1、 面向 21世纪 光纤通信实验指导书 电子通信信息类教材系列 高等学校电子通信信息类教材系列 Optical Fiber Communication Experiment Guide 1010101010101010101 01010101010101010101 10101010101010101010100101 1前 言 光纤通信是大容量信息传输的主要手段，光纤 通信技术是信息产业的主要支柱技术之一，光纤网络已经遍布全球。为了满足社会对人才的需求，各大学的许多专业（如电子与通信工程、光电子技术、电子信息工程和计算机应用等）纷纷开设了有关光纤通信技术的专业理论课程，以培养这方面的专业人才。
2、由于光纤通信是一门实验性很强的技术，除了课堂理论学习外，还需要实验性环节与之配合，否则学习效果会受到很大的影响。由于种种原因，光纤实验课程的开设很困难，许多学校只停留在课堂的理论教学。为了克服这些不足，我们经过多年的研究，研制成功了这个光纤通信实验平台，多次获军内外教学成果奖，现已广泛用于我们和兄弟院校的教学，取得了良好的教学效果，为光纤通信实验课程的开设提供了一种全新的实验教学模式。 该实验平台可置于一个便携式的实验箱内称为“ 光纤通信实验箱 ” ，与“ 光纤通信综合测试仪” 、 常用的示波器配套使用就可以开设光纤通信系统原理的相关实验。其突出的优点为： 1、 平台紧扣光纤通信系统的知识点，
3、实验内容丰富，波形测试点多。 2、 采用了模块化设计思想和数字化、软件化的实现手段，性能稳定可靠。 3、 具有友好的人机界面，操作维护方便。 4、 具有专业的指导老师进行实验箱的培训和实验课的指导。 5、 具有配套的实验教材和光盘，由人民邮电等出版社正式出版。 由于实验课的开设与理论课相比，存在的问题 较多，加上我们的经验和水平有限， 肯定存在许多不足， 欢迎与我们交流 （ 编者邮箱： ） ，共同开设好实验课，让学生满意。 编者于南京 200510 2目 录 一 基础实验 4 实验一 光发送模块的分类识别 .4 实验二 光接收模块的分类识别 .7 实验三 光收发一体模块的分类识别 .10 实验
4、四 光纤跳线、光纤类型、光缆的识别 .12 实验五 光纤连接器 FC/ST/SC 的使用 .15 实验六 22 光纤星型耦合器实验 17 实验七 双波长 WDM 合波分波器实验 .20 二 光发送机实验 22 实验八 半导体光源 P-I 特性曲线测试 .22 实验九 模拟光发送调制度 M测试 23 实验十 平均发送光功率的测试 .24 三 光接收机实验 26 实验十一 数字光接收机时钟和眼图实验 .26 实验十二 光接收机灵敏度测试 .30 实验十三 动态范围测试 .32 四 光纤线路与无源器件实验 33 实验十四 光纤环型通信网的抖动实验 .33 实验十五 模式滤除实验 .35 实验十六 插
5、入法光纤损耗测试 .37 实验十七 光纤无源器件特性测试 .39 实验十八 光纤 长度、 带宽测试 .40 五 系统实验 41 3实验十九 模拟信号与模拟话音光纤传输系统 .41 实验二十 数字话音 PCM 光纤传输 .43 实验二十一 光线路码实验 .45 实验二十二 HDB3 码和 2M 数字光纤通信系统 .50 实验二十三 WDM 光纤通信系统 53 实验二十四 消光比 EXT 测试 .55 六 课程设计与二次开发实验 57 实验二十五 数据光纤通信系统与计算机中的光接口 .57 实验二十六 误码测试 .60 实验二十七 视频图像光纤传输系统 .65 实验二十八 基于 JTAG 接口与开
6、放接口的二次开发实验 .69 实验二十九 多模光纤通信系统扩展实验 75 实验三十 光纤环型网传输系统实验 81 实验三十一 光纤点到多点网络传输实验 .83 实验三十二 光纤端面处理与接续、数值也径测量实验 .85 附录 A：实验箱简介 .91 附录 B 分贝与毫瓦换算 .94 4一、基础实验 实验一、光发送模块的分类识别 一、目的与内容 1、 了解光发送模块的分类 2、 正确使用光发送模块 3、 熟习 HFBR1414 的光发模块的光学性能参数 二、工作原理 光发送模块是在光发送组件基础上出现的具有实用化的多功能组件。模块和组件在英文 (module)的词意上没有多大的区别，然而，业内人士
7、为了对单管、组件和模块能够清晰划分，故把单管、组件和模块注以量和质的概念。单管器件好理解，而组件和模块难以区分，按照权威机构 Bell core 的划分，把组件和模块的含义加以区分，区分的依据是在一个相对紧密的结构中包含了多少元器件或电路块，即相对紧密结构的集成单元数量，小的集成单元数称之为组件，大的集成单元数称之为模块。分为 LED 模块和 LD 模块 Agilent（安捷伦）公司提供的 LED 模块，实物图片如图 1 所示。其性价比较好，在中国拥有众多的用户。广泛应用 于数据通信、工业控制等领域。 应用特点： 以太网和令牌环要要求 低价格的 LED ST, SMA, SC or FC 封装
8、 波长 820/1300 nm 速率达 160 MBit/s 链路长度 2.7 km 光纤： 50/125 mm, 62.5/125 mm, 100/140 mm, and 200 mm HCS Fiber ST 连接损耗典型值 0.2 dB 独特的光口设计耦合效率高 无特殊安装要求 工作温度： -40C to +85C AlGaAs 材料 高可靠性 图 1 HFBR1414的实物图 5三、实验内容 4、 光发送模块接口的操作 5、 正确连接光发送模块与光纤跳线 6、 测试 HFBR1414 的光发模块的光学性能参数 四、实验步骤 1、光发模块与光纤跳线的正确操作 光发模块上有卡口，与 ST
9、头光纤跳线连接时要注意方向。 2、熟习模块管脚分布 HFBR1414T 和 HFBR2416T 是一对高性能的数据光纤通信传输模块，采用多模光纤传输。其应用电路及管脚分布如下。 图 2 典型应用图 模块的管脚分布如图 4所示。 3、性能参数测试（注：测试所需的主要仪表是光功率计） 发射光功率测试、光功率计的正确使用见说明书。 功能 管脚 HFBR-1414T1 N.C 2 A 3 D 4 N.C 5 N.C 6 A 7 N.C 8 N.C 备注： 双列直插器件，防止静电干扰，其中4、5、7、8 固定作用 6光功率的正常值如上表所示。 1、打开位于实验箱右侧的220V电源开关 2、将光发送与接收
10、模块上电源开关向左拔动，给模块加电 3、取下模块上光发XS101的保护塑料套，用光纤跳线将XS101与光功率计连接，按下、抬起KS101按键开关，分另测量模块HFBR141T的发光功率P。 五、实验报告要求 1.分析模块的工作原理，叙述其工作过程。 2.根据测试的实验数据，写出光功率的测试结果。 3.写出本次实验的心得体会，以及对本次实验的改进意见。 7实验二、光接收模块的分类识别 一、实验目的与内容 1、了解光发送模块的分类 2、正确使用光接收模块 3、熟习 HFBR2416 的光发模块的光学性能参数 二、工作原理 光接收机组件的功能是将经光纤传送的光信号经组件内的光电二极管还原成电信号。因
11、此光接收机组件的核心是光电二极管和放大光电二极管输出的前置放大器。一个最简单的光接收组件就是将光电二极管和前置放大器组装在一个密封容器所形成的组件。为了输入和输出有良好的阻抗匹配，组件内还需配置阻抗匹配网络。为了光电二极管工作，还需配置直流偏置电路。为避免光返回光纤，在组件内还采取防反射措施。与半导体激光器组件不同的是光电二极管一般都不需要致冷器。图 1 是光接收组 件的框图。V0.15Vpd+ （优化的）ggV V0.5Vcc+组件中的光电二极管可以是 PIN 也可以是 APD，究竟采用 PIN 还是 APD，要视应用场合而定。一般来说， PIN 光电二极管具有较好的光电转换线性度、不需要高
12、的工作电压、响应速度快等优点。 APD 最大的优点是它具有载流子倍增效应，其探测灵敏度特别高，但需要较高的偏置电压和温度补偿电路。从简化光接收机电路考虑，一般情况下多喜欢采用 PIN 光电二极管作光探测器。 前置放大器的主要作用是保持探测的电信号不失真的放大和保证噪声最小，一般采用场效应晶体管（ FET） 。 Agilent（安捷伦）公司提供的 LED 模块，实物图片如图 2 所示。其性价比较好，在中国拥有众多的用户。广泛应用 于数据通信、工业控制等领域。 图 1 是光接收组件的框图 8应用特点： 三、实验内容 1、光接收模块接口的操作 2、正确连接光接收模块与光纤跳线 3、测试 HFBR24
13、16 的光收模块的性能参数 四、实验步骤 1、光接收模块与光纤跳线的正确操作 光收模块上有卡口，与 ST 头光纤跳线连接时要注意方向。 2、熟习模块管脚分布 HFBR1414T 和 HFBR2416T 是一对高性能的数据光纤通信传输模块，采用多模光纤传输。其应用电路及管脚分布如下。 以太网和令牌环要要求 低价格的 LED ST, SMA, SC or FC 封装 波长 820/1300 nm 速率达 160 MBit/s 链路长度 2.7 km 光纤： 50/125 mm, 62.5/125 mm, 100/140 mm, and 200 mm HCS Fiber ST 连接损耗典型值 0.2
14、 dB 独特的光口设计耦合效率高 无特殊安装要求 工作温度： -40C to +85C AlGaAs 材料 高可靠性 图 2 HFBR2416 的实物图 93、模块偏置电压与输出信号测试 1、打开位于实验箱右侧的220V电源开关 2、将光发送与接收模块上电源开关向左拔动， 给模块加电 3、 取下模块上光发XS101的保护塑料套， 用光纤跳线将XS101 （HFBR1414T模块）与XS102（HFBR2416模块）相连，用万用表测试2416的工作电压VCC（对应于2416的6脚），其位于RP103的右侧白线上的一测试孔，其信号输出VOUT，位于测试孔TP103。 VCC：工作电压； VEE 为
15、 GND； VOUT：为输出信号。 五、实验报告要求 1.分析模块的工作原理，叙述其工作过程。 2.根据测试的实验数据，写出偏置电压及输出电压的测试结果。 3.写出本次实验的心得体会，以及对本次实验的改进意见。 HFBR2416T 管脚分布图 （底视图） 1、 NC（空） 2、 VCC（正电源） 3、 COMMON（接地或负电源）4、 NC（空） 5、 NC（空） 6、 Data（信号输出） 7、 COMMON（接地或负电源）8、 NC（空） 10实验三、光收发一体模块的分类识别 一、实验目的与内容 1、了解光发送模块的分类 2、正确使用光接收模块 3、熟习光发一体模块的光学性能参数 二、工作
16、原理 TX 系列收发一体的光模块，主要应用于各种数据传输 ,其外形及性能参数如下。分为二种封装结构即窄条和宽体。 应用特点： 适用于 SDH 及 PDH 光纤通信系统 622Mb/s 及其以下传输速率 具有 APC功能 采用无致冷多量子阱激光器，功耗小，可靠性高 标准 DIP20 金属管壳封装 单模尾纤耦合及陶瓷 FC/PC 连接器 可与 AT对于数字光接收机主要有灵敏度、动态范围、误码的测试和眼图测量，这里对它们作一介绍。 实验十一 数字光接收机时钟和眼图实验 一、实验目的 了解眼图的含义及测量方法 二、基本原理 眼图方法虽然很简单，却是评估数字传输系统数据处理能力的一种极为有效的测量方法。
17、这种方法已经大量用于评估无线系统的性能，也可用于光纤数据链路。眼图测量法是在时域完成的，可以使用示波器实时显示波形失真情况。 图 1 是眼图测量法的基本设备装置框图。伪随机比特流发生器的数据输出端通过光纤 onb8020offbdarkb图 2 图1 27链路连接到示波器的垂直输入端，时钟输出端触发示波器水平扫描， （示波器的扫描周期应取为码元宽度 Tb或其整数倍） ，所得到的结果显示在图 1 中，这就是所谓的眼图。为了说明眼图是如何形成的， 我们结合图 2 考虑一个 3 比特长的 NRZ 码， 它有八种可能的图样。由于示波器荧光屏的余辉所呈现的图形不仅是一次扫描所及的三个码元，而是若干段重迭
18、后的图案，因此，如果同时将这八种图样叠加，就得到了如图 1 所示的眼图。眼图的基本上下界由逻辑 1 和 0 电平决定，图中分别用 bon和 boff标出。眼图有如下几个重要特征： (1) 眼睛张开的高度和宽度； (2) 20%80%上升时间和下降时间； (3) 逻辑 1 和逻辑 0 电平处的脉冲突起； (4) 逻辑 0 电平处的脉冲凹陷； 使用眼图技术测量系统性能，需要提供一种可以仿真的信号源。一个简便的方法就是产生随机数据信号，因为它具有实际应用中的数据流的特性。这类信号能以相同的比特速率随机产生 1 和 0，各种伪随机信号发生器就能满足这种应用要求。伪随机的意思是产生的 1和 0 的集合或
19、序列最终会重复，但对于测试来说，它已具有足够的随机性。 从显示的眼图中能够推断出大量的系统性能信息，结合图 1 和经过简化的图 3 来解释眼图。考虑信号幅度失真、时间抖动和系统上升时间，能够得到下列信息： (1) 眼图张开的宽度指定了接收信号的抽样间隔，在此间隔内抽样能抵抗码间串扰的影响，不发生误码； (2) 接收波形的最佳抽样时间在眼睛张开最大处，由于数据信号的幅度失真，眼睛张开的高度会降低，眼睛张开的顶端与信号电平的最大值之间的垂直距离表示了最大失真，眼睛越小，鉴别信号中的 1 和 0 就越困难； (3) 在抽样时间上，眼睛张开的高度表示了噪声容限或抗噪声的能力，噪声容限是可图 3 28变
20、二进制信号（由眼睛张开的高度定义）的峰值电压 V1与信号的最大电压 V2的百分比， V2是从阈值电平处测量得到的，如图 3.5 所示，也就是： %10021=VV噪声容限（百分比） (4) 闭眼的速率随抽样时间变化而变化（也就是眼图斜边的斜率） ，它决定系统对定时误差的敏感程度，斜率变小，则定时误差的可能性增加； (5) 光纤系统中的定时抖动（也称边缘抖动或相位失真）是由接收机的噪声和光纤中的脉冲失真引起的。如果在时间间隔的中间（例如当信号刚通过门限电平时）对信号抽样，则门限电平处的失真 T 则指示了抖动值，于是以百分比表示的定时抖动为： %100=bTT定时抖动（百分比） (6) 通常把上升
21、时间定义为信号上升沿达到信号最终幅度的 10%和 90%时的时间间隔，然而在测量光信号时， 这些点经常被噪声和抖动效应所淹没， 所以通常都是在更清晰的 20%和 80%处进行测量。将 20%80%上升时间变换为 10%90%上升时间，可以近似地使用下面的转换关系： 8020901025.1= TT 类似地，可以定义下降时间。 (7) 信道的任何非线性传输特性都会产生眼图的不对称性，如果完全随机的数据流通过理想的线性系统，张开的眼睛是不变的，也是对称的。 三、实验步骤 同做码型变换实验一样，我们做眼图实验时，依然采用 N 取值为 4 的伪随机序列。具体实验步骤如下： 1、 用短接线连接信源模块的
22、TP702与光收发模块的TP101； 将模块的K701-3下拔、 K701-4上拔，输出CMI信号。 2、打开实验箱及模块、的电源；将按键KS101抬起（LED101灯灭）。 3、示波器的一个输入端测模块的TP704作时钟触发输入；另一输入端分别测模块()T()1V()2V图 4 29的TP101与模块的TP103即可观察CMI码的收发眼图。 注：试比较收发信号眼图的区别并分析眼图的形状。 眼图对于数字通信系统提供了一个很好的性能判决方法，对于模拟系统常采用信号的失真度来衡量，失真度的测量需要复杂的仪器设备，这里提供大家一种简便的方法可以采用示波器来定性判定。实验步骤如下： 1、 正确选择和调试好模拟光发送机。参见模拟调制度实验。 2、 正确选择和调试好模拟光接收机。 3、 选择模拟信号如三角波、正弦波等。 4、 在输出端的测试点观察示波器中波形。 5、 调节模拟光发送机，观察示波器中正弦波的波形变化。 注：该实验可看阅模拟话音实验。 四、实验报告要求 1.写出实验原理、操作步骤。 2.说出调试中注意事项。 3.写出本次实验的心得体会，以及对本次实验的改进意见。
