《光纤通信》
实验指导书
王玮
中南大学信息科学与工程学院电子与通信工程系
二〇一四年五月
目 录
实验操作注意事项 ............................................................................................................................. 3
实验基本操作规范 ............................................................................................................................. 4
主控&信号源模块说明 ...................................................................................................................... 5
光源的P-I特性测试 ................................................................................................................ 11
光发射机消光比测试 ............................................................................................................... 13
模拟信号光纤传输系统 ........................................................................................................... 15
PN序列光纤传输系统 ............................................................................................................. 17
CMI码编译码及其光纤传输系统 ........................................................................................... 19
《光纤通信》实验报告 ................................................................................................................... 22 2
实验操作注意事项
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，除此之外，还应注意对人体的伤害。为了保证实验顺利地进行，请注意以下事项：
⒈ 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，正确连接导线，以免造成光学器件和芯片的损坏。
⒉ 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。
⒊ 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，遇到问题须向老师报告。
⒋ 实验过程中切不可将光纤输出端对准自己或别人的眼睛，以免损伤眼睛。 ⒌ 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。
⒍ 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。 3
实验基本操作规范
为做好本实验，这里为实验者提出了一定的操作参考方法，请按本说明做好实验前期模块准备、参数设置、波形观测等一系列基本操作：
⒈ 实验前先检查所需模块是否固定好，供电是否良好。在未连线的情况下打开实验箱总电源开关及各模块电源开关，模块右边电源指示灯应全亮；若不亮，请关电后拧紧模块四角的螺丝再检查。
⒉ 准备工作做完后，请在断电情况下根据实验指导书步骤进行连线。 ⒊ 打开电源开关后需要先进行菜单设置再进行实验。通电后，首先弹出的是公司LOGO界面，然后自动进入到主菜单界面，旋转控制旋钮选择所需实验课程，按下旋钮进入实验课程，再在实验课程中选择所需实验。选择所需实验时会弹出响应的实验信息提示，按下确定键，提示框即消失，进入所选实验界面。 ⒋ 实验观测前，需要调节信号源输出信号相关参数。用示波器探头夹夹住导线的金属头，将导线另一头连接待测信号源输出端口，再调节相应旋钮和按键开关。
⒌ 观测实验波形时，有三种基本测试方法。
⑴ 对于测试勾，可直接用示波器探头夹夹住测试勾后并确定夹紧即可； ⑵ 或将示波器探头夹取下来，直接用探头夹接触测试点，观察波形时需要注意固定好示波器探头；
⑶ 对于台阶插座，可用导线连接台阶座与示波器探头夹子，连接方法与上面第⒋点中的叙述相同。
⒍ 本实验指导书中实验步骤基本分为四点：
⑴ 连线；
⑵ 实验初始状态设置，此设置中包含菜单设置，实验前模块拨码开关设置以及信号源输出设置等；
⑶ 实验初始状态说明，统一说明了实验中各信号源初始状态及实验环境； ⑷ 观测，针对各实验项目要求，用示波器等辅助仪器观测并记录实验结果。 4
主控&信号源模块说明
一、 按键及接口说明
图1 主控&信号源按键及接口说明
二、 功能说明
该模块可以完成如下五种功能的设置，具体设置方法如下：
1、 模拟信号源功能
模拟信号源菜单由“信号源”按键进入，该菜单下按“选择/确定”键可以依次设置：“输出波形”→“输出频率”→“调节步进”→“音乐输出”→“占空比”（只有在输出方波模式下才出现）。在设置状态下，选择“选择/确定”就可以设置参数了。菜单如下图所示：
（a）输出正弦波时没有占空比选项 （b）输出方波时有占空比选项
图2 模拟信号源菜单示意图
注意：上述设置是有顺序的。例如，从“输出波形”设置切换到“音乐输出”需要按3次“选择/确定”键。
下面对每一种设置进行详细说明： a. “输出波形”设置
5
一共有6种波形可以选择：
正弦波：输出频率 10Hz~2MHz
方波： 输出频率 10Hz~200KHz
三角波：输出频率 10Hz~200KHz
DSBFC（全载波双边带调幅）：
由正弦波作为载波，音乐信号作为调制信号。输出全载波双边带调幅。
DSBSC（抑制载波双边带调幅）：
由正弦波作为载波，音乐信号作为调制信号。输出抑制载波双边带调幅。
FM：载波固定为20KHz，音乐信号作为调制信号。
b. “输出频率”设置
“选择/确定”顺时针旋转可以增大频率，逆时针旋转减小频率。频率增大或减小的步进值根据“调节步进”参数来。
在“输出波形”DSBFC和DSBSC时，设置的是调幅信号载波的频率；
在“输出波形”FM时，设置频率对输出信号无影响。
c. “调节步进”设置
“选择/确定”顺时针旋转可以增大步进，逆时针旋转减小步进。步进分为：“10Hz”、“100Hz”、“1KHz”、“10KHz”、“100KHz”五档。
d. “音乐输出”设置
设置“MUSIC”端口输出信号的类型。有三种信号输出“音乐1”、“音乐2”、“3K+1K正弦波”三种。
e. “占空比”设置
“选择/确定”顺时针旋转可以增大占空比，逆时针旋转减小占空比。占空比调节范围10%~90%，以10%为步进调节。
2、 数字信号源功能
数字信号源菜单由“功能1”按键进入，该菜单下按“选择/确定”键可以设置：“PN输出频率”和“FS输出”。菜单如下图所示：
6
图3 数字信号源菜单
a. “PN输出频率”设置
设置“CLK”端口的频率及“PN15”端口的码速率。频率范围：1KHz~2048KHz。 b. “PN输出码型”设置
c. “FS输出”设置
设置“FS”端口输出帧同步信号的模式：
模式1： 帧同步信号保持8KHz的周期不变，帧同步的脉宽为CLK的一个时钟周期。
（要求“PN输出频率”不小于16K，主要用于PCM、ADPCM编译码帧同
步及时分复用实验）
模式2： 帧同步的周期为8个CLK时钟周期，帧同步的脉宽为CLK的一个时钟周
期。（主要用于汉明码编译码实验）
模式3： 帧同步的周期为15个CLK时钟周期，帧同步的脉宽为CLK的一个时钟周
期。（主要用于BCH编译码实验）
3、 移动通信实验菜单功能
按“主菜单”按键后的第一个选项“移动通信”，再确定进入各实验菜单。
进入“移动通信”菜单后，逆时针旋转光标会向下走，顺时针旋转光标会向上走。按下“选择/确认”时，会设置光标所在实验的功能。有的实验有会跳转到下级菜单，有的则没有下级菜单，没有下级菜单的会在实验名称前标记“√”符号。
在选中某个实验时，主控模块会向实验所涉及到的模块发命令。因此，需要这些模块电源开启，否则，设置会失败。实验具体需要哪些模块，在实验步骤中均由说明，详见具体实验。
4、 模块设置功能*（该功能只在自行设计实验时用到）
按“主菜单”按键后的第二个选项“模块设置”，再确定进入模块设置菜单。在“模块设置”菜单中可以对各个模块的参数分别进行设置。如下图所示：
7
图4“模块设置”菜单
a. 1号 语音终端&用户接口
设置该模块两路PCM编译码模块的编译码规则是A律还是μ律。
b. 2号 数字终端&时分多址
设置该模块BSOUT的时钟频率。
c. 3号 信源编译码
可设置该模块FPGA工作于“PCM编译码”、“ADPCM编译码”、“LDM编译码”、“CVSD编译码”、“FIR滤波器”、“IIR滤波器”、“反SINC滤波器”等功能（测试功能是生产中使用的）。由于模块的端口会在不同功能下有不同用途，下面对每一种功能进行说明：
i. PCM编译码
FPGA完成PCM编译码功能，同时完成PCM编码A/μ律或μ/A律转换的功能。其子菜单还能够设置PCM编译码A/μ律及A/μ律转换的方式。端口功能如下：
编码时钟：
编码帧同步：
编码输入：
编码输出：
译码时钟：
译码帧同步：
译码输入：
译码输出：
A/μ-In： 输入编码时钟。 输入编码帧同步。 输入编码的音频信号。 输出编码信号。 输入译码时钟。 输入译码帧同步。 输入译码的PCM信号。 输出译码的音频信号。 A/μ律转换输入端口。
A/μ律转换输出端口。 A/μ-Out：
ii. ADPCM编译码
FPGA完成ADPCM编译码功能，端口功能和PCM编译码一样。
8
iii. LDM编译码
FPGA完成简单增量调制编译码功能，端口除了“编码帧同步”和“译码帧同步”是没用到的（LDM编译码不需要帧同步），其他端口功能与PCM编译码一样。
iv. CVSD编译码
FPGA完成CVSD编译码功能，端口除了“编码帧同步”和“译码帧同步”是没用到的（CVSD编译码不需要帧同步），其他端口功能与PCM编译码一样。
v. FIR滤波器
FPGA完成FIR数字低通滤波器功能（采用100阶汉明窗设计，截止频率为3KHz）。该功能主要用于抽样信号的恢复。端口说明如下：
编码输入：
译码输出：
vi. IIR滤波器
FPGA完成IIR数字低通滤波器功能（采用8阶椭圆滤波器设计，截止频率为3KHz）。该功能主要用于抽样信号的恢复。端口与FIR滤波器相同。
vii. 反SINC滤波器
FPGA完成反SINC数字低通滤波器。该功能主要用于消除抽样的孔径效应。端口与FIR滤波器相同。
d. 7号 时分复用&时分交换
功能一是设置时分复用的速率256Kbps/2048Kbps。功能二是当复用速率为2048Kbps时，调整DIN4时隙。
e. 8号 基带编译码 FIR滤波器输入口。 FIR滤波器输出口。
设置该模块FPGA工作在“AMI”、“HDB3”、“CMI”、“BPH”编译码模式。 f. 10号 软件无线电调制
设置该模块的BPSK的具体参数。具体参数有：
是否差分： 设置输入信号是否进行差分，即是BPSK还是DBPSK调制。 PSK调制方式选择： 设置BPSK调制是否经过成形滤波。
输出波形设置：
匹配滤波器设置：
基带速率选择： 设置“I-Out”端口输出成形滤波后的波形或调制信号。 设置成形滤波为升余弦滤波器或根升余弦滤波器。 设置基带速率为16Kbps、32Kbps、56Kbps。
g. 11号 软件无线电解调
9
设置该模块的两个参数，BPSK解调是否需要逆差分变换和解调速率。
5、 系统升级
此选项用于模块内部程序升级时使用。
三、注意事项
1、实验开始时要将所需模块固定在实验箱上，并确定接触良好，否则菜单无法设置成功。
2、信号源设置中，模拟信号源输出步进可调节，便于不同频率变化调节。
10
光源的P-I特性测试
一、实验目的
1、了解半导体激光器LD的P-I特性。
2、掌握光源P-I特性曲线的测试方法。
二、实验器材
1、 主控&信号源模块、2号、25号模块 各一块
2、 23号模块（光功率计） 一块
3、 FC/PC型光纤跳线、连接线 若干
4、 万用表 一个
三、实验原理
数字光发射机的指标包括：半导体光源的P-I特性曲线测试、消光比（EXT）测试和平均光功率的测试。接下来的三个实验我们将对这三个方面进行详细的说明。
I(mA)
LD半导体激光器P-I曲线示意图
半导体激光器具有高功率密度和极高量子效率的特点，微小的电流变化会导致光功率输出变化，是光纤通信中最重要的一种光源，激光二极管可以看作为一种光学振荡器，要形成光的振荡，就必须要有光放大机制，也即启动介质处于粒子数反转分布，而且产生的增益足以抵消所有的损耗。半导体激光器的输出光功率与驱动电流的关系如上图所示，该特性有一个转折点，相应的驱动电流称为门限电流（或称阈值电流），用Ith表示。在门限电流以下，激光器工作于自发辐射，输出（荧光）光功率很小，通常小于100pW；在门限电流以上，激光器工作于受激辐射，输出激光功率随电流迅速上升，基本上成直线关系。激光器的电流与电压的关系类似于正向二极管的特性。该实验就是对该线性关系进行测量，以验证P-I的线性关系。
11
P-I特性是选择半导体激光器的重要依据。在选择时，应选阈值电流Ith尽可能小，没有扭折点， P-I曲线的斜率适当的半导体激光器：Ith小，对应P值就小，这样的激光器工作电流小，工作稳定性高，消光比大；没有扭折点，不易产生光信号失真；斜率太小，则要求驱动信号太大，给驱动电路带来麻烦；斜率太大，则会出现光反射噪声及使自动光功率控制环路调整困难。
四、实验步骤
1、关闭系统电源，按如下说明进行连线：
（1）用连接线将2号模块TH7（DoutD）连至25号光收发模块的TH2（数字输入），并把2号模块的拨码开关S4设置为“ON”，使输入信号为全1电平。
（2）用光纤跳线连接25号光收发模块的光发输出端和光收接入端，并将光收发模块的功能选择开关S1打到“光功率计”。
（3）用同轴电缆线将25号光收发模块P4（光探测器输出）连至23号模块P1（光探测器输入）。
2、将25号光收发模块开关J1拨为“10”，即无APC控制状态。开关S3拨为“数字”，即数字光发送。
3、将25号光收发模块的电位器W4和W2顺时针旋至底，即设置光发射机的输出光功率为最大状态；
4、开电，设置主控模块菜单，选择主菜单【光纤通信】→【光源的P-I特性测试】功能。
5、用万用表测量R7两端的电压（测量方法：先将万用表打到直流电压档，然后将红表笔接TP3，黑表笔接TP2）。读出万用表读数U，代入公式I=U/R7，其中R7=33Ω, 读出光功率计读数P。
调节功率输出W4，将测得的参数填入下表：
五、实验报告
1、根据实验数据，绘制光源P-I特性曲线。
12
光发射机消光比测试
一、实验目的
1、了解数字光发射机的消光比的指标要求。
2、掌握数字光发射机的消光比的测试方法。
二、实验器材
1、 主控&信号源模块、2号、25号模块 各一块
2、 23号模块（光功率计） 一块
3、 FC/PC型光纤跳线、连接线 若干
三、实验原理 消光比定义为：EXT?10lgP00。 P11
式中P00是光发射机输入全“0”时输出的平均光功率即无输入信号时的输出光功率。P11是光发射机输入全“1”时输出的平均光功率。从激光器的注入电流（I）和输出功率（P）的关系，即P-I特性可以清楚地看出消光比的物理概念，如下图所示。
ΔP PIN
EXT
消光比对灵敏度的影响
由图可知，当输入信号为“0”时，光源的输出光功率为P00，它将由直流偏置电流Ib来确定。无信号时光源输出的光功率对接收机来说是一种噪声，将降低光接收机的灵敏度。所以从接收机角度考虑，希望消光比越小越好。但是，应该指出，当Ib减小时，光源的输出功率将降低，光源的谱线宽度增加，同时，还会对光源的其它特性产生不良影响，因此，必须全面考虑Ib的影响，一般取Ib = (0.7～0.9)Ith（Ith为激光器的阈值电流）。在此范围内，能比较好地处理消光比与其它指标之间的矛盾。考虑各种因素的影响，一般要求发送机的消光比不超过0.1。在光源为LED的条件下，一般不考虑消光比，因为它不加直流偏置电流Ib ，电信号直接加到LED上，无输入信号时的输出功率为零。因此，只有以LD作光源的光发射机才要求测试消光比。
13
四、实验步骤
1、关闭系统电源，按如下说明进行连线：
（1）用连接线将2号模块TH7（DoutD）连至25号光收发模块的TH2（数字输入）。 （2）用光纤跳线连接25号光收发模块的光发输出端和光收接入端，并将光收发模块的功能选择开关S1打到“光功率计”。
（3）用同轴电缆线将25号光收发模块P4（光探测器输出）连至23号模块P1（光探测器输入）。
2、将25号光收发模块开关J1拨为“10”，即无APC控制状态。开关S3拨为“数字”，即数字光发送。
3、将25号光收发模块的电位器W4和W2顺时针旋至底，即设置光发射机的输出光功率为最大状态；
4、开电，设置主控模块菜单，选择【光功率计】功能。
5、将2号模块的拨码开关S4设置为“ON”，使输入信号为全1电平。测得此时光发端机输出的光功率为P11。
6、将2号模块的拨码开关S4设置为“OFF”，使输入信号为全0电平。测得此时光发端机输出的光功率为P00。
7、代入公式EXT?10lg
P00
，即得光发射机消光比。 P11
8、调节W4，改变各参数，并将所测数据填入下表。
14
模拟信号光纤传输系统
一、实验目的
1、了解模拟信号（正弦波、三角波、方波等）光纤传输系统。
二、实验器材
1、 主控&信号源模块、25号模块 各一块
2、 双踪示波器 一台
3、 FC型光纤跳线、连接线 若干
三、实验原理
1、实验原理框图
光纤跳线
25#模块25#模块
模拟信号光纤传输系统
2、实验框图说明
主控信号源模块可输出正弦波、三角波、方波等模拟信号，信号送入光发射机的模拟输入端，经过光调制电路转换成光信号，完成电光转换；光信号经光纤跳线传输后，由接收机接收，并完成光电转换，输出原始信号。
注：由于实验设备配置模块情况不同，光收发模块的波长类型有所不同，比如1310nm、1550nm等，需根据实际情况确定。
四、实验步骤
1、关闭系统电源，用光纤跳线连接25号光收发模块的光发输出端和光收接入端，并将光收发模块的功能选择开关S1打到“光接收机”。
2、将信号源&主控模块的模拟输出A-out连接到25号光收发模块的模拟信号输入端TH1。
3、把25号光收发模块的S3设置为“模拟”。
4、将25号光收发模块的W5（接收灵敏度的调节旋钮，逆时针旋转时输出信号减小）顺时针旋到最大，适当调节W6（调节电平判决电路的门限电压）。
5、打开系统电源开关及各模块电源开关。在主控模块中设置实验参数主菜单【光纤通信】→【模拟信号光纤传输系统】
15
6、用示波器观测模拟信号源模块的A-out，调节信号源模块的“输出幅度”旋钮，使信号的峰-峰值为2V。
7、用示波器观测模拟信号源的A-out和25号光收发模块的TH4，适当调节W6，使得观测到的两处波形相同。此时，25号光收发模块无失真的传输模拟信号。
五、实验报告
1、分析实验电路的工作原理，简述其工作过程。
2、观测并分析实验过程中的实验现象。
16
PN序列光纤传输系统
一、实验目的
1、了解PN序列光纤传输系统的原理。
二、实验器材
1、 主控&信号源模块、25号模块 各一块
2、 双踪示波器 一台
3、 FC型光纤跳线、连接线 若干
三、实验原理
1、实验原理框图
光纤跳线
25#模块25#模块
PN序列光纤传输系统实验框图
2、实验框图说明
本实验是了解和验证数字序列光纤传输系统的原理。由主控信号源模块提供输入信号PN序列，PN序列经过光发射机完成电光转换，送入到光纤媒介中传输，最后通过光接收机完成光电转换以及门限判决，恢复出原始码元信号。
注：由于实验设备配置模块情况不同，光收发模块的波长类型有所不同，比如1310nm、1550nm等，需根据实际情况确定。
四、实验步骤
1、关闭系统电源，用光纤跳线连接25号光收发模块的光发和光收，并将25号光收发模块的功能选择开关S1打到“光接收机”。
2、将信号源&主控模块的数字信号PN15连接到25号光收发模块的数字信号输入端TH2。
3、把25号光收发模块的光发模式选择S3设置为“数字”。
4、将25号光收发模块中的光发模块的J1第一位拨“ON”（数字光调制的通状态），第二位拨“OFF”（自动光功率控制补偿电流的断状态），将W5（接收灵敏度的调节旋钮，逆时针旋转时输出信号减小）顺时针旋到最大。
5、将输出光功率旋钮W4顺时针旋转到最大。
17
6、打开系统电源开关及各模块电源开关。在主控模块中设置实验参数主菜单【光纤通信】→【PN序列光纤传输系统】。用示波器观测25号光收发模块的数字输入TH2和数字输出端TH3，比较二者码元情况，适当调节25号光收发模块W6（调节电平判决电路的门限电压），使两路波形相同。
五、实验报告
1、分析实验电路的工作原理，简述其工作过程。
2、观测并分析实验过程中的实验现象。
18
CMI码编译码及其光纤传输系统
一、实验目的
1、了解和掌握CMI编译码原理和用途。
2、了解CMI编译码光纤传输系统的相关原理。
二、实验器材
1、 主控&信号源模块、8、25号模块 各一块
2、 双踪示波器 一台
3、 FC型光纤跳线、连接线 若干
三、实验原理
1、实验原理框图
数据
实验原理框图
2、实验原理说明
和数字电缆通信一样，通常在数字光纤通信的传输通道中，一般不直接传输终端机输出的数字信号，而是经过码型变换电路，使之变换成为更适合传输通道的线路码型。在数字电缆通信中, 电缆中传输的线路码型通常为三电平的“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”二电平码。但简单的二电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。
线路编码还有另外两个作用：一是消除随机数字码流中的长连“0”和长连“1”码，以便于接收端时钟的提取。二是按一定规则进行编码后，也便于在运行中进行误码监测，以及在中继器上进行误码遥测。
本实验CMI编码中，码字“0”由“01”表示，码字“1”由“00”、“11”交替表示。 19
其变换规则如表所示：
CMI码型变换规则
CMI（Coded Mark Inversion）码是典型的字母型平衡码之一。CMI在ITU-T G.703建议中被规定为139 264 kbit/s（PDH的四次群）和155 520 kbit/s（SDH的STM-1）的物理/电气界面的码型。CMI由于结构均匀，传输性能好，可以用游动数字和的方法监测误码，因此误码监测性能好。由于它是一种电接口码型，因此有不少139 264 kbit/s的光纤数字传输系统采用CMI码作为光线路码型。除了上述优点外，它不需要重新变换，就可以直接用四次群复接设备送来的CMI码的电信号去调制光源器件，在接收端把再生还原的CMI码的电信号直接送给四次群复用设备，而无须电接口和线路码型变换/反变换电路。其缺点是码速提高太大，并且传送辅助信息的性能较差。
四、实验步骤
1、关电，按表格所示进行连线。
2、用光纤跳线连接光收发模块的光发和光收，并将光收发模块的功能选择开关S1打到“光接收机”。
3、把光收发模块的S3设置为“数字”。
4、将1310nm光发模块的J1第一位拨“ON”（数字光调制的通状态），第二位拨“OFF”（APC自动光功率控制补偿电流的断状态），将25号光收发模块的W5（接收灵敏度的调节旋钮，逆时针旋转时输出信号减小）顺时针旋到最大。
5、将输出光功率旋钮W4顺时针旋转到最大。
6、开电，设置主菜单【光纤通信】→【CMI编译码及光纤通信系统】。用示波器观测 20
信号源模块的PN15和模块8的TH13数据，比较PN序列编码前后的波形有何变化。
五、实验报告
1、分析实验电路的工作原理，简述其工作过程
2、观测并分析实验过程中的实验现象。
21
《光纤通信》实验报告
22
23
24
25
