光纤通信实验报告华北电力大学.docx
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光纤通信实验报告华北电力大学
实验名称
实验一：
光纤衰减系数的测量、LED的P-I特性测量
实验仪器
He-Ni激光器、光功率计、五维微调架、扰摸器、光纤、直流电流源、LED光源
同组人
实验目的
1、了解光纤损耗的定义。
2、学会用截断法测量光纤的损耗。
3、熟悉半导体光源输出光功率与输入电流的关系。
4、掌握P—I曲线的测试方法。
实验原理
1、如输入于光纤的光功率为P1（W），而经过光纤传输后输出的光功率为P2（W），则从两者的比值便可得知传输过程中损耗了多少。
因此光纤损耗的定义为：
（dB）
如果输入和输出光功率直接以dBm给出，则
（dB）。
用截断法测量光纤损耗的方框图如下图所示，图中扰模器的作用是使模功率分布在光纤的输入端就达到稳定状态。
2、半导体发光二极管（LED）的P—I特性曲线如下图所示，发光二极管不是阈值器件，它的输出功率基本上与注入电流成正比。
实验内容与步骤
一、
（一）光纤衰减系数的试验内容
光纤损耗的截断法测量
（二）光纤衰减系数的测量步骤
1、按上图截断法损耗测试方框图连接好光源、光功率计、待测光纤及扰模器，测出光功率P1。
2、在距离光源2米处剪断光纤，测出光功率P2。
3、光纤的损耗系数为：
（dB/km）
如果输入和输出光功率直接以dBm给出，则
（dB/km）。
二、
（一）LED的P-I特性测量的实验内容
平均发送光功率的测试
（二）LED的P-I特性测量步骤
1、用误码仪的码型发生器自A点给数字光发端机送入伪随机二进制序列作为测试信号。
2、从光发端机输出端连接器S中取出光纤插头，用光纤跳线分别插入光发送输出端连接器与光功率计连接器，将光发端机的光输出端与光功率计相连接，此时从光功率计读出的功率P就是光发射端机的平均发送光功率P0。
3改变R406的阻值，在记录上绘出P—I曲线。
实验结果及分析
1、在光纤衰减系数的测量中：
光纤长度为：
1.832km≈2km
全长时输入光功率为：
P1=—54dBm（直接以dBm给出）
在距离光源2米处剪断光纤，测出光功率P2=—45dBm
当输入和输出光功率直接以dBm给出，则利用公式
（dB/km）计算光纤衰减系数为：
分析：
由结果利用截断法得出的光纤衰减系数误差偏大，主要原因是光纤的纯度不够和仪器的老化引起的，另外就是人为的操作和读数时有偏差，但是基本上可以得出正确的结论。
2、LED的P-I特性测量
I（mA）
10
20
30
40
50
P
130.3nW
368.9nW
656.5nW
1009nW
1.339μW
I（mA）
60
70
80
90
100
P
1.797μW
2.141μW
2.568μW
2.951μW
3.492μW
分析：
实验数据值与标定值相近，但是有一定的误差，可能原因是仪器的老化。
思考题解答
1.讨论截断损耗测试法的误差有哪些？
答：
（1）测量长度时可能测量不精确；
（2）光功率计、扰模器等仪器存在一定的噪声和干扰。
2.分析平均光发送功率的测试误差来源。
答：
（1）光纤可能会有一定的损耗；
（2）光源有一定的寿命，经过很长一段时间的使用，光源会产生一定的误差；
（3）测试过程中各种噪声产生的误差；
（4）测试仪器本身有一定的误差。
讨论与结论
这次实验在老师的指点下取完成得不错，在允许的误差范围内达到了试验目的，测出了光线的衰减系数，说明了各种功能的使用方法，并且给出了功率图形。
其中，光纤接合的实验老师讲解详细，让我们进一步了解了高科技的应用。
实验名称
实验二：
光纤通信系统的码型变换、光纤通信系统眼图测试
实验仪器
光纤通信原理实验箱、示波器
同组人
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。
4、了解光检测模块的光电变换原理。
5、掌握光收端机的功能及电路工作原理。
实验原理
一、码型变换
1、数字光纤通信传输信道中，对于低速率系统采用CMI码，即传号翻转码，即“1”交替地用“00”和“11”表示，而“0”则固定用“01”表示，因此相同的时间内CMI编码器输入1bit输出为2bit，故属于二点平的不归零（RNZ）的1B2B码型，这种码的特点是：
1）不连续出现4个以上的“0”码或“1”，易于定时提取。
2）电路简单易于实现。
3）有一定的纠错能力。
4）有恒定的直流成分，低频分量小，频带较宽。
5）传输速率为编码前的2倍，适用于低速率的光线传输系统。
2、CMI编码电路的功能：
CMI编码电路接收来自信号源的单极性非归零码（NRZ），把这种码型变换为CMI码送至光发送单元。
其设计思路是利用并串变换电路来产生CMI码，即分别产生CMI传号码和空号码，再按照输入单极性信码的电平高低来选通传号码或空号码，用合路器把两者串行输出成为CMI码。
编码后用两位码来代表一位码、并行码变成串行码，其码速增加了一倍。
3、CMI解码电路的功能：
CMI解码器接收光接收机送来的CMI码，把这种码型变换为单极性非归零码。
其设计思路是采用串并变换电路把串行码变成并行码，即把CMI码的每一组00、11或01码中的奇数码和偶数码分离开来，变成奇偶分列的、时序一致的码序列，再用判决电路逐一加以比较，判决输出传号还是空号，从而解出单极性信码。
二、眼图测试
眼图是在同步状态下，各个周期的随机信码波形重叠在一起所构成的动态波形图，其形状类似一个眼睛故名眼图，它是观察是否存在码间干扰的最简单直观的方法。
将时钟输入示波器的通道1、伪随机码的输出接示波器的通道2，缓慢调整示波器的同步旋钮即可在示波器上观察到眼图，实际上眼图就是随机信号在反复扫描的过程中叠加在一起的综合反应。
眼图的垂直张开度表示系统的抗噪声能力，水平张开度反映过门限失真量的大小。
眼图的张开度受噪声和码间干扰的影响，当光收端机输出端信噪比很大时眼图的张开度主要受码间干扰的影响，因此观察眼图的张开度就可以估算出光收端机码间干扰的大小，其中：
垂直张开度
水平张开度
实验内容与步骤
一、码型变换
（一）实验内容
1、了解光纤通信采用的线路码型及CMI码的特点。
2、了解CMI码的编解码实现方法。
3、分析CMI编解码器电路的各个测量点的波形。
4、比较CLK时钟、NRZ码及CMI码的异同。
（二）实验步骤
1、接好电源，打开交流电源，按下直流电源开关K1、K2，发光二极管D5—D14循环点亮，电路即正常工作。
按下“复位”键令系统复位，使程序重新开始工作。
2、按下“CMI”键后再按下“确认”键，向系统下达进行CMI编解码器实验的命令，并将K702跳线置于CMI处。
用CLK时钟送入NRZ码到CMI编码，用示波器测出编码电路测量点TP110和TP114的波形。
测量各点波形时示波器应接地，示波器探头的接地线要与GND接地点保持接触良好。
3、用示波器测出解码电路各测试点TP504和TP507的波形。
4、关掉开关K1、K2，关闭交流电源，拔下电源插头。
二、眼图测试
（一）实验内容
1、光检测器的偏置电压。
2、光收端机的眼图。
（二）实验步骤
1、接好电源，打开交流电源，按下直流电源开关K1、K2，发光二极管D5—D14循环点亮，电路即正常工作。
按下“复位”键令系统复位，使程序重新开始工作。
2、用示波器观察接收机的输出（在TP705处测量），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、TP705的输出接示波器的通道2，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，调节电位器W702或改变输入PN码的速率，再观察眼图的张开度及波形各有何变化。
3、关掉开关，关闭交流电源，拔下交流电源插头。
实验结果及分析
1光纤通信系统的码型变换
Tp114
Tp110
Tp504
Tp507
分析：
Tp110为伪随机码波形，tp114为cmi编码后的波形；504和507分别为接受码波形和cmi译码后的波形。
2光纤通信系统眼图测试
分析：
垂直张开度
水平张开度
思考题解答
1、为什么要进行线路编码，什么叫做线路码型，光纤能否传HDB3码？
答：
因为简单的二点平码的直流基线会随着信息流中“0”“1”的不同的组合情况而随机起伏，而直流基线的起伏对接收端判决不利，因此需要进行线路编码以适应光纤线路传输的要求。
数字光纤通信与数字电缆通信一样，在其传输信道中，通常不直接传送电端机输出的数字信号，而需要经过码型变换，使之变换成为适合于传输信道传输的码型，称之为线路码型。
在数字电缆通信中，电缆中传输的线路码通常为三电平的“三阶高密度双极性码，即HDB3码”，它是一种传号以正负极性交替发送的码型。
在数字光纤通信中由于光源不可能发射负的光脉冲，因而不能采用HDB3码，只能采用“0”“1”二电平。
2、CMI码的编码规则是怎样的，CMI编解码器输入信码与输出信码的码型、码速各是怎样的？
答：
、CMI码的编码规则：
A、对于二进制“0”被编码成为前后得A1和A2（A1为“0”电平，A2为“1”电平）两种幅值的电平，每种幅值占单位时间间隔的一半（T/2），即在CMI码中为“01”码。
B、对于二进制“1”用幅值电平A1和A2来编码。
A1或A2都占满了一个单位时间间隔（T），即在CMI码流中为“00”或“11”码；对于相继的二进制“1”，这两个电平相互交替。
这也就是前一个二进制“1”编为A1，（即“00”）则后一个二进制“1”就编A2，反之，前一个二进制“1”编为A2，（即“11”）则后一个二进制“1”就编A1，即在CMI码流中以“00”和“11”信号相互交替。
编码器输入32Kb/s的单极性的信码，输出64Kb/s的CMI码。
解码器输入64Kb/s的CMI码，输出32Kb/s的单极性的信码。
讨论与结论
本次实验经过老师的初步讲解，再经过我们四十多分钟的努力研究，本次实验也取得了不错的成功。
实验名称
实验三：
光纤熔接、光时域反射实验（OTDR）
实验仪器
光纤熔接机、光时域反射仪（OTDR）
同组人
实验目的
1、了解光时域反射计（OTDR）的工作原理。
2、掌握使用光时域反射计测量计算光纤长度、衰减、断裂、总回损及熔接、连接器和总损耗等参数。
3、分析光纤的传输特性。
4、了解光纤光缆的结构和学习光端面的处理。
5、掌握光线切割的使用方法。
6、学习掌握光纤熔接机的使用方法。
实验原理
一、OTDR基本原理
光时域反射计采用时域测量的方法，发射具有一定宽度的光脉冲并注入被测光纤，然后通过检测光纤中返回的瑞利散射及菲涅尔反射光信号功率沿时间轴的分布曲线，即可探知被测光纤的长度及损耗等物理特性，同时，利用其强大的数据分析功能，可对光纤链路中的事件点及故障点精确定位，其最重要的特点是：
单端无损测试，测试速度快，故障定位准确。
目前，光时域反射计可使用850nm、1300nm、1310nm、1380nm、1480nm、1550nm及1625nm等波长进行光纤线路的测量，测量重点在于验证局端至分支器、分支器至各用户端光纤的熔接、接头与线路的损耗等，依次验证各光线距离与施工时相比是否正确。
同时，也可形成数据库以供日后运营商在线监控测试、维修中便于对光纤线路的品质确认及故障查找等。
OTDR测量距离的公式如下：
d=（c×t）/2（IOR）式中，c是光在真空中的速度，而t是信号发射后到接收到信号的总时间。
IOR为被测光纤的折射率，由光纤生产商来表明。
二、OTDR测试模式
OTDR应用程序提供以下曲线取样模式：
自动：
自动计算光纤长度、设置取样参数、获取曲线并显示事件表和已获曲线。
高级：
提供执行完整OTDR测试和测量需要的所有工具，并且用户可以控制所有测试参数。
创建参考/模板：
将当前测试光纤结果与先前所获并分析的参考曲线进行比较，可以在测试大量光纤时达到省时的目的。
下图为自动模式下测量曲线示意图：
三、光纤的熔接
光纤永久性连接是通过熔接技术将两根光纤连接在一起。
光纤的熔接通常是在专用的光纤熔接机上进行的。
熔接时首先将光纤的保护层剥掉，将光纤端面切割平整，安装在V型槽内，用微调架将光纤端面对准，在两个高频高压电极作用下，产生电弧放电，温度可达上千度。
在电弧高温作用下，将光纤熔接在一起。
调整放电电流，可改变弧焰温度，对不同的光纤放电电流通常是不同的。
光纤熔接通常有手动、自动两种方式。
全自动熔接光纤主要是熔接机具有智能控制功能，如：
能自动检测光纤端面质量（垂直度、清洁度、平整度）；自动对准光纤纤芯和包层；能根据实验环境（适度、温度）自动调整熔接参数（熔接电流和时间）；自动检测熔接质量；自动估算熔接损耗。
实验内容与步骤
一、光时域反射仪（OTDR）测量内容及步骤
（一）实验内容
1、光时域反射计的工作原理。
2、光时域反射计测量光纤的参数设置。
3、根据测量曲线分析光纤的传输特性。
（二）实验步骤
1、了解OTDR的正确使用方法，并根据步骤进行操作。
2、本实验的测试对象是一盘单模光纤，其总长度为25km左右，将无信号负载的光纤一端接入OTDR，并用OTDR测出光纤的长度、平均损耗，记录实验图形及数据。
3、设置不同的脉冲宽度和平均时间对光纤进行测试，比较有何异同。
二、光纤熔接机的实验步骤
光纤熔接的基本步骤为：
涂覆层的剥除、光纤头的制备、光纤的连接。
1、制作光纤端面
（1）用剥纤钳剥除光纤涂覆层，预留裸纤长度为30—40mm，用蘸酒精的脱脂棉或滤纸包住光纤，然后把光纤擦干净；
（2）确认光纤切割刀有刀片的滑动板在前面一端，打开大小压板；
（3）目测光纤涂覆层边缘对准切割刀标尺上适当的刻度后，左手将光纤放入导向槽内，要求裸纤笔直地放在左、右橡胶垫上；
（4）合上小压板、打压板，推动装置有刀片的滑板，是刀片滑切光纤下表面，并自由滑动至里一侧，切断光纤；
（5）左手扶住切割刀，右手打开大压板并取走光纤碎屑，放到固定的容器中；
（6）用左手捏住光纤同时右手打开小压板，仔细移开切好端面的光纤。
2、熔接光纤
（1）检查电极，确认没有安放光纤，两放电电极被完好安放；连接好电源后开机，使熔接机正常初始化；肉眼观察放电电极，要求尖部没有明显损伤；清洁电极。
（2）取两小段待熔接的光纤，制作合格的光纤端面；依次掀开防风罩及光纤压板，将两端面分别放入V型载纤槽，放下光纤压板，盖上防风罩；按“TEST”键机器自动进行判断端面质量、间隙设置、粗校准、放电等动作，然后自动进行放电电流大小的修正；如果屏幕显示“电流偏大”或“电流偏小”的信息，重复上述步骤，直到屏幕显示“电流适中”，放电测试完成。
（3）然后按“AUTO”键，熔接机进入按自动工作过程，如果出现“左/右端面不良”或“重装光纤”信息，则需重做光纤端面；如果熔接完毕的光纤外表不齐即使估算损耗很低，也要重新熔接。
（4）熔接完毕后，把热缩套管放在需要固定的位置，把光纤的熔接部位放在热缩套管的正中央，打开加热器压板，将热缩套管放入加热器中；盖上盖板，按“HEAT”键，加热指示灯亮后开始加热；到设定加热时间后，加热指示灯自动停止加热；稍等片刻待热缩套管稍凉有一定硬度后，取出冷却，熔接点保护完成。
实验结果及分析
1、OTDR测量结果如下所示：
通过观察图形可得光纤长度为：
25.7653km，总损耗为：
4.988dB,平均损耗为：
0.194dB/km。
分析：
2、光纤熔接
思考题解答
无
讨论与结论
本次实验在老师的操作和讲解下成功的进行，使我们了解光时域反射计（OTDR）的工作原理，掌握使用光时域反射计测量计算光纤长度、衰减、断裂、总回损及熔接、连接器和总损耗等参数。
掌握了光纤的正确熔接。
实验名称
综合性实验：
光发射机功率及接收机灵敏度测试
实验仪器
光纤通信收发机、误码率测试仪
同组人
实验目的
1、熟悉平均发送光功率的概念。
2、掌握平均发送功率的测试方法。
3、熟悉光收端机灵敏度的概念，
4、掌握光收端机灵敏度的测试方法。
实验原理
一、光发射机平均发送光功率的基本原理
因为模拟信号与数字信号都是随机的信号，输出光功率的大小也不断变化，所以光发端机的发送光功率大小通常是以平均值来衡量。
单位时间内发送光功率的平均值称为平均发送光功率，以P来表示。
单位是mW（绝对值）或分贝毫瓦（相对值）。
二、光收端机灵敏度的基本原理
光收端机的灵敏度是描述其准确检测光信号能力的一种性能指标，它指的是为保证一定的误码率，光收端机所需接收的最小平均功率。
也就是说光功率若再小，系统的性能就不能保证了。
灵敏度的单位是dBm，可按
来换算（如1mW=0dBm）。
灵敏度表示了光收端机接收微弱信号的能力，数值越小，灵敏度越高，系统性能越好。
影响灵敏度的主要因素是各种噪声，噪声越大，灵敏度越差即灵敏度的数值越大。
数字光收端机接口指标测试图如下所示：
实验内容与步骤
一、平均光功率测试步骤
1、用误码仪的码型发生器自A点给数字光发端机送入伪随机二进制序列作为测试信号。
2、从光发端机输出端连接器S中取出光纤插头，用光纤跳线分别插入光发送输出端连接器与光功率计连接器，将光发端机的光输出端与光功率计相连接，此时从光功率计读出的功率P就是光发射端机的平均发送光功率P0。
3有的光功率计单位可直接读dBm值，若只能读mW（毫瓦）或μW（微瓦）应换算成dBm。
二、接收机灵敏度测试步骤
1、按上图接好光可变衰耗器和误码分析仪。
2、误码分析仪的码型发生器向数字光端机送
的伪随机码测试信号（同平均光功率的测试）。
3、调整光衰耗器，首先逐步增大可变光衰耗器的衰减值，逐步减小输入光收端机的平均光功率，使系统处于误码状态。
然后逐步减小光衰耗器的衰减值，增加输入光收端机的平均光功率，使误码逐渐减小。
当在一定的观察时间内（9分），误码个数少于某一要求时，即达到系统所要求的误码率。
4、在稳定工作一段时间后，从R点断开光纤连接器，用光功率计测得此时的光功率为Pmin，即为光收端机的最小可接收光功率。
实验结果及分析
1、在平均光发射机功率测量中：
测得发送光功率为：
-10.1dBm
接收光功率为：
-42.7dBm
损耗=发送功率—接收功率=-10.1dBm-（-42.7dBm）=32.6dBm
分析：
基本符合标定值。
2、接收机灵敏度测试中：
测试仪输出为2M，发送伪随机码1s发2×106需要500s发109设观察时间为9分，
测试的灵敏度为：
dBm
分析：
接收机灵敏度与传输过程中产生的误码有密切关系，在测试过程中可通过旋转光缆的接口使其误码产生在时有时无的临界状态，便于观察，根据得出的结果可知本组在实验过程中产生的误码相对很多，因而灵敏度相对比较大。
思考题解答
无
讨论与结论
本次实验在老师的指点和同学们的讨论下进行，实验在取得了不错的成绩。
实验过程中，使我们熟悉平均发送光功率的概念，掌握平均发送功率的测试方法，熟悉光收端机灵敏度的概念，掌握光收端机灵敏度的测试方法。
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