1、1前言 光纤实验系统组成介绍RZ8645 型光纤实验系统是为了配合光纤通信系统的理论教学而设计的实验系统。它一方面结合了当今光纤通信原理课程的教学与改革，另一方面结合了当今光纤通信发展方向和工程实际应用状况。这套系统采用功能模块化设计，各模块对外开放。除了配合完成理论教学外，还可以训练增强学生的实际应用能力，完成模块的二次开发。RZ8645 型光纤实验系统框图如图 1 所示：图 1：RZ8645 系统框图一、结构简介本实验系统可分为电端机模块、光通信模块、管理控制模块、电源供给模块等四大功能模块，每个功能模块又是由许多子模块组成：（一）电端机模块1. 电话用户接口模块本模块分为用户 A，B 两
2、个模块，位于实验系统左侧部分，分别注明为：A 和 B,系统程序设置两路电话的默认电话号码为 48.49。此模块为电话输入、输出接口，由电话专用接口芯片 PBL38710 实现。它包含向用户话机恒流馈电、向被叫用户话机馈送铃流、用户摘机后自行截除铃流，摘挂机的检测及音频或脉冲信号的识别，用户线是否有话机的识别，语音信号的 2/4 线混合转换，外接振铃继电器驱动输出等功能。其各项性能指标符合邮电部制定的有关标准。键盘液晶显示数据发送单元数字信号发生器线路编码器数据复接数据接收单元时钟提取、再生线路译码器数据解复接中央处理器功能扩展口模拟信号源LD 光端机工作波长 1550nmLD 激光/探测器工作
3、波长 1310nm电源模块发送端数据测试区接收端数据测试区电话用户 APCM 编译码记发器DTMF 检测电话用户 BPCM 编译码网络接口USB 接口2电话用户接口模块测试点说明：1VT:电话 A 路二四线变换后的模拟输出。1VR:电话 A 路 PCM 译码输出的模拟信号。PCM1-DX:电话 A 路 PCM 编码数据输出。PCM1-DR:电话 A 路 PCM 译码数据输入。2VT:电话 B 路二四线变换后的模拟输出。2VR:电话 B 路 PCM 译码输出的模拟信号。PCM2-DX:电话 B 路 PCM 编码数据输出。PCM2-DR:电话 B 路 PCM 译码数据输入。2. PCM 编译码模块
4、两路电话接口区分别有一块 PCM 编译码芯片，此模块采用专用芯片 TP3057 来实 现 PCM 编译码功能，可完成用户 A、B 两路话音信号的编译码功能。3. DTMF 双音多频检测模块此模块由专用芯片 MT8870 来完成 DTMF 分组滤波和 DTMF 译码功能，输出相应 16 种 DTMF 频率组合的 4 位并行二进制码。实际应用中，一片 MT8870 可以最多接入 检测 16 路用户电路的 DTMF 信号。4. 记发器模块此模块主要完成局内、局间电话用户拨叫号码的识别、交换控制功能。5. 计算机通信接口模块此模块由网络接口和 USB 接口两种通信接口组成，完成计算机与本实验系统的数
5、据交换传输功能。也为学生开发上层通信软件提供了良好的硬件平台。计算机通信接口模块测试点说明：TX:网络接口数据或者是 USB 接口数据经过中央处理器接收后转换成的串行输 出。RX:送到中央处理器的串行数据。经过中央处理器转换后返回给网络接口或者是 USB 接口6. 数据发送单元模块和发送端数据测试区此模块主要完成各种测试信号产生、各种线路编码、数据复接及一些辅助性功能。产生的数字信号有：各种频率的时钟、方波、M 序列、矩形窄脉冲等、线路编码功能有：AMI 码、HDB3 码、CMI 码、5B6B 码、5B1C 码、扰码等。数据的复接：多种类型数据进行时分复接输出。发送端数据测试区说明：P101：
6、基带数据输出。各种线路编码的基带数据从该铆孔输出，输出的数据可以是系统产生的 PN 码，也可以是拨码开关 SW101 设置的 8BIT 数据。P102：对应 P101 输出数据的时钟信号。例如，实验中我们选择 32K 的 PN 码输出，P101 输出 PN 码，P102 则输出对应的 32K 时钟信号。P103：线路编码输出。对应于各种线路编码，例如选择 CMI 编码，则 P103 输出3的是 CMI 编码数据。如果选择扰码，则 P103 输出的是扰码后的数据。输出的编码数据是根据不同的实验而定。P104：对应 P103 输出的编码数据时钟。P105：电话 A 的 PCM 编码数据输出时隙。P
7、106：在 PCM 传输实验和系统实验时是电话 B 的 PCM 编码数据输出时隙；在扰码实验时，是用于扰码的 PN 码。P107：0 时隙脉冲。P108：在做接收灵敏度实验的时候输出 PN 码；在做系统实验的时候输出的是 8路复接的数据。P109：PCM1-DX。电话 A 路 PCM 数据送入数据发送单元输入口。例如系统实验，8路数据复接，电话 A 路 PCM 数据通过该口送入数据发送单元进行复接。P110：PCM2-DX。电话 B 路 PCM 数据送入数据发送单元输入口。例如系统实验，8路数据复接，电话 B 路 PCM 数据通过该口送入数据发送单元进行复接。HDB3+：HDB3 或者 AMI
8、 编码正极性编码。该测试点标注为 HDB3+,但实验时当 HDB3编码时输出的是 HDB3+,当 AMI 编码输出的是 AMI 编码的正极性，是复用的输出。下面的 HDB3-和 HDB3 和 HDB3+一样，都是复用的输出。HDB3-：HDB3 或者 AMI 编码负极性编码。HDB3 ：HDB3 或者 AMI 编码。GND ：GND 为实验系统的地线接口，实验系统上的每个 GND 是相通的，在用示波器测试的时候，示波器的地线夹子要和实验系统的 GND 相连。 数据发送单元的 SW101 拨码开关用来设置 8BIT 的开关码数据，往上拨输出“1”，往下拨输出“0”。 7. 数据接收单元模块此模块
9、主要完成接收数据的时钟提取再生、各种线路编码的译码、复用数据的分 解及一些辅助性功能。接收端数据测试区说明：P111：接收数据端。各种线路编码的数据通过该铆孔送入数据接收单元进行译码。P112：眼图观测数据输入端。PN 码通过该铆孔送入眼图电路。P113：解复用输出电话 A 的 PCM 编码数据。P114：解复用输出电话 B 的 PCM 编码数据。P115：各种线路译码的数据输出TP104：系统同频脉冲，周期 125US。TP105：误码脉冲。TP106：眼图观测点。W901 ：接收滤波器性能调节电位器数据接收单元有 8 个发光二级管，这 8 个发光二极管在系统实验中分别对应数据 发送单元拨码
10、开关 SW101 设置的 8BIT 数据，当拨码开关往上拨为“1”时，对应 的发光二级管就会点亮。拨码开关往下拨为“0”时，对应的发光二极管就会灭 掉。只有在系统实验时，发光二极管才有效。其他实验中发光二极管可能随机亮 4灭。8. 眼图观测模块此模块主要完成调节接收电路均衡特性、接收数字序列的眼图观测等功能。9. 误码测试仪模块此功能由多个模块组成，完成通信线路的误码测试功能，各测试参数可设。10. 模拟信号源模块此模块产生输出频率、幅度可调的正弦波、三角波、方波信号。模拟信号源模块测试点说明：SIGNAL:模拟信号输出口。W1:模拟信号幅度调节电位器。 （二） 光通信模块1光信道一一体化数字
11、光端机，包括光发射端机和光接收端机。半导体激光二极管 LD、工 作波长 1550nm，频带为 DC 到 5MHZ，方便配套低端测量仪器使用。光端机的光 输入、输出接口都由单模尾纤引出至固定于底板的法兰，方便连接其它光器件。 其中 TX1550 表示光发送端，RX1550 表示光接收端。1550nm 光信道测试点说明：P203：电信号输入口。电信号只能为数字信号。电信号从该口输入，送到光端机 去进行电光转换。TX1550：经过隔离电路输出的电信号，和 P203 信号一致。为了防止光端机电光 转换电路对输入电信号影响，P203 输入的信号并没有直接连接到光端机的电光 转换电路，而是经过隔离电路后再
12、送到光端机的电光转换电路。P204：光电转换后电信号输出。2光信道二及 LD 性能测试模块由激光管、光探测器及外围电路构成的光发射端机和光接收端机，关键电气参 数都可调节。可传输模拟和数字信号，测试 LD 的 P-I 曲线，具有无光告警、自 动功率控制 APC 等功能。激光管工作波长为 1310nm，频带为 DC 到 3MHz。激光 管的输出和光探测器的输入连接至固定于底板上的法兰，方便连接其它光器件。 其中 TX1310 表示光发送端，RX1310 表示光接收端。1310nm 光信道测试点说明：P201：电信号输入口。电信号可以为数学信号也可以是模拟信号。电信号从该口 输入，送到光端机去进行
13、电光转换。TP201：经过电平调节的电信号。P201 输入的电信号，实际是通过电平调节电路 后将电信号送给光端机的激光器。TP201 就是经过电平调节后的电信号测试点。P202：经过光电转换后的数字信号输出。P205：经过光电转换后的模拟信号输出。1310nm 光信道传输信号时，输入的电 信号为同一个端口 P201，但是输出端口分为数字信号输出和模拟信号输出。通 过跳线 K05 选择输出是数字信号还是模拟信号，如果我们传输的信号是数字信 号，则 KO5 跳在右侧，选择数字信号输出。如果我们传输的是信号是模拟信号， 则 K05 跳在左侧，选择模拟信号输出。这点需要注意，如果选择不对，则输出端 5
14、口检测不到信号。W201：输入电平调节电位器。W202：激光器电流调节电位器。W203：输出信号幅度调节电位器。如果输出的信号幅度过大或者过小，通过该电 位器可以进行调节。V201：视频输入,如果实验系统选配了摄像头，则摄像头的视频输出和该口相连 接，就可以通过光纤传输视频信号。V202：视频输出，经过光纤传输后的视频信号从该口输出，如果实验系统配置了 监视器，可以看到摄像头拍摄到的视频信号。GX201：激光器，为光发射器，其波长为 1310nm。内有光探测器，可用手搭建 A PC 电路实现自动光功率控制。GX202：光探测器，为光接收器，可接收发端发出的 1310nm 波长的光。D201：无
15、光告警（发光二极管），当激光器无光或光比较微弱时，该发光二极管 点亮。TP202.TP203：为激光器电流测量点，在测量激光器电流时，须将 K02 短路器拔 掉，不测电流时必须插上。K01：APC 检测开关，用于检测自动光功率控制（APC）时，改变激光器的电流， K01 短路器拔掉时激光器电流减小，K01 短路器插上时激光器电流增大。K03 为自动光功率控制开关，短路器插入左侧时，实现自动光功率控制（APC）， 插入右侧时，不能进行自动光功率控制。K05 为模、数控制开关，短路器插入右侧时，选择数字信号输出，插入左侧时， 选择模拟信号输出。3LED+多模光纤传输扩展模块由发光二极管、光检测器及
16、外围电路构成的光发射端机和光接收端机，关键电 气参数都可调节。可传输模拟和数字信号，测试 LED 的 P-I 曲线，具有视频图 像传输等功能。发光二极管发光波长为 850nm，频带为 DC 到 1GHZ。本模块为选配。（三） 管理控制模块1.中央处理器模块此模块主要由 STM32 编程实现。完成整个实验系统的控制协调功能，如测量信号 的输入、输出控制、功能选择、工作状态检测等。2.液晶显示模块此模块是具有触屏功能的液晶显示模块，主要完成实验类型的显示和选择，信号 源种类的选择和频率调节，误码测试仪的配置和显示等功能。3.键盘模块此模块主要配合液晶显示模块工作，和触摸屏上功能按钮对应，选择相应的
17、实验 类型。 （四） 电源供给模块由开关电源给本实验箱提供+12V、+5V（VCC)、-12V、-48V 直流电源。-5V、-24 V、+3.3V 电源则由相应的稳压片转换得到。电源供给模块部分 3 个 LED 指示灯分 6别对应+12V、+5V、-12V 三组电源的指示，同时系统提供+5V(VCC)电源输出。二、配套仪器最低配置仪器：20M 通用双踪示波器或虚拟仪器，单模尾纤建议配置器件：计算机；光功率计、多种接口标准的光纤线（法兰）、波分复用/ 解复用器一对、光可调衰减器、光固定衰减器、光分路器、光隔离器等，根据学校 情况选配（会影响一些光器件的测试实验）；可选配仪器：外置误码测试仪光缆施
18、工工具箱、光纤熔接机、稳定光源、光时时域反射仪等。三、系统特点1采用模块化设计信号接口开放。各模块功能既可单独做实验又可组合完成系统实验。2.自带数字信号源、模拟信号源，可外加信号，配有网络接口、USB 接口。适应各种 实验需求。3采用液晶键盘显示管理实验参数，取代原有的接插件，实验方便直观。4电端机部分功能强大，电话交换系统，多种线路编码，完善的数字时分复接系统，功能可定制升级。5电信号、光信号均由实验者连接。光输入、输出接口设计朝外，方便连接其它光器件。6整板采用有机玻璃覆盖保护，便于实验室管理。四、使用注意点1. 进行铆孔连接时，连接线接头插入铆孔后，轻轻旋转一个小角度，接头将和铆孔 锁
19、死；拔出时，回转一个小角度即可轻松拔出，切勿使用莽力，以免插头针断在 铆孔中。使用方法可参考光盘中的影象片段。2. 光器件连接：在摘掉光接口保护套前，请确保实验台板面清洁，注意收集好接口 保护套；光接头连接时，请预先了解接头的结构，手持接头金属部分，按接口的 轴线方向轻插轻拔，防止损坏纤芯；3. 使用光纤时，注意不要过度弯曲（直径不得小于 4cm）、扭曲、挤压或拉扯光纤。 因为纤芯玻璃细纤维，非常的脆弱，使用时请务必注意。纤芯断开或出现伤痕， 光信号的功率将严重衰耗，出现断路或增加误码等情况。4. 数据发送单元的 SW101 红色拨码器，有 8 位独立的开关组合。若不作特殊说明， 白色开关往上
20、，对应的输出序列为 1；白色开关往下，对应的输出序列为 0。设置 时需轻轻拨动。5. 若不作特殊说明，本实验平台输出的串行数字序列，低位在前，高位在后。在示 波器上观测到的波形即低位在窗口的左端，高位在窗口的右端。78实验 1 半导体 LD 光源的 P-I 曲线绘制实验一、实验目的1了解半导体激光器平均输出光功率与注入电流的关系；2掌握半导体激光器 P-I 曲线的测试及绘制方法。二、实验仪器1.光纤通信实验箱（激光/探测器性能测试模块）2.示波器3.光功率计4.三用表。5.信号连接线 1 根三、实验原理1半导体激光器的功率特性示意图：pIth I自发辐射受激辐射输入电信号输入光信号图 3.3.
21、1 激光器的功率特性示意图半导体激光器的输出光功率 P 与驱动电流 I 的关系如图 3.3.1 所示，该特性有一个转折点，相应的驱动电流称为门限电流（或称阀值电流），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，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相似于正向二极管的特性，但由于双异质结包含两个 PN 结，所以在正常工作电流下激光器两极间的电压为 1.2V。P-I 特性是选择半导体激光器的重要依据，在选择时，应选阀值电流 Ith尽可能小，9Ith对应 P 值小的半导体激光
22、器，这样的激光器工作电流小，工作稳定性高，消光比大，而且不易产生光信号失真。且要求 P-I 曲线的斜率适当。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。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，也即激活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。将开始出现净增益的条件称为阀值条件。一般用注入电流值来标定，也即阀值电流 Ith，当输入电流小于 Ith时，其输出光为非相干的荧
23、光，类似于 LED 发出光，当电流大于 Ith时，则输出光为激光，且输入电流和输出光功率成线性关系。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。在实验中所用到半导体激光器其输出波长为 1310nm,带尾纤及 FC 型接口。实验中半导体激光器电流的确定通过测量串联在光端机信号输入电路中电流表的电流值。电 光测试数据光发射端 机P201PFC 头细尾纤图 3.3.2 P-I 曲线测试连接示意图IK02TP202TP203四、实验步骤1.关闭系统电源，按照图 3.3.2 将激光/探测器性能测试模块、光功率计、三用表连接好。2将电流表（直流档）接 TP202，TP203，正表笔接 TP
24、202，负表笔接 TP203，将 K02跳线器拔掉。用尾纤将光功率计与 TX1310 法兰输出相连。3用锚孔连接线将 P201 信号输入口接地。4将 K01 跳线器拔掉，加电后即可开始实验。5. 按照下表调整 W202，达到相应的电流值（顺时针调激光管输入电流减小），测出与电流相对应的光功率。电流 I（mA） 4.6 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0功率 P（dB）电流 I（mA） 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 13.0 13.5 14.0 15.0功率 P（dB）106以横轴为为电流 I，纵轴为功率 P，按照上表画出其相应的
25、P-I 曲线。另外，如果配置了 LED 扩展模块（选配），可以测试 LED 光源的 P-I 曲线。7测试完毕后，关闭系统电源，拆除各光器件并套好防尘帽，插好 K01.K02 跳线器。五、实验结果1.整理 P、I 数据，绘制 P-I 曲线。2.若配置的 LED 的 850nm 光传输系统模块，测试 LED 光源的 P-I 曲线，对比测试的1310nmLD 的 P-I 曲线有什么不同，得出你的结论。六、思考题1利用半导体激光器传输模拟信号时，半导体的电流 I 应选择在 P-I 曲线的什么位置比较合适？如果电流 I 分别选择以下三种情况时，当输入端加上模拟信号，激光探测器接收端输出的模拟信号会出现什
26、么情况？电流 I 小于阀值电流时； 1电流 I 等于阀值电流时；电流 I 在 P-I 曲线直线段中间位置时。 建议：先在 PI 曲线上画出以上三种情况下的加正弦信号时输出波形图，然后通过实验验证。做验证实验时的方法步骤：用尾纤把激光器收发连接起来(TX1310 与 RX1310 相连；K03 置右侧，KOI、K02 拔掉，K05 置左侧(模)；电流表（置 20mA 或 200mA 档）接 TP202.TP203(正表笔接 TP202)；将正弦信号（P01）加到激光器输入端(P201)，输入正弦信号峰一峰值 200mV左右；将电位器 W201 顺时针调到底；示波嚣 CH1 接 TP201，CH2
27、 接 TP205; 6接通电源，调整电位器 W202 使电流表指示为以上三种情况的某一值，从示波器上观看电流变化时，输出波形如何变化（注意调整 W203），验证其分析。2利用半导体激光器传输数字信号时，半导体的电流 I 应选择在 P-I 曲线的什么位置？建议：先分析然后通过实验验证验证实验方法步骤：尾纤把激光器收发连接起来（TXl310 与 RX1310 相连）； 1K03 置右侧，K01、K02 拔掉，K05 置右侧（数）；电流表（置 20mA 或 200mA 档）接 TP202、TP203(正表笔接 TP202)：将数字信号(P101)加到激光器输入端（P201）：示波器 CH1 接 TP201，CH2 接 TP207; 5通电源，调整电位器 W202 使电流表指示变化，从示波器上观看电流变化时，输出 6
