定位销方向。
1、最小衰减量测量
（1）首先将光可变衰减器的衰减量调整至最小（将可变衰减器的调节螺扣朝里旋转，至拧不动为止）。
（2）用光功率计测量激光收发器发送波长为1310nm的光源经跳线输出在“a”点的光功率
，并记录测量结果。
（3）将跳线的另一头（“a”头）接入光可变衰减器的输入端口，在可变衰减器的另一头再接入一根跳线。
用光功率计测量经光可变衰减器和光纤跳线输出在“b”点光功率
。
记录测量结果，填入表格，计算光可变衰减器的最小衰减量。
（注：
光纤跳线衰减量≤0.3dB）
输入功率
输出功率
最小衰减量
：
2、衰减量调节范围测量
在上述测试条件下，缓慢调节光可变衰减器（缓慢拧松调节螺扣），逐渐增加衰减量至最大（在调节螺扣即将脱落而尚未脱落时，为最佳），测量在跳线输出端“b”点的光功率值。
记录测量结果，估算可变衰减器的衰减量范围。
3、波长特性测量
换一个激光发送器，将发送波长改为1550nm，重复上述第1、2步实验步骤。
记录测量结果，分析光可变衰减器对不同波长的响应（大致的）。
5、实验报告
分析总结各项测量结果。
实验五光波长区分
一、实验目的
1、掌握如何通过测量判断激光收发器的波长
2、进一步熟悉波分复用器WDM的特性
二、实验仪器
1、ZH7002型光纤通信多功能综合实验系统一台
2、光功率计一台
三、实验原理
在ZH7002型光纤通信多功能综合实验系统中，使用1310nm和1550nm的两种光发送波长，故激光收发器存在两种可能：
发1310nm收1550nm，发1550nm收1310nm。
若不知道其发送波长，我们可通过以下方法来测量：
将一根跳线接入激光收发器的二个端口之一，在跳线另一端用光功率计测量有无光功率，有（－10～0dbm），则该端口为输出端口；无，则为输入端口。
之后，用跳线连接激光收发器的输出端口与波分复用器的“IN”端口，在波分复用器的“1310nm”和“1550nm”标号处，分别测量光功率，若1310nm处的光功率值大于1550nm处的光功率值，则该激光收发器的发送波长为1310nm，反之，为1550nm。
四、实验内容
1、激光收发器输入、输出端口确定
（1）用一根跳线连接激光收发器UE01的任一端口，在跳线另一端用光功率计测量其输出功率，若光功率计有读数（－10～0dbm），则该端口为输出端；若光功率计显示为零功率，则为输入端。
（2）另一端口输入或输出的确定方法与步骤
（1）相同。
2、激光收发器波长区分
用一根跳线连接UE01发送端与波分复用器的“IN”端口，在波分复用器的“1310nm”和“1550nm”标号处，分别接出一根跳线，分别在这两根跳线的另一头测量光功率，若1310nm处的光功率值大于1550nm处的光功率值，则该激光收发器的发送波长为1310nm，反之，为1550nm。
五、实验报告
1、分析总结实验结果。
假设，激光收发器的波长已知，波分复用器的各个端口说明未知，应如何测试？
实验六OTDR原理及运用实验目的
1、了解OTDR的基本原理
2、掌握OTDR在光纤通信测量过程中的使用
一、实验仪器
1、ZH7002多功能光纤通信系统实验箱一台
2、100MHz双踪示波器一台
二、实验原理
光时域反射计（OpticalTimeDomainRefiectomete，简称OTDR）是通过发射光脉冲到光纤内，然后在OTDR端口接收返回的信息来进行工作的。
当光脉冲在光纤内传输时，由于光纤本身的性质、连接器、接合点、弯曲或其它类似的事件而产生散射、反射。
其中一部分的散射和反射就会返回到OTDR中。
返回的有用信息由OTDR的探测器来测量，它们就作为光纤内不同位置上的时间或曲线片断。
图4.7.1 光时域反射仪原理
（摘自：
OpticalFiberCommunications,ThirdEdition,GerdKeiser）
从发射信号到返回信号所用的时间，再确定光在玻璃物质中的速度，就可以计算出距离。
以下的公式就说明了OTDR是如何测量距离的。
（4.7.1）
在这个公式里，c是光在真空中的速度，而t是信号发射后到接收到信号（双程）的总时间（两值相乘除以2后就是单程的距离）。
因为光在玻璃中要比在真空中的速度慢，所以为了精确地测量距离，被测的光纤必须要指明折射率（IOR）。
IOR是由光纤生产商来标明（一般取值为1.42左右）。
因此，OTDR就是利用菲涅尔反射的信息来定位连接点，光纤终端或断点。
一般来说，OTDR与待测光纤间的连接器引起的盲区最大。
在光纤实际测量中，在OTDR与待测光纤间加接一段过渡光纤，使前端盲区落在过渡光纤内，而待测光纤始端落在OTDR曲线的线性稳定区。
光纤系统始端连接器插入损耗可通过OTDR加一段过渡光纤来测量。
三、实验步骤
1、准备：
将实验箱左上端的跳线开关KE01和KJ02都设置在“5B6B”工作方式下（右端：
2－3），将5B6B编码模块中的输入数据选择开关KB01设置在“m序列”工作方式（右端：
2－3），KX02设置在“正常”位置，此时ZH7002中的OCDMA模块也将工作。
将ZH7002的5B6B编码模块KB02中的T_5跳线器插入（进入OCDMA状态），E_Sel0、E_Sel1不插入。
用跳线将光纤收发模块UE01的发端与UE02的收端相连，接收定时模块中跳线器KD03置于1-2位置。
扩频收发模块工作时，在ZH7002上的测试点定义如下：
TPB03：
扩频之后的数据
TPB05：
发端的数据起始位置（也可以看作发端m序列的起始位置）
TPB07：
发端的测试数据
TPE01：
接收端正常数据解调的数据起始指示（也可以看作接收到m序列的起始位置）
TPE02：
OCDMA接收机的接收信号（经过光路的测试状态）
TPE03：
在OCDMA接收机端解调之后的数据
2、同时准备一只50:
50的分路器，其有三个端口：
一端是输入端（定义为A端口），另外两端是50%分光的输出端口（定义为B、C端口）。
3、连接：
将ZH7002上光纤收发模块UE01的光输出端与光分路器50%端口B相连接，将ZH7002上光纤收发模块UE02的接收端口与光分路器的另一50%端端口C相连接，光分路器的输入端口A接入的光纤为待测光纤。
这样送入待测光纤的信号为OCDMA模块的发送光信号（该光信号是一扩频光信号，信号的起始由发端起始信号给出），它经待测光纤的反射，又经过光分路器进入另一个50%的输出端口C。
该信号由OCDMA接收模块进行接收，并在接收模块中给出接收信号中扩频序列的起始信息。
4、测量：
以OCDMA模块的发扩频序列指示信号（TPB05）作为示波器的同步信号，将OCDMA接收模块中的接收序列起始指示信号（TPE01）作为示波器的另一通道输入。
这两个脉冲的起始沿代表信号的发、收开始。
在光分路器的输入端口接入3m待测光纤，通过示波器同时观察发端数据指示（TPB05，其实际是扩频序列的起始位置）与扩频接收模块中接收数据起始位置信号（TPE01，其实际上是扩频接收模块中扩频序列的起始位置）。
测量它们的延时量，并计算待测光纤的长度。
四、实验报告
1、描述OTDR的基本原理；
2、分析OTDR测量精度与哪些因素有关？
实验七双音多频检测实验.
实验目的
1、加强对用户接口信令的认识与理解
2、掌握双音多频检测的基本原理
3、熟悉CM8870双音多频检测器件的性能及使用方法
一、实验仪器
1、ZH7002型光纤通信多功能综合实验系统一台
2、20MHz双踪示波器一台
3、数字存贮示波器一台
4、电话机一部
二、实验原理
用户接口上的信令又可分为线路信令与地址信令（也称之为记发器信令）。
线路信令主要反映了二线用户话机的状态：
摘机或挂机，此类信令一般由SLIC电路检测（该方面已包括在前面的实验中）；地址信令主要是用户发送的号码信令，该类信令一般由双音多频检测器进行检测。
用户线上的地址信令存在两种技术标准：
1、脉冲拨号方式：
脉冲拨号方式是按一定的断续比和速率来断、续电话线的环路来发出号码信号。
脉冲拨号主要在早期的步进制交换机中采用，其缺点是拨号速度慢、脉冲产生变异易引起交换机误动作等，随着技术的发展已逐渐被双音多频拨号方式所取代。
2、双音多频DTMF（DualToneMultiFrequency）是指用两个特定的单音频信号的组合来代表数字或功能，两个单音频的频率不同，所代表的数字和功能也不同，在双音多频电话机中有16个按键，其中有10个数字键（0～9），6个功能键（*、#、A、B、C、D），按照双音多频组合的原理，它必须有8种不同的单音频信号，由于采用的频率有8种，故又称之为多频，又因以8种频率中任意抽出2种进行组合，又称其为8中取2的编码方法。
根据CCITT的建议，国际上采用697HZ、770HZ、852HZ、941HZ、1209HZ、1336HZ、1477HZ和1633HZ，把这8种频率分成两个群，即低频群和高频群，从低频群和高频群中任意各抽出一种频率进行组合，共有16种不同组合，各代表16种不同数字号码或功能，DTMF号码组合见表5.2.1。
表5.2.1DTMF号码组合
高频
低频
1209
1336
1447
1633
697
1
2
3
A
770
4
5
6
B
852
7
8
9
C
941
*
0
#
D
在双音多频检测模块（主要电路在实验箱里面的电路板上，属于第三种配置）中，采用CM8870进行双音频信号的检测。
双音多频信号输入后，经过信号放大和滤波，分两路分别进入高、低频组滤波器以分离检测出高、低频组信号，并对检测的结果按表5.2.2进行译码、锁存。
DTMF模块组成框图见图5.2.1所示。
双音多频检测模块电路原理图见图5.2.2所示，工作原理如下：
双音多频检测模块由U201（CM8870）、X201（3.58MHz晶体）及相应的跳线器、电位器组成。
从用户接口单元来的输入信号进入U201进行双音多频检测。
在U201双音多频检测电路中，X201为的晶体，它为U201工作提供基本的参考频率。
当
U201检测到存在双音多频时，U201第15脚的检测信号DET_DTMF1＝1，此时交换接续
控制模块将双音多频代码（DTMFA3、DTMFA2、DTMFA1、DTMFA0）读入，用以完成相应的呼叫接续。
表5.2.2DTMF检测输出逻辑
fL（Hz）
fH（Hz）
NO.
EN
D3
D2
D1
D0
697
1209
1
H
L
L
L
H
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