光纤通信系统实验指导学习资料.docx

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光纤通信系统实验指导学习资料

光纤通信系统实验指导

ZY1804I光纤通信原理实验系统简介

本实验系统是为配合《光纤通信》课程的理论教学，结合目前光纤通信工程技术最新进展，为了提高大专院校学生实际操作和动手能力而研制开发的。

一、产品的系统特点

光纤I型实验系统注重产品的系统和功能组成，产品的设计着重体现系统性、先进性、实用性，并根据市场及客户实际需求，充分考虑工艺外观结构、产品的功能和性价比。

整个系统分中央控制器、备用环和光传输三大部分，各自独立又相互关联，所有模块在单独进行实验同时又可系统集联，实验灵活丰富，可设计、可比较、可操作、可观测性强。

整个系统采用2.048M传输速率，既有利于实验观测，又可以模拟实际光纤传输时的各种性能。

实验紧密结合光通信新技术的发展趋势，将波分复用、光时分复用和SDH传输网等新技术都通过实验演示出来，简单易懂。

采用大规模的现场可编程门阵列器件，使得产品的开放性、可升级性强。

同时为了实现自愈环（即备用环）功能以及使学生有更大的开发和操作空间，特意制作了二次开发板，并预留大量的I/O扩展口，可在开发板上独立完成二次开发设计。

所有实验大多采用开关控制，减小了实验操作时的繁琐性。

该实验系统融合了当今的光纤通信技术发展的一些新技术和新器件，并将其融入到光纤通信原理课程当中，同时与通信原理和程控交换课程的部分原理结合，其主要有以下特点：

1、实验箱采用“整板+核心板”设计，特殊光器件玻璃罩保护，元器件贴片化，模块元件布局完全对称。

所有的测试钩和连接孔均有标识，深蓝色的电路板，白色丝印使得整个电路板层次性强、美观、大方。

2、实验箱和光纤通信原理教材紧密结合，实验项目和顺序与教材保持完全同步。

通过八个方面全面实验来了解光纤通信的全过程，八个方面分别是：

光纤和光缆；通信用光器件（有源器件和无源器件）；光端机（光发、光收端机）；数字光纤通信系统；模拟光纤通信系统；光纤通信新技术；光纤通信测量技术；光纤通信网络。

3、系统采用整板上分模块的设计方式，除了核心板——中央控制器外，还配置了光发端机、光收端机、模拟信号源、数字信号源、数字终端、电话模块、串口通信模块等。

各种系统组建灵活，可根据不同的实验搭建成模拟、数字、计算机、图像、语音、混合光纤传输系统及多台实验箱多部电话组网通信等不同的实验系统。

4、电路实现上采用大规模FPGA，使得产品的开放性和可升级的空间加大。

专门设计制作了可供学生进行二次开发实验的二次开发板，并预留了大量的I/O口，可以方便的使学校在原有硬件电路的基础上开发新的实验内容。

5、同一实验箱中具备通用的三个低损耗光纤通信端口（850nm、1310nm、1550nm）；光发送机和光收端机分模块设计，使得学生可以更加直观地了解激光器的调制和解调，即电-光，光-电的转换原理过程；光发送和光接收分别采用分立元件（1310nm）和集成电路（1550nm）来实现，且电路参数可调，可通过特定的测试点来观测光发送和光接收本质原理的实现过程。

6、光发送时加入自动光功率控制电路，使得激光器的输出更加稳定，同时有利于对自动功率控制原理的理解；光接收时在已有前置放大和主放大的基础上，加入了信号的判决和再生，可以通过判决前后眼图的形状的不同深入的理解信号在光纤传输中的衰减特性和光接收的原理。

7、5B6B、5B1P、5B1C、CMI、HDB3编译码和扰码解扰码等光纤线路码型的加入，及其各自传输时的不同特性，使得学生可以进一步了解线路码型在光传输过程中的作用；无光告警、寿命检测电路的加入，有利于对光传输进行监测；2M速率信号光纤传输时的不中断法误码监测、误码指示及误码率、误码扩散系数的测量，使得学生更加深一步的了解光纤传输的特性。

8、各种光无源器件的使用方法及其特性的测试，使得教学和实际紧密地结合在了一起；波分复用+时分复用技术、电话热线呼叫时交换技术的使用，使得四台实验箱组网完成八部电话的全双工通信成为可能，从而完全模拟实际的电话通信系统；如果在光发和光收之间加入裸光纤，则可以实现四台实验设备几十公里长距离间的传输，语音、图像、计算机数据信号的单光纤传输，使得实验更加完整地体现了光纤发展新技术的要求。

9、本实验系统基于SDH设计，参照SDH和E1信号的帧结构制定了适合教学使用的2M伪SDH帧结构，帧结构已申请发明专利，此知识产权为我司独有。

实验箱采用2.048M传输速率，时分复用数据和复用方式灵活，使得实验箱的传送方式更加多样，在通过对比的基础上更加深入地了解复用的原理；伪SDH帧结构通信时的通道可自动选择，更加生动、直观的体现了SDH同步传输体制的结构和复用原理；时分解复用时采用终端显示，可直观地通过对比的方式检验复用解复用过程的正确性。

10、本系统可以实现多台实验箱间的环网通信，完成数字、语音等信号的多点之间的传输。

其中电话语音信号采用1号信令进行控制，与实际设备完全一致。

本实验系统可采用双纤通信模式，分为主环和备用环两部分，当主环工作不正常时，整个业务切换到备用环上，当主环恢复工作后，业务又切换回主环，实现通道自愈环保护功能。

11、整个实验系统大多采用开关控制，尽量少的使用连线，模块功能清晰，系统结构紧凑，操作方便，并且在设计时加入了大量的保护电路，安全性强。

二、主机箱及系统模块简介

它包含了光纤通信系统设备中的各个主要组成部分，具体由以下十四个模块组成。

其印刷电路板布局图如图0-2所示，每个模块均留出了关键的测试孔和测试钩，利于客户连线做系统实验以及测试用。

图0-2ZY1804I型光纤通信原理实验系统布局图

1、电源模块：

提供实验箱各模块电源。

2、串口通信模块：

主要用来实现实验箱与计算机之间的数据通信。

3、PCM编译码模块：

实现PCM编译码的功能。

4、电话模拟信号源模块：

实现电话之间的各种信号音功能。

5、模拟信号源模块：

用于产生系统实验所需的模拟正弦波、三角波信号。

6、数字信号源模块：

产生系统实验所需的数字信号及24位伪随机码，速率为64KB/s，其中各种数字信号和伪随机码的制可以通过拨码开关来控制。

7、数字终端模块：

实现终端数字信号值的显示和读出，数据的值通过二极管发光来显示。

8、HDB3编译码模块：

实现光纤线路接口码型HDB3的编码与译码。

9、中央控制器：

对接收到的数据进行处理，实现组网通信及数字信号网传输，帧同步码的产生，M序列伪随机信号的产生，不同速率的信号的复用和解复用，多种码型的编译码。

10、备用环（二次开发板模块）：

主环工作不正常时，所有业务切换到备用环上，实现通信的持续连接；同时预留了大量的I/O扩展口，可独立完成二次开发设计。

11、1310nm光发送模块：

实现模拟信号、数字信号在1310nm光发送机中的光传输及自动光功率控制功能（采用电路来实现）。

12、1550nm光发送模块：

实现模拟信号、数字信号在1550nm光发送机中的光传输及自动光功率控制功能（采用专用芯片来实现）。

13、1310nm光接收模块：

实现1310nm光纤传输信号的接收，实现接收信号光电转换，滤波及放大，将其恢复为标准的电脉冲数据信号

14、1550nm光接收模块：

实现1550nm光纤传输信号的接收，实现接收信号光电转换，滤波及放大，将其恢复为标准的电脉冲数据信号

客户可以通过上述十四个模块以及相应的配件，灵活组成各种不同光纤通信系统，如：

850nm波长光纤通信系统、1310nm波长光纤通信系统、1550nm波长光纤通信系统；同时也可以组成单模光纤通信系统、多模光纤通信系统；模拟光纤通信系统、数字光纤通信系统；时分复用传输系统和波分复用传输系统等光纤通信工程中常用的绝大多数光纤通信系统。

实验系统基本组成方框图如图0-3所示：

图0-3光纤传输实验系统方框图

实验系统主要由光发模块、光收模块、光无源器件和辅助通信模块等组成。

光发端机完成将电信号直接调制至光载波上去，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，由半导体光检测器将光信号转换成电信号从而达到传输信号的目的。

本实验系统可以完成模拟信号（正弦波、三角波、视频信号、音频信号）的光纤传输，也可以完成数字信号（NRZ码、CMI码、5B6B码、5B1C码、5B1P码、计算机串口数据）的光纤传输，也可以对系统的传输性能进行测试（系统的误码率、误码扩散系数等）；可以实现接口码型HDB3、线路码型CMI、PCM码型的编译码；也可实现多时隙的复接、两个光波长的波分复用、时钟提取、帧信号的提取等实用先进功能；也可以模拟SDH同步数字传输体系实现多台实验箱组网通信，及数字、模拟信号的传输；也提供了丰富的资源，以实现二次开发实验。

实验设备的具体性能指标如下：

1、电源模块输出：

+5V、+3.3V、+1.5V、-12V、-24V、-48V

2、方波信号输出

（1）时钟信号：

32.768MHz

（2）方波信号：

2.048MHz，256KHz，64KHz，8KHz

（3）数字基带信号：

码速率分别为2.048MHz，256KHz，64KHz

（4）频率输出误差：

≤±1%

（5）占空比：

50%。

3、正弦波信号输出

（1）正弦波信号：

1KHz，1.5KHz～8KHz

（2）频率输出误差：

≤±1%

（3）幅度0~5V连续可调

4、三角波信号输出

（1）三角波信号：

1KHz，1KHz～8KHz

（2）频率输出误差：

≤±1%

（3）幅度：

0V~5V连续可调

5、数字、模拟电话

（1）话音质量要求：

话音质量要求清晰，只允许有少量的脉冲噪声。

（2）其它指标无要求。

二、配件简介

ZY1804I实验系统的配件共两部分：

一部分装在无源器件箱内，一部分本身有独立包装，需单独配备。

1、无源配件箱

如图0-4所示，为供客户选配的光纤通信原理配件箱。

最大容量可装载：

波分复用器两个Y型分路器一个

FC-FC单模光跳线两根ST-FC多模光跳线两根

FC-FC多模光跳线一根ST-ST多模光跳线一根

850光发端机一个850光收端机一个

FC-FC适配器一个小可变衰减器一个

下载线一根带弹片连接线二十根

RJ45转DB9电缆线四根实验指导书一本

三相电源线一根实验报告一本

教师用书一本发货光盘一张

保修卡一张

2、第二部分配件

共有如下几种：

普通电话机两部扰模器一台

光功率计一台误码仪一台

视频传输配件（小电视机一台、摄像头一个、视频线四根）一套

图0-4无源器件箱示

系统的传输框图

波分复用

插入误码

2.048Mbps接口速率

扰码

解扰码

CMI编码

CMI译码

光接收

光发送

接收定时

误码监测

5B6B、NRZ、5B1P、5B1C编译码

码速率变换

电话接口

电话接续

控制

PCM

译码

复接

解复接

PCM

编码

数字源

数字终端

模拟信号

模拟信号

串口通信

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、上电后不可随意用手碰触芯片，尤其是管脚部分。

3、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。

4、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。

5、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。

6、实验箱使用完毕后，请把电流调节，幅度调节的开关逆时针旋到最小，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。

7、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。

8、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。

9、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。

10、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。

11、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。

12、本箱使用的地点应有相应防尘措施，若条件允许则应配套防尘服、防尘鞋等，避免由于灰尘进入实验箱而造成的测量误差和光器件的损坏。

实验十四光接收机原理实验

一、实验目的

1、了解光接收机的组成原理及其各部分的功能

2、掌握光接收机的电路原理

3、了解判决电路在光接收机中的作用

二、实验内容

1、测量光收端机接收信号的波形及相关测试点的参数

2、学习光接收机中判决电路的原理

三、实验仪器

1、ZY1804I型光纤通信原理实验系统1台

2、示波器1台

3、FC-FC单模光跳线1根

4、万用表1台

5、连接导线20根

四、实验原理

1、光接收机基本原理

数字光接收机在光纤通信系统中的作用是将光纤光缆传输后衰减变形的微弱光信号通过光-电转换成为光信号，并给予足够的放大、均衡与定时再生还原成为标准的数字脉冲信号。

数字光接收机的原理框图如图所示：

图14-1数字光机收机原理框图

其中光检测器是数字光接收机的核心元件，它将光脉冲转换成为电脉冲信号。

数字光纤通信中常用的光检测器主要有PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD）。

PIN光电二极管没有倍增，使用简单，工作偏压低，而且可以固定不变。

APD具有很高的内部倍增因子，它与合理设计的电子放大器结合，可以使APD工作在最佳倍增工作状态，这样可以使其获得比PIN光电检测器高10dB以内的接收灵敏度。

APD需要有较高的工作偏压，因此利用AGC（自动增益控制）电路对APD的工作电压进行控制。

前置放大器是数字光接收机中的关键部件，它与光检测器的合理匹配，要求能够得到从理论上可以得到的尽可能大的输出信噪比信号，并将这样的信号放大输出到有一定数量级的脉冲信号电压，一般为毫伏数量级。

主放大器是一个高增益的宽带放大器，它放大来自前置放大器的输出的小信号电压。

一般来说，它的作用是提供足够的增益，并通过它实现自动增益控制（AGC），以使输入光信号在一定范围内变化时，输出电信号保持恒定，通过主放大器的信号基本上是无失真的前置放大器的输出信号。

为了判决电平的需要，主放大器的输出电压为1～3V（峰-峰值）。

均衡电路一方面是对经光纤传输、光/电转换和放大后已产生畸变（失真）的电信号进行补偿，使输出信号的波形适合于判决（一般用具有升余弦谱的码元脉冲波形），以消除码间干扰，减小误码率。

另一方面是通过均衡可以合理的压缩主放大器过宽的带宽，减少数字接收放大器的噪声，提高其输出信噪比。

这样的波形送到判决电路可以得到最佳判决，从而得到理想的接收灵敏度。

再生电路包括判决电路和时钟提取电路，它的功能是从放大器输出的信号与噪声混合的波形中提取码元时钟，并逐个地对码元波形进行取样判决，以得到原发送的码流。

2、光接收机电路原理图

此电路可以作为发光二极管和1310nm半导体激光器的光接收部分电路图，其中光电检测器采用PIN光电二极管。

MAX435芯片及其外围电路实现主放大器的作用，用于放大光电检测器检测到的信号，测试钩TP902用于观察接收机接收到的数据信号。

发光二极管LED903用于显示光纤线路中传输光的状态，当接收端接收到信号时，发光二极管不亮，当没有信号时，发光二极管亮。

图14-2数字光机收机电路原理图

五、实验步骤

1、用导线连接中央控制器M和T903（13_DIN）。

2、将开关BM901拨为1310nm，将开关K902拨为“数字”，将开关BM902拨为1310nm，将开关K901拨为“通信”，将电位器W901、W907逆时针旋转到最小。

将中央控制器的开关K1拨为“主”。

3、旋开1310nm光发端机光纤输出端口防尘帽，用FC-FC光纤跳线将半导体激光器与1310nm光接收机连接起来。

4、用万用表测量T904（TV+）和T905（TV-）之间的电阻值（电阻焊接在PCB板的反面），找出所测电压与半导体激光器驱动电流之间的关系（V＝IR973）。

注释：

在回路中测R973的电阻值，不准确！

所以在测之前要将回路断开。

另外，考虑到万用表本身的精度问题，也可不测R973的电阻值，直接用1Ω来做实验。

5、打开交流电源。

6、慢慢调节电位器W901（数字驱动调节），用万用表测量T904（TV+）和T905（TV-）两端电压（红表笔插T904，黑表笔插T905），使之为17mV左右。

7、用示波器探头测量TP902（13OUT）处的波形，利用另一通道测量输入数据T903（13_DIN），比较两者波形之间的差异。

缓慢的调节电位器W909（幅值调节），观测此时接收信号幅度的变化情况。

注释：

差异主要体现在接收波形的幅度，延迟和失真程度上。

8、用示波器的两个探头同时测量输入数据T903（13_DIN）和T908（13_DOUT）的波形，调节电位器W903（判决电平调节），直到输出和输入数据完全相同为止。

注释：

数据完全相同主要体现在数据波形的占空比上。

W903（判决电平调节）用于调节探测器接收信号的占空比。

9、用示波器探头同时测量TP902（13OUT）和T908（13_DOUT）的波形，分别调节电位器W909和W903，观察两者的变化。

10、设计850nm光接收原理实验。

11、做完实验后先关闭交流电开关，拆下光跳线，用防尘帽盖住实验箱半导体激光器光纤输出端口，将实验箱还原。

六、实验结果

通道一TP902处的数据输入波形通道一T903（13_DIN）处的数据输入波形

通道二T903（13_DIN）处的数据波形通道二T908（13_DOUT）处的数据波形

七、思考题答案

1、为什么在光接收机中需加入判决电路？

实验二十五电话光纤传输系统实验

一、实验目的

1、了解电话及语音信号通过光纤传输的全过程

2、掌握模拟电话、数字电话光纤传输的工作原理

二、实验内容

1、电话光纤传输系统实验

2、各种信号音及语音测试

三、实验仪器

1、ZY1804I型光纤通信原理实验系统1台

2、20MHz双踪数字示波器1台

3、FC-FC单模光跳线1根

4、电话机2部

5、万用表1台

6、850nm光发端机和光收端机（可选）1套

7、ST-ST多模光跳线（可选）1根

8、连接导线20根

四、实验原理

对于局间通信来说，电话语音通信具有举足轻重的作用。

以电话通信网络为载体，各种模拟（或数字）信号的传输系统已经商业化。

如电话、传真、拨号网络通信等业务都是在局间电话网上实现的。

图25-1电话模拟光纤传输

图25-2电话数字光纤传输

电话语音信号的光纤传输分为两种方式：

一种方式为模拟电话光纤传输，即电话用户接口输出的模拟信号直接送入光纤模拟信号传输信道，从而实现两部电话的通话（由于模拟信号无法直接进行时分复用，因此模拟电话光纤传输只能传输一路电话语音信号，另一路电话语音信号直接用连接导线代替光纤），实验方框图如图25-1所示。

另一种方式为数字电话光纤传输。

在数字传输系统中，几乎所有业务均以一定的格式出现，因而在信道上对各种业务传输之前要对业务的数据进行包装。

信道上对业务数据包装的过程称之为帧组装。

不同的系统、信道设备帧组装的格式、过程不一样。

时分复用制的数字通信系统，在国际上已逐渐建立起标准并广泛使用。

时分复用（TDM）的主要特点是在一个信道上利用不同的时隙来传递各路（语音、数据或图像）不同信号。

各路信号独立、互不干扰。

实际的电话业务共有32个时隙，其中30个时隙用于话音业务。

第一个时隙为定位时隙，用于做帧同步提取用。

第二到第十六个时隙传输话音业务，第十七个时隙用于信令信号传输，以实现信令的接续。

第十八到三十二时隙用于话音业务。

在我们的实验箱中，采用基于SDH复用形式定义的帧结构，32个时隙分为六个通道，每个通道传输一路话音业务。

电话用户接口输出的两路模拟信号经过PCM编码以后，利用时分复用的方式，将两路信号数字调制成一路信号，然后送入光发端机中进行光纤传输，光收端机接收的信号通过时分解复用，实现信号的分离，分别送入两个电话用户接口电路中，实现两部电话的全双工通话，其方框图如图25-2所示。

在PCM编译码中，帧同步信号为8KHz，一帧信号分为32个时隙，其同步码为固定的码流“01011011”，话音信号自动插入可用通道，具体形式参见实验三。

在此实验中，实验原理主要采用25-2来进行电话信号的传输。

五、实验步骤

1、用导线连接中央控制器D_OUT和T901（15_DIN），D_IN和T902（15_DOUT），分别接好两部电话。

2、旋开1550nm光端机保护帽，利用FC-FC单模光跳线将1550光发端机和1550光接收机连接起来。

将拨码开关K705拨为“00110000”。

将中央控制器的开关K1拨为“主”。

3、将PCM编译码模块的开关K301，K401，K402，K403和K404分别拨向下。

4、将拨码开关K703（A机号码）的值拨为“0001”，使A机号码为3201；拨码开关K704（B机号码）的值拨为“0010”，使B机号码为3202。

注释：

本实验箱要求为每一部电话设置一个电话号码，电话号码为3201到3215，电话号码前两位固定为32，后两位（电话地址）由拨码开关K703和K704人为输入，对应两个拨码开关所拨的二进制数值，例如预设A机电话号码为3201，则将拨码开关K703（A机号码）的值拨为“0001”。

多台实验箱组网通信时要求电话号码设置和终端地址设置不能重复。

5、打开交流电源。

6、将两部电话摘机，即可进行全双工通话。

其中接续控制部分的内容见试验一。

7、根据以上步骤设计1310nm数字电话光纤传输实验。

注释：

用1310nm光端机进行环网通信时，首先要调节光收端机的判决电平调节，使得环路同步，然后进行通信。

8、实验完成后，关闭交流电源，拆除所有的连线，将实验箱还原。

六、实验结果

略

七、思考题答案

1、能否用一根光纤传输两路模拟信号，如果可以，如何实现？

如果不行，说明理由。

2、与模拟电话相比，数字电话有哪些优点?

3、画出伪SDH帧的一帧的结构示意图，用示波器观察各帧的波形，说明一帧信息中各时隙代表的意义。

实验二十七波分复用技术实验

一、实验目的

1、了解光纤接入网中波分复用原理

2、掌握波分复用技术及实现方法

二、实验内容

1、实现用两种连接方式组成1310nm与1550nm光纤通信的波分复用系统

三、实验仪器

1、ZY1804I型光纤通信原理实验系统1台

2、20MHz双踪数字示波器1台

3、万用表1台

4、波分复用器2个

5、FC-FC适配器1个

6、连接导线20根

四、实验原理

随着人类社会信息时代的到来，对通信的需求呈现加速增长的趋势。

发展迅速的各种新型业务（特别是高速数据和视频业务）对通信网的带宽（或容量）提出了更高的要求。

为了适应通信网传输容量的不断增长和满足网络交互性、灵活性的要求，产生了各种复用技术。

本实验重点是光的波分复用WDM（Wa