實(shí)驗(yàn)三 模擬信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)三 模擬信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵饬x1、 了解發(fā)光端機(jī)的發(fā)光管特性；2、 掌握如何在光纖信道中高性能傳模擬信號(hào)；3、 掌握發(fā)送光端機(jī)中傳輸模擬信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)；4、 了解光檢測(cè)器的原理；5、 光接收機(jī)的組成； 二、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)成和實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)儀器：“實(shí)驗(yàn)箱”、20MHz示波器、低頻信號(hào)源、光功率計(jì)實(shí)驗(yàn)原理：1、模擬光纖傳輸系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)：模擬光纖傳輸系統(tǒng)有兩個(gè)關(guān)鍵性的質(zhì)量指標(biāo)：（1） 信噪比S/N（2） 信道線性度（非線性失真度）信噪比S/N與道線性度分別表達(dá)噪聲大小和線性好壞，這兩個(gè)指標(biāo)的數(shù)值依據(jù)傳輸?shù)膶?shí)際用途而定。一般地說(shuō)高質(zhì)量的電視傳輸（例如演播室圖象傳輸）要求信噪

2、比S/N達(dá)到56dB，差分增益G=0.3dB（差分增益是用于表示在不同輸入信號(hào)電平上所引起增益的差值，即通道的線性度）。對(duì)于數(shù)字載波傳輸系統(tǒng)（模擬信號(hào)傳輸），所需信噪比S/N和通道線性度一般比這要求低，可根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)指標(biāo)的分配決定。2、模擬光纖傳輸系統(tǒng)的噪聲來(lái)源 噪聲問(wèn)題是模擬光纖系統(tǒng)主重要的問(wèn)題之一，系統(tǒng)的任何組成部分包括有源部件和無(wú)源部件都可產(chǎn)生噪聲，并疊加在傳輸信號(hào)之上。在AM傳輸系統(tǒng)中，主要由光發(fā)射機(jī)、傳輸光纖、光接收機(jī)和各類連接器所組成。在光接收機(jī)中光檢測(cè)器又由光檢二極管和前置放大器組成。 模擬光纖傳輸鏈路中的噪聲主要來(lái)源于以下幾個(gè)方面：（1） 光發(fā)射機(jī)中激光器光強(qiáng)的漲落,即相對(duì)強(qiáng)度

3、噪聲。在模擬光纖系統(tǒng)中，激光器的直流偏置點(diǎn)是置于線性范圍的中間，即在高于激光器閥值電流Ith的某一電流I處。相對(duì)強(qiáng)度噪聲隨著激光器的偏置不同而變化，在閥值附近，其達(dá)到最大，隨著偏置增加，即激光器輸出功率增加，其會(huì)下降。相對(duì)強(qiáng)度噪聲和激光器的工作頻率亦有關(guān)系，一般在低頻時(shí)較小，而在高頻時(shí)相對(duì)強(qiáng)度噪聲則明顯增加。（2） 由光纖鏈路中光纖連接器（活接頭）、固定連接點(diǎn)（死接頭）、光纖耦合端面產(chǎn)生反射光以及光纖內(nèi)部缺陷多次反射（瑞利散射）進(jìn)入激光器腔內(nèi)引起干涉強(qiáng)度噪聲。（3） 光接收機(jī)中光檢測(cè)二極管產(chǎn)生的量子噪聲。（4） 光接收機(jī)中光檢測(cè)器前置放大器產(chǎn)生的熱噪聲。 3、模擬光纖傳輸系統(tǒng)的信號(hào)失真模擬光纖

4、傳輸系統(tǒng)中非線性失真包括以下幾個(gè)方面：（1） 激光器進(jìn)行調(diào)制用的驅(qū)動(dòng)放大器失真；（2） 激光器調(diào)制非線性失真（附加頻率調(diào)制）；（3） 光纖色散（含光纖傳輸中的多個(gè)分路器、連接器等）引起的非線性失真（與二次失真相似）；（4） 光接收機(jī)的光檢測(cè)二極管光電變換的非線性和接收機(jī)內(nèi)放大器引起的失真等。在以上因素中，光發(fā)射機(jī)中激光器調(diào)制特性和光纖色散效應(yīng)是非線性失真的主要原因。 4、激光器電光特性的非線性 激光器的非線性很大程度上展現(xiàn)在激光器輸出光功率（P）和注入電流（I）的關(guān)系，即激光器的P-I曲線上。要使系統(tǒng)有好的傳輸特性，選擇P-I曲線線性好的激光器件是很重要的。 從激光器的P-I特性曲線可看出，在

5、超過(guò)門限電流Ith以后，光輸出相對(duì)于電流是直線增加，但有逐漸達(dá)到飽和的傾向，激光器的工作就是利用這一直線段，一般把偏置電流設(shè)定于這直線段的中部，利用信號(hào)電流進(jìn)行光強(qiáng)度調(diào)制，所以其線性（直線的程度）就顯得極為重要。這段直線的傾斜度，即表示驅(qū)動(dòng)電流變化引起光強(qiáng)度變化的比例，也稱為微分效率，以mW/mA為單位表示，它相當(dāng)于調(diào)制時(shí)的調(diào)制靈敏度，若離開(kāi)直線段，就會(huì)產(chǎn)生失真。即使在類似直線段內(nèi)，但只要稍有彎曲，在已調(diào)制的光輸出信號(hào)中，就包含有失真成分。在實(shí)驗(yàn)箱中，當(dāng)光纖傳輸模塊需設(shè)定為模擬傳輸方式時(shí)，K301置成2-3狀態(tài)（將跳線器K301設(shè)置在右邊）。在模擬信號(hào)光纖傳輸中，由于對(duì)信號(hào)的線性度具有一定的要

6、求，因而對(duì)發(fā)光管的偏置及發(fā)送信號(hào)的大小均有要求。這在電路中通過(guò)調(diào)整電位器W303、W302來(lái)實(shí)現(xiàn)的。U304A為模擬輸入信號(hào)的緩沖放大，調(diào)整電位器W302使TP304處的電壓為0.5Vp-p。然后，模擬信號(hào)經(jīng)T303射隨，T304放大。電位器W303是調(diào)整發(fā)光管的直流偏置狀態(tài)，一般調(diào)到TP302、TP303兩端的直流為0.15V。在實(shí)驗(yàn)中以第一輸入中頻通道進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（S001輸入B002輸出）。實(shí)驗(yàn)步驟1、 在J002（信號(hào)）、J003（地）測(cè)試信號(hào)輸入端由信號(hào)發(fā)生器輸入一測(cè)試信號(hào)，信號(hào)電平為2Vp-p，信號(hào)頻率為1MHz。2、 將光纖尾纖與光收發(fā)模塊相連，一頭接HFBR1414T（TX），另一

7、頭接HFBR2416T（RX），注意在插入時(shí)應(yīng)較順利，不要太過(guò)使勁。3、 有關(guān)跳線器的設(shè)置如下：（1） K302為2-3（跳線器在右端，接入測(cè)試信號(hào)）（2） K301為2-3（跳線器在右端，模擬光纖傳輸）（3） K401為2-3（跳線器在右端，模擬光纖傳輸）（4） K104設(shè)置成7-8，關(guān)閉噪聲發(fā)生器，如圖2.2-1所示圖2.2-1 K104的狀態(tài)4、 加電。5、 發(fā)光管電光轉(zhuǎn)換特性測(cè)量：斷開(kāi)輸入測(cè)試信號(hào)，用W303將調(diào)節(jié)發(fā)光管的注入電流。注入電流的大小的測(cè)量通過(guò)測(cè)量電阻R312兩端（TP302、TP303之間的電壓。注：TP302在U303上方的測(cè)試孔）的電壓計(jì)算獲得。用光功率計(jì)測(cè)量實(shí)際輸出

8、光功率，并與上面測(cè)量計(jì)算值進(jìn)行比較。這樣可測(cè)量出一組數(shù)據(jù)，從而得出相應(yīng)的發(fā)光管的電光轉(zhuǎn)換特性（若想畫出比較好的曲線，至少應(yīng)取10組數(shù)據(jù)）。6、 模擬光纖傳輸終端發(fā)光管靜態(tài)工作注入電流調(diào)整：斷開(kāi)輸入測(cè)試信號(hào)，調(diào)整電位器W303將調(diào)節(jié)發(fā)光管的注入電流。注入電流的大小的測(cè)量通過(guò)測(cè)量電阻R312（10歐）兩端（TP302、TP303之間的電壓）的電壓計(jì)算獲得（在模擬光纖傳輸系統(tǒng)中，R312兩端的電壓一般調(diào)到0.15V）。7、 線性度調(diào)整：接入測(cè)試信號(hào)，在測(cè)試信號(hào)輸入端處輸入1MHz的正弦波信號(hào)，其幅度為2Vp-p。調(diào)整電位器W302的大小，使測(cè)試點(diǎn)TP304的信號(hào)電壓達(dá)到0.5Vp-p。在TP401點(diǎn)

9、測(cè)量所接收收的信號(hào)。改變發(fā)光端機(jī)的頻率、幅度、驅(qū)動(dòng)電壓大小、發(fā)光管直流偏置等參數(shù)，以觀察這些參數(shù)對(duì)傳輸系統(tǒng)的影響。每次都只變一個(gè)參數(shù)。8、 K104設(shè)置成3-4（如圖2.1-1所示），加入噪聲信號(hào)，調(diào)整電位器W101，觀察TP402波形和TP401波形。圖2.2-1 K104的狀態(tài)9、 分別接0DB法蘭、3DB法蘭、5DB法蘭、10DB法蘭和1Km左右的光欖。連接收發(fā)信機(jī)，觀察輸入信號(hào)（J002,J003）和輸出信號(hào)（TP401）。10、信號(hào)源改用方波，測(cè)量衰減以及加入噪聲對(duì)傳輸系統(tǒng)的影響。三、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析與處理1.實(shí)驗(yàn)測(cè)量的R312兩端電壓和輸出光功率數(shù)據(jù)如下：U/V0.060.0650.

10、070.0750.080.0850.090.0950.10.110.120.130.140.150.160.170.18P/dBm-29.2-28.6-28.05-27.5-27-26.65-26.3-25.9-25.5-24.85-24.3-23.8-23.3-22.9-22.5-22.1-21.8U/V0.190.20.230.260.290.320.350.380.410.440.470.50.530.560.590.610.64P/dBm-21.5-21.2-20.5-19.8-19.25-18.65-18.2-17.8-17.45-17.1-16.85-16.6-16.35-16.1

11、-15.9-15.8-15.6對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合：對(duì)曲線進(jìn)行分析：在測(cè)量范圍內(nèi)，光電管呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，這段直線的傾斜度大約為0.077，因此調(diào)制時(shí)的調(diào)制靈敏度大約為0.077W/mA。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中我們也發(fā)現(xiàn)當(dāng)UR312超過(guò)大約634mV左右時(shí),輸出光功率基本保持不變，說(shuō)明光電管進(jìn)入飽和區(qū)。根據(jù)理論知識(shí)，我們知道一旦光電管離開(kāi)直線段，就會(huì)產(chǎn)生失真。即使在類似直線段內(nèi)，只要稍有彎曲，在已調(diào)制的光輸出信號(hào)中，就包含有失真成分。2. 分別調(diào)整：信號(hào)源頻率、信號(hào)源幅度、發(fā)光管直流偏置等參數(shù)，以觀察這些參數(shù)對(duì)傳輸系統(tǒng)的影響。每次都只變一個(gè)參數(shù)。合適工作點(diǎn)下不失真圖像改變信號(hào)源頻率，以適合工作點(diǎn)為中心，改

12、變頻率。頻率間隔約為500MHz分別加入0dB、3dB、5dB、10dB的法蘭盤和1km的光纖。得到的圖像依次如下改變發(fā)光管直流偏置，以500mA為中心，間隔為50mA，上下變動(dòng)。改變輸入電平，以2v為中心，0.5v為間隔。得到的圖像依次如下信號(hào)源改用方波，測(cè)量0dB、3dB、5dB、10dB的法蘭盤和1km的光纖。圖像如下對(duì)上面圖像結(jié)果依次進(jìn)行分析：對(duì)合適工作點(diǎn)進(jìn)行分析：無(wú)損耗法蘭連接收發(fā)信機(jī)時(shí)，這時(shí)我們發(fā)現(xiàn)接收機(jī)接收到的模擬信號(hào)與入射信號(hào)波形基本相似。但是在脈沖的上升沿和下降沿變得稍緩且平頂部分波動(dòng)性增加，說(shuō)明丟失了某些高頻成分，一方面是因?yàn)槲覀兊膫鬏斚到y(tǒng)存在一定的帶寬，這必然會(huì)丟失一些高

13、頻成分；另一方面在信號(hào)傳遞的過(guò)程中，系統(tǒng)的任何組成部分包括有源部件和無(wú)源部件都可產(chǎn)生噪聲，并疊加在傳輸信號(hào)之上，源于：光發(fā)射機(jī)中激光器光強(qiáng)的漲落,即相對(duì)強(qiáng)度噪聲；由光纖鏈路中光纖連接器（活接頭）、固定連接點(diǎn)（死接頭）、光纖耦合端面產(chǎn)生反射光以及光纖內(nèi)部缺陷多次反射（瑞利散射）進(jìn)入激光器腔內(nèi)引起干涉強(qiáng)度噪聲；光接收機(jī)中光檢測(cè)二極管產(chǎn)生的量子噪聲；光接收機(jī)中光檢測(cè)器前置放大器產(chǎn)生的熱噪聲。改變信號(hào)源頻率，可以看出接收到的頻率和發(fā)射的頻率基本沒(méi)有變化。分別加入0dB、3dB、5dB、10dB的法蘭盤和1km的光纖。當(dāng)連接收發(fā)機(jī)的法蘭損耗不同時(shí)，信號(hào)有不同的變化。首先顯而易見(jiàn)的是法蘭損耗增加時(shí)，接收端

14、信號(hào)幅值下降；其次信號(hào)失真的程度是不同的，這是因?yàn)椴煌姆ㄌm引入的色散有所不同，因此引起的非線性失真也稍有不同。但是總體而言，不同損耗的法蘭插入時(shí)，除了使接收信號(hào)發(fā)生明顯幅值變化，實(shí)際上波形變化很小，說(shuō)明法蘭引入的失真比較小。而1km左右的光纖插入比10DB損耗法蘭的插入信號(hào)峰峰值略大，但是信號(hào)失真程度更為嚴(yán)重。這是因?yàn)楣饫w長(zhǎng)度增加，由光纖色散效應(yīng)帶來(lái)的非線性失真也更為明顯。改變發(fā)光管直流偏置，由調(diào)整發(fā)光管直流偏置得到的圖像可以看出并未有 很大的失真，這是因?yàn)橹绷髌秒娏鳂O值限制，工作點(diǎn)未偏離P-I曲線直線段，所以飽和失真并不明顯。改變輸入電平，可以發(fā)現(xiàn)電平逐漸增大會(huì)出現(xiàn)失真。信號(hào)源峰值略大造

15、成的將信號(hào)源改用方波，同樣可以觀察到一些失真。一方面?zhèn)鬏斚到y(tǒng)存在一定的帶寬，這必然會(huì)丟失一些高頻成分；另一方面在信號(hào)傳遞的過(guò)程中，系統(tǒng)的任何組成部分包括有源部件和無(wú)源部件都可產(chǎn)生噪聲，并疊加在傳輸信號(hào)之上造成失真。相關(guān)問(wèn)題 為什么在傳輸模擬信號(hào)時(shí)，不能將輸入信號(hào)放大得很大？ 實(shí)驗(yàn)中我們并未進(jìn)行這一步驟，但是因?yàn)閷?duì)實(shí)驗(yàn)原理及器件認(rèn)識(shí)的不足，我們無(wú)意調(diào)整電位器W302的大小，且超過(guò)0.5Vp-p，這時(shí)候測(cè)試TP402，發(fā)現(xiàn)信號(hào)峰峰值超過(guò)了20V。事實(shí)上，接收機(jī)接收到的信號(hào)很小，因此需要進(jìn)行信號(hào)放大，放大倍數(shù)一定的情況下如果輸入信號(hào)比較大，會(huì)造成放大后的電壓值很大，而接收管的受壓能力有限，這會(huì)很容易

16、燒毀器件。因此傳輸模擬信號(hào)的時(shí)候，不能將輸入信號(hào)放大的很大。同時(shí)，幅值太大可能會(huì)出現(xiàn)截止或飽和削波失真。 接收信號(hào)線性度與發(fā)光端機(jī)靜態(tài)注入電流的關(guān)系靜態(tài)注入電流若很大，則會(huì)產(chǎn)生飽和失真；若太小，則有可能產(chǎn)生截止失真。相對(duì)強(qiáng)度噪聲也隨注入電流不同而變化，相對(duì)強(qiáng)度噪聲和工作光輸出相對(duì)于電流是直線增加，但有逐漸達(dá)到飽和的傾向，偏離線性區(qū)，接收信號(hào)失真更明顯。即使在類似直線段內(nèi)，但只要稍有彎曲，在已調(diào)制的光輸出信號(hào)中，就包含有失真成分。四、實(shí)驗(yàn)誤差分析及總結(jié)1. 儀表誤差：光功率計(jì)受外界光的影響，因此讀數(shù)可能會(huì)有一定誤差；萬(wàn)用表內(nèi)有電阻，因此測(cè)出的電壓也存在一定的偏差。2、最合適的靜態(tài)工作點(diǎn)估計(jì)存在一

17、定誤差。3、環(huán)境對(duì)測(cè)量結(jié)果也產(chǎn)生一定影響。4、噪聲導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果存在偏差:系統(tǒng)的任何組成部分包括有源部件和無(wú)源部件都可產(chǎn)生噪聲，并疊加在傳輸信號(hào)之上。在AM傳輸系統(tǒng)中，噪聲主要由光發(fā)射機(jī)、傳輸光纖、光接收機(jī)和各類連接器所組成，只能減小，但是不能完全消除5、器件本身也會(huì)引入誤差，包括器件制作上的缺陷，器件放置位置方向，光纖彎曲等問(wèn)題。6、總結(jié)模擬光纖傳輸系統(tǒng)中非線性失真包括以下幾個(gè)方面：激光器進(jìn)行調(diào)制用的驅(qū)動(dòng)放大器失真；激光器調(diào)制非線性失真（附加頻率調(diào)制）；光纖色散（含光纖傳輸中的多個(gè)分路器、連接器等）引起的非線性失真（與二次失真相似）；光接收機(jī)的光檢測(cè)二極管光電變換的非線性和接收機(jī)內(nèi)放大器引

18、起的失真等。7、模擬光纖傳輸鏈路中的噪聲主要來(lái)源于以下幾個(gè)方面：光發(fā)射機(jī)中激光器光強(qiáng)的漲落,即相對(duì)強(qiáng)度噪聲。、由光纖鏈路中光纖連接器（活接頭）、固定連接點(diǎn)（死接頭）、光纖耦合端面產(chǎn)生反射光以及光纖內(nèi)部缺陷多次反射（瑞利散射）進(jìn)入激光器腔內(nèi)引起干涉強(qiáng)度噪聲、光接收機(jī)中光檢測(cè)二極管產(chǎn)生的量子噪聲。以及光接收機(jī)中光檢測(cè)器前置放大器產(chǎn)生的熱噪聲。參考文獻(xiàn)：1 師雄偉,張乾坤.基于FPGA的實(shí)時(shí)數(shù)字化光纖傳輸系統(tǒng)J.電子科技,2012,25(2):26-29,53.DOI:10.3969/j.issn.1007-7820.2012.02.008. 2 劉志超.光纖中信號(hào)傳輸特性的仿真分析及應(yīng)用研究D.安徽大學(xué),2010.DOI:10.7666/d.d158834.3. 陳宏標(biāo), 超長(zhǎng)距離光傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì), 華中科技大學(xué)，20064. 王樂(lè)，關(guān)于LED應(yīng)用