光纤技术实验部分参考资料.docx
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光纤技术实验部分参考资料
实验6LED光源I-P特性研究
一、实验目的：
1.了解LED光源的发光机理。
2.观察测量LED光源的光学特性和电学特性。
二、实验原理：
LED（即发光二极管）是靠PN结附近的电子和空穴对的复合而进行自发辐射发光。
当给发光二极管的PN结加正向电压时，外加电场将削弱内建电场，便空间电荷区变窄，载流子的扩散运动加强，由于电子迁移率总是远大于空穴的迁移率，因此，电子由N区扩散到P区是载流子扩散运动的主体。
由半导体的能带理论可知，当导带中的电子与价带中的空穴复合时，电子由高能级跃迁到低能级，电子将多余的能量与发射光子的形式释放出来，产生电致发光现象。
这就是LED的发光机理。
本实验利用FOC-Ⅱ光通信实验系统进行LED光源I-P特性的观察测量，系统所用LED光源中心波长为850nm。
三、实验内容与步骤：
1、取仪器配套的光纤一根，将其中一端与LED光源的插座相连，另一端与PIN探测器的插座相连。
2、接通电源，选择模拟通信方式。
光发射机显示窗上示值为相对偏置电流值，单位为mA，光接收机显示窗上示值为光功率当量。
※注：
偏置电流值与光功率当量均为相对值，与真实数值成线性关系，但并非真实数值，且仪器不同可能示值稍有差别。
且由于光探测器有一直流偏置，即便没有光输入时光功率当量窗口仍然有显示（164左右），数据处理时可将此数值减去。
3、调节光发射机的“输入”键至“MIC”档位，调节“调制”键至“DIM”档位。
4、调节光接收机的“模拟”键至“DIM”档位（仅在此档位光功率计示值有效）。
接收机后面板上的探测器切换开关置“光纤通信”档（弹起状态）。
5、调节光发射机上的偏置电流调节按键（上三角键和下三角键），从0开始逐渐加大驱动电流，每次变化lmA，对应记下响应光功率当量，至光功率当量变化不明显为止。
6、将发射机上的偏置电流重新归零，调节光发射机的“输入”键至“正弦波”档位。
（与步骤3、比较，有何不同？
）
7、再调节发射机偏置电流，并用示波器观察接收机“TP2”端的信号，至波形刚好完全出现，记录下此时的偏置电流值。
8、继续调节发射机偏置电流，并用示波器观察接收机“TP2”端的信号，至波形无明显失真，记录下此时的偏置电流值。
9、继续调节发射机偏置电流，并用示波器观察接收机“TP2”端的信号，至波形顶端刚刚出现削顶，记录下此时的偏置电流值。
10、将步骤5、所得数据的驱动电流作为横坐标，光功率当量作为纵坐标，绘制LED驱动电流I与光功率输出P的关系曲线。
四、思考题：
1.分析实验数据，叙述LED光源的I-P特性曲线的特点。
2.若用此器件传输信号，应如何选择合适的静态工作点，信号的幅度应控制在怎样的范围内？
实验7LD光源I-P特性研究
一、实验目的：
1.了解LD光源的光源的发光机理。
2.观察测量LD光源的光学特性和电学特性。
二、实验原理：
半导体激光器LD发光有三个条件：
受激辐射、粒子束反轱、谐振腔。
受激辐射是在外来光影响下产生的，处于高能级上的原子在外来一个频率ν21＝（E2－E1）/h的光子激励下，由
高能级向低能级跃迁。
受激辐射产生的光子与外来光子具有完全相同的特征，即它们的频率、相位、振动方向和传播方向均相同，因而，受激辐射发出的光是相干光。
在一个外来光子作用下，最终可得到许多全同光子，这种现象称为光放大。
受激吸收是受激辐射的逆过程，要使激光物质能对光进行放大，必须使物质中受激辐射大于受激吸收，此时物质中原子数出现反转分布，即高能级上的粒子数多于低能级上的粒子数，这种现象称为粒子数反转。
光通过粒子数反转分布的激活物质，发生受激放大作用。
但此时还没有形成一定的振荡方式，为此必须由一个光学谐振腔，才能实现真正的激光作用。
谐振腔的作用，一方面是使一些满足谐振条件的光，在往返多次振荡中得到放大；同时也使那些不能满足谐振条件的光在往返中逐渐消失，从而得到一定振荡模式的激光输出。
半导体激光器是利用在有源区中受激而发光的光器件，只有在工作电流超过阈值电流的情况下，才会输出激光，因而是有阈值的器件。
本实验利用FOC-Ⅱ光通信实验系统进行LD光源I-P特性的观察测量，系统所用LD光源中心波长为650nm。
三、实验内容及步骤：
1、将带调节架的LD光源和探测器，分别与光发射机、光接收机相连。
2、接通电源，选择模拟通信方式。
光发射机显示窗上示值为相对偏置电流值，单位为mA，光接收机显示窗上示值为光功率当量。
3、调节光发射机的“输入”至“MIC”档位，调节“调制”至“DIM”档位。
4、调节光接收机的“模拟”至“DIM”档位（仅在此档位光功率计示值有效），接收机后面板上的探测器切换开关置“空间激光通信”档（按下状态）。
5、调节光发射机上的偏置电流调节按键（上三角键和下三角键），从0开始逐渐加大驱动电流，观察LD输出激光束亮度变化，至变化不明显为止。
6、选择合适亮度，调节金属调节架上的调节旋钮，使激光束对准探测器。
7、选择实验起点，每次变化lmA，对应记下响应光功率当量，至光功率当量变化不明显为止。
8、将所得到的数据电流作为横坐标，光功率当量作为纵坐标，绘制出LD驱动电流I与光功率输出P的关系曲线。
9、参照实验6的步骤6、7、8、9之方法，通过LD传输一正弦波信号，确定其合适的静态工作点。
四、思考题：
1.分析实验数据，叙述LD光源的I-P特性曲线的特点。
2.若用此器件传输信号，应如何选择合适的静态工作点，信号的幅度应控制在怎样的范围内？
3.与LED光源I-P特性曲线相比，LD光源有哪些优点和缺点。
实验8语音信号的模拟基带直接调制光纤传输
一、实验目的：
1.了解模拟基带直接光强调制的有关知识；
2.观察语音信号的模拟基带直接光强调制光纤传输方式的信号特征。
实验仪器：
FOC-Ⅱ光通信实验系统
三、实验步骤：
1、将光纤跳线的一端与发射机LED光源的插座相连，另一端与接收机PIN探测器的插座相连。
2、将麦克风连接至发射机音频输入端子（也可将其它音频输入设备接入该处）。
3、通过仪器后面版上的切换开关，选择光纤通信方式。
4、接通电源，选择模拟通信方式。
5、调节光发射机的“输入”至“MIC”，调节“调制”至“DIM”档位。
6、调节光接收机的“模拟”至“MIC”档位。
7、用示波器观察光发射机TPl，确定音频信号幅度。
8、根据实验6的结果，调节光发射机上的偏置电流调节按键，选择合适的静态工作点。
9、用示波器观察光发射机TP6、TP8，观察经驱动电路调制后音频信号波形。
10、用示波器观察光接收机TPl、TP2，观察经光纤传输后接收到的音频信号波形。
11、调节音量调节旋钮，选择合适音量。
（注：
由于探测器端放大倍数较大，如果音量过大可能会造成扬声器驱动电路自激，此时扬声器有啸声，调节音量旋钮即可消除啸声。
）
实验9语音信号的模拟基带直接调制空间激光通信
一、实验目的：
1.了解LD光源的直接驱动调制特性;
2.观察空间激光通信的信号传输特性及空间激光通信的干扰与窃听。
二、实验仪器：
FOC-Ⅱ光通信实验系统
三、实验步骤：
1、将带调节架的LD光源和探测器，分别与光发射机、光接收机相连。
2、将麦克风连接至发射机音频输入端子（也可将其它音频输入设备接入该处）。
3、通过仪器后面版上的切换开关，选择空间激光通信方式。
4、接通电源，选择模拟通信方式。
5、调节光发射机的“输入”至“MIC”，调节“调制”至“DIM”档位。
6、调节光接收机的“模拟”至“MIC”档位。
7、用示波器观察光发射机TPl，确定音频信号幅度。
8、根据实验7的结果，调节光发射机上的偏置电流调节按键，选择合适的静态工作点。
9、用示波器观察光发射机TP6、TP8，观察经驱动电路调制后音频信号波形。
10、用示波器观察光接收机TPl、TP2，观察经空间传输后接收到的音频信号波形。
11、调节音量调节旋钮，选择合适音量
12、将分束镜插入通信激光束中，从中即可分出一束激光，而且对原通信质量影响不大。
13、来回转动分束镜或插入一块毛玻璃，则通信质量会受到明显干扰。
14、将探测器对准窃出的激光束，调节合适音量，即可实现窃听。
实验10视频信号的光纤传输实验
一、实验目的：
1.了解全电视信号的组成；
2.观察视频信号的光纤传输特性。
二、实验原理：
在FOC-Ⅱ光通信实验系统中，使用单色CCD摄像头作为视频信号的输入设备。
实际上发送端产生并发送的是一个复合视频图像信号——全电视信号，它包括三个部分：
行消隐信号的作用是消除水平回扫线，场消隐信号的作用是消除竖直方向上的回扫线；行同步信号使显像管和摄像头中的行扫描同步，场同步信号使显像管和摄像头中的场扫描同步。
全电视信号的波形如图a所示。
图中第一排表示一幅画面的全电视信号，第二排是行扫描锯齿波电流波形，第三排是场扫描锯齿波电流波形。
同步信号电平为100%，消隐电平（黑色电平）为75%，白色电平为12·5%；黑色电平和白色电平之间为灰色电平，图像信号的电平在此范围内。
图a一幅画面的全电视信号
图b是将图a的一部分放大来看。
图中：
①是一行时间内的视频图像信号，它携带着一行的图像信息，出现在行扫描的正程时间内；
图b全电视信号局部放大
②是行消隐信号，其脉冲宽度为12μs，出现在行扫描的逆程时间内；
③是场扫描信号，其脉冲宽度为1.6ms，占有25行时间，它出现在场扫描的逆程时间内；
④是行同步信号，脉冲宽度4.7μs；
⑤是场同步信号，脉冲宽度为0.16ms。
三、实验内容及步骤：
1、取仪器配套的光纤一根，将其中一端与LED光源的插座相连，另一端与PIN探测器的插座相连。
2、取仪器普通的视频线2根，分别连接摄像头与光发射机的视频输入端子、显示器与光接收机的视频输出端子。
3、接通摄像头、显示器、主机电源，按下发射机与接收机的“VIDEO”。
4、通过仪器后面版上的切换开关，选择光纤通信方式。
5、将示波器拨至视频档位（多数示波器有此档位），观察光发射机TP7、TP8，此时示波器显示为视频信号。
6、观察光接收机的TP8波形，比较与发射机有何不同。
7、记录观察到的视频信号的大体形状，并指出各部分名称。
四、思考题：
1.行消隐和场消隐信号的作用是什么，没有会怎样？
2.行同步和场同步信号的作用是什么，若发射与接收不同步，图像会怎样变化？
3.若一幅画面的信号数为400×625个，为了保证活动图像的连续性，每秒应送出25幅画面，则视频信号的频率范围是多少。
（答案6.25兆）
4.全电视信号的高频和低频部分分别传送的是图像的哪些部分。
（答案高频传送细节，低频传送大面积图像）
实验11模拟信号的脉冲频率调制（PFM）传输
一、实验目的：
1.掌握脉冲频率调制的基本原理和实验电路；
2.观察模拟信号的脉冲频率调制及光纤传输。
二、实验原理：
脉冲频率调制（PFM）是一种模拟信号脉冲调制方式，在高质量电视信号传输中被广泛应用。
PFM的特点是：
输出脉冲序列的幅度维持不变，而输出脉冲频率与中心频率的变化量与输入信号的幅度成正比。
为了实现对外加信号所包含信息的调制，必须将中心频率设置至少大于输入信号的最高频率两倍以上。
本实验设置为5OkHz左右。
脉冲频率调制的专用电路，利用其输出方波频率受输入电压控制实现脉冲频率调制，使输出方波的信号频率受到输入信号的调制。
脉冲频率调制解调方案为，将输入的脉冲频率信号倍频，将信号的频谱搬运到2倍频处，通过低通滤波便可实现脉冲频率信号的解调，恢复出原始信号。
三、实验内容及步骤：
1、将信号设置到正弦波输入状态，选择调制方式为PFM，用示波器观察发射机TP2端的输入波形和TP3端的调制输出波形；
2、正确设置好LED的驱动电流，示波器探头接TP8，观察LED光源两端的调制波形；
3、连结好传输光纤，在接收端将解调方式选择为PFM；
4、再调节LED驱动电流，观察记录接收机TP1的解调输入和TP3的解调输出波形。
实验12模拟信号的脉冲宽度调制（PWM）传输
一、实验目的：
1.掌握脉冲宽度调制及解调的基本原理;
2.观察模拟信号的脉冲宽度调制及光纤传输。
二、实验原理：
脉冲宽度调制（PWM）像调幅和调频一样可用于低频信号的调制传输。
PWM的特点是：
载波脉冲信号的频率和幅度维持不变，而脉冲的宽度随外加低频信号的变化而改变。
脉冲宽度调制器的作用就是实现上述变化，将输入的模拟信号变成一序列的宽度不等的脉冲信号。
脉冲信号的传输相对模拟信号而言有利于减少噪声的干扰和防止信号的畸变，而且脉冲信号容易恢复和中继。
由于噪声和干扰的存在，脉冲信号容易受到破坏而导致失真变形，但即使这样的信号也很容易重新触发产生新的脉冲序列信号，进行下次传输。
脉冲宽度调制其包含一个振荡器（产生频率不变的方波载波信号）和脉宽控制器（施密特触发器或单稳态触发器）。
外加的模拟信号控制脉宽控制器改变脉冲的宽度，将模拟信号包含的信息编入到脉冲序列中进行传输。
图a脉冲宽度调制器的实验电路
本实验的实验电路由一片双时基集成电路NE556构成，分别用于构成振荡器（a）和单稳态触发器（b）。
图a给出了脉冲宽度调制器的原理电路。
由图a分析该脉冲宽度调制器的各部分功能。
载波振荡器由电阻R6、R7和电容C12组成。
R6、R7和C12决定充电时间t1，而R7和C12决定放电时间t2，他们之间的关系如下：
t1=0.693（R6+R7）C12
t2=0.693R7C12
周期T和频率f可分别由下式来计算：
T=t1+t2=0.693（R6+2R7）C12
f=1/T=1.44/（R6+2R7）C12
该脉冲信号的占空比通常用百分数来表示，可由下式计算：
D=T1/T2
式中T1和T2分别是一个周期内的脉冲宽度和空电平宽度。
阻容元件R1和C1决定了脉宽控制器输出的脉冲宽度。
模拟信号从3脚输入从5脚输出。
图b给出了输入为正弦信号的调制波形。
图b输入为正弦信号的调制波形
图c脉冲宽度解调电路
图c给出的是接收机的原理电路图。
从光电二极管接受到的光信号被转化为电信号送入前级放大器进行放大。
放大后的信号送入有源带阻滤波器，它的中心频率是发射机的载波频率，由电阻R2和R5进行调谐。
该滤波器对输入的载波信号提供大于40dB的衰减。
带阻滤波器的输出信号被送入由R8和C5组成的低通滤波器进一步衰减载波信号。
放大器C主要提供对低频模拟信号的放大。
在实验开始需调节好脉冲宽度调制器的发射机，并用光纤将发射机和接收机连接好。
三、实验内容及步骤：
1、选择输入波形为正弦波，选择调制方式为PWM（脉冲宽度调制），用示波器观察发射机TP2端的调制输入波形和TP4端的调制输出波形；
2、正确设置好LED的驱动电流，观察发射机TP8端的LED光源两端的调制波形；
3、连结好传输光纤，在接收端将解调方式选择为PWM；
4、观察并纪录接收机TP1端的解调输入波形和TP4端的解调输出波形。
四、思考题：
1.在脉冲宽度调制实验中，振荡器的工作频率应（高于/低于）脉宽控制器的频率。
2.PWM实验中，载波频率由决定。
3.PWM实验中，振荡器的输出脉冲宽度是由决定的。
4.连接发射机和接收机的光纤长度变化对载波信号的幅度将产生什么影响？
5.接收机的增益调节可以如何实现？
实验13数字信号基带传输
一、实验目的：
了解数字信号基带传输特性。
二、实验原理：
在有些数字通信系统中，传输的数字信号不需要进行调制和解调，直接用基带信号进行传输，这种传输方式叫做数字基带传输。
在本实验系统中专门设计了伪随机码发生器，可用来做数字基带传输实验，其发出的波形为00001110110010101。
其中包含了数字通信中常常遇到的长连"0"和长连"1"的情况。
图a时钟产生电路原理图
图b伪随机码发生器原理图
时钟信号是光通信实验系统中数字通信部分的重要部分，以上是本机时钟产生电路的原
理图。
输出波形如下：
三、实验内容及步骤：
1、用一根仪器配套的光纤，将其中一端与LED光源的插座相连，另一端与PN探测器的插座相连。
2、通电源，选择数字通信方式（ANA/DIG键按下状态）。
3、通过仪器后面版上的切换开关，选择通信方式为光纤通信。
4、通过“数字”按键选择“DAT”档位，此时光发射机发出的为伪随机码。
5、用示波器观察光发射机TP5输出系统时钟信号并测量其频率。
6、用示波器观察光发射机TP6输出的伪随机码并测量其频率。
7、用示波器观察接收机TPl输出的伪随机码并与发射端比较，观察变化。
四、思考题：
1.与模拟通信方式比较，数字通信的优点有哪些?
2.分析时钟产生电路原理。
3.分析伪随机码发生器原理。
实验14数字编码传输实验
一、实验目的：
了解数字编码传输的方法
二、实验原理：
实际应用的光纤数字传输系统绝大多数都是将信号进行编码传输的，接口码型从我国所采用的数字通信标准制式来看有两种，即HDB3码（HighDensityBipolarCodes三阶高密度双极性码）和CMI码（CodedMarkInversion传号反转码）。
本实验系统所采用的线路码型为CMI码，其编码原则为“1”交替用“00”和“11”表示，而“0”固定用“01”表示。
CMI码的特点是：
①编译码电路简单，便于设计和调试；②CMI码功率谱中的直流分量恒定，最大连“0”和连“1”数都是3个，便于定时提取；③具有误码监测功能；④CMI码的速率是编码前信号速率的两倍。
由于CMI具有以上特点CCITT（国际电话与电报顾问委员会）建议，在速率低于8448kb/s的光纤数字传输系统中作为线路传输码型。
基于CMI编码规则，本机编码原理图如下：
图aCMI编码电路原理图
图bCMI编码时序图
当信码经光纤传输后，经光接收机检测并放大送入解码模块。
同编码一样，解码也需要时钟信号来同步，而且时钟频率必须与信码的频率完全一致。
显然外加另一个时钟是不可行的（也不可能找到两个完全一致的晶体振荡器），时钟应该是从信码中获得。
为此，本实验系统参考实际的数字通信设备，设计了如图c所示的时钟提取电路。
图c时钟提取电路原理图
采用这种电路来提取时钟的理由，是因为CMI码的最大连零数只有3个，对提取用的滤波器Q值要求不高。
集成电路采用可重触发的单稳态振荡器，由信码去触发一个单稳态触发器，在其反向输出端得到一变窄了的反向脉冲序列，再用此反向脉冲序列去控制一个多谐振荡器就可以产生定时时钟。
解码是编码的逆过程，如果输入的是“11”或“00”则输出“1”，如果输入的是“01”，则输出“0”，其时序图可参照图b。
解码电路原理如图d所示。
图dCMI解码电路原理图
三、实验内容及步骤：
1、用一根仪器配套的光纤，将其中一端与LED光源的插座相连，另一端与PN探测器的插座相连。
2、通电源，选择数字通信方式（ANA/DIG键按下状态）。
3、通过仪器后面版上的切换开关，选择通信方式为光纤通信。
4、通过“数字”按键选择“CMI”档位，此时光发射机发出的为经CMI编码后的数据。
5、用示波器观察光发射机TP5输出系统时钟信号并测量其频率。
6、用示波器观察光发射机TP6输出的CMI码并测量其频率。
7、用示波器观察光接收机TP5时钟提取电路分离出的反向脉冲序列。
8、用示波器观察光接收机TP6时钟提取电路分离出的信号时钟。
四、思考题：
1.CMI编码有那些优点?
2.读懂图a、c、d，试给出各点波形。
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