光纖通信實驗

一、實驗平臺簡介光纖通信實驗教學系統(tǒng)（簡稱光纖通信實驗平臺）為實驗者提供了一個功能完整的光纖通信系統(tǒng)原理的示范性教學與實驗的平臺，提供了全方位的教學實驗。以實驗者為主體的設計理念、高的性價比和豐富的實驗內容，非常適用于教師的教學和學生動手能力的培養(yǎng)，使得實驗性教學規(guī)范化、訓練目的化、效果評估公正化，非常適合于本科、大專、中專各層次的光纖通信理論課的教學演示和實驗性教學。二、實驗平臺的特點該實驗平臺是一個開放式的實驗教學系統(tǒng)，提供了標準的教學模塊供學生進行實驗，同時其開放的接口（如光發(fā)送和光接收模塊的外輸入接口、開放的2M接口和開放的計算機接口等）和CPLD模塊可以二次開發(fā)出一些新的實驗內容，具有如下特點。1、獨立光發(fā)送組件和光接收組件，可以脫離實驗箱用作其他應用，如用戶自己開發(fā)其他的光纖實驗或相關產品。2、開放的2M接口，可以與光纖通信常用儀表如誤碼分析儀、E1測試儀等一起使用，開放的實驗有數據圖像光纖傳輸（配置MPEG編解碼卡、攝像頭、計算機）。3、特有的誤碼測試模塊，完成誤碼測試與液晶顯示，這樣無需為每臺實驗箱配置誤碼測試設備。4、一、實驗平臺簡介光纖通信實驗教學系統(tǒng)（簡稱光纖通信實驗平臺）為實驗者提供了一個功能完整的光纖通信系統(tǒng)原理的示范性教學與實驗的平臺，提供了全方位的教學實驗。以實驗者為主體的設計理念、高的性價比和豐富的實驗內容，非常適用于教師的教學和學生動手能力的培養(yǎng)，使得實驗性教學規(guī)范化、訓練目的化、效果評估公正化，非常適合于本科、大專、中專各層次的光纖通信理論課的教學演示和實驗性教學。二、實驗平臺的特點該實驗平臺是一個開放式的實驗教學系統(tǒng)，提供了標準的教學模塊供學生進行實驗，同時其開放的接口（如光發(fā)送和光接收模塊的外輸入接口、開放的2M接口和開放的計算機接口等）和CPLD模塊可以二次開發(fā)出一些新的實驗內容，具有如下特點。1、獨立光發(fā)送組件和光接收組件，可以脫離實驗箱用作其他應用，如用戶自己開發(fā)其他的光纖實驗或相關產品。2、開放的2M接口，可以與光纖通信常用儀表如誤碼分析儀、E1測試儀等一起使用，開放的實驗有數據圖像光纖傳輸（配置MPEG編解碼卡、攝像頭、計算機）。3、特有的誤碼測試模塊，完成誤碼測試與液晶顯示，這樣無需為每臺實驗箱配置誤碼測試設備。4、開放的計算機接口，可以完成計算機數據光纖傳輸實驗（配有相應的軟件）。因此，可以開發(fā)計算機圖像光纖傳輸實驗。5、二次開發(fā)模塊可以滿足用戶各種要求，如mBnB編碼、TDM（時分復用）等（配相應的軟件）6、專業(yè)化的實驗指導書和配套的教學光盤，介紹了該實驗箱可以繼續(xù)開發(fā)的實驗項目以及目前光纖通信的實驗教學。三、實驗平臺的總體介紹1、概述該實驗平臺結合光纖通信專業(yè)的特點，給同學們搭建了一個最基本的、點到點的、強度調制－直接檢測（IM/DD）光纖通信系統(tǒng)。選擇這樣一個典型的、基礎的系統(tǒng)能較好地銜接專業(yè)基礎課，如《光纖通信原理》、《光纖通信系統(tǒng)》和《光纖通信技術》等。針對目前光纖線路上通常承載的業(yè)務種類，在實驗平臺上傳輸的業(yè)務將主要由語音、圖像和數據組成；所傳輸的信號既有模擬信號又有數字信號；采用的傳輸方式主要是基帶傳輸，圖像信號例外（采用方波頻率調制方式來傳輸）。實驗平臺中所要體現(xiàn)的幾項重要、實用的技術有：模擬信號和數字信號的相互轉換、自動增益控制（AGC）、數字信號位同步時鐘提取、2M信號的誤碼檢測和多波長復用（WDM）等。實驗平臺中要對常用的數字光纖通信系統(tǒng)的性能指標，如平均發(fā)送光功率、消光比、動態(tài)范圍和靈敏度等進行模擬測試。為了增強可視化效果，該平臺將鍵盤、液晶顯示器與單片機相結合，給學員提供了一個友好的操作界面。2、總的組成方框圖實驗平臺主要包括以下幾個部分：傳輸光纖及無源光器件、模擬和數字光端機各一對、測試信號（如模擬的三角波、正弦波和鋸齒波和數字的ＰＮ序列等）和各種時鐘源、豐富的接口（如2M口、電視、電話、計算機接口等）、主控CPU及鍵盤、液晶顯示、誤碼性能測試等。實驗平臺可單獨使用，亦可與光纖通信系統(tǒng)測試儀表（如光功率計、誤碼測試儀、話路特性測試儀等）配合使用，也可多臺組網使用。它有如下的特點：(1)實驗系統(tǒng)交互工作，內容重點突出豐富且透明開放；(2)電路采用模塊化設計、波型測試點有代表性；(3)單片機與模塊電路、系統(tǒng)硬件與軟件、分立元件與集成電路相結合，便于學生掌握光纖通信中的關鍵知識點；(4)傳輸的信息類型多，有模擬電話、PCM電話、視頻信號、計算機數據、外接儀表輸出信號；(5)實驗者亦可通過PLD設計來驗證自己的設計正確與否，增強了主動性。下面對各部分作一介紹。以及目前光纖通信的實驗教學。三、實驗平臺的總體介紹1、概述該實驗平臺結合光纖通信專業(yè)的特點，給同學們搭建了一個最基本的、點到點的、強度調制－直接檢測（IM/DD）光纖通信系統(tǒng)。選擇這樣一個典型的、基礎的系統(tǒng)能較好地銜接專業(yè)基礎課，如《光纖通信原理》、《光纖通信系統(tǒng)》和《光纖通信技術》等。針對目前光纖線路上通常承載的業(yè)務種類，在實驗平臺上傳輸的業(yè)務將主要由語音、圖像和數據組成；所傳輸的信號既有模擬信號又有數字信號；采用的傳輸方式主要是基帶傳輸，圖像信號例外（采用方波頻率調制方式來傳輸）。實驗平臺中所要體現(xiàn)的幾項重要、實用的技術有：模擬信號和數字信號的相互轉換、自動增益控制（AGC）、數字信號位同步時鐘提取、2M信號的誤碼檢測和多波長復用（WDM）等。實驗平臺中要對常用的數字光纖通信系統(tǒng)的性能指標，如平均發(fā)送光功率、消光比、動態(tài)范圍和靈敏度等進行模擬測試。為了增強可視化效果，該平臺將鍵盤、液晶顯示器與單片機相結合，給學員提供了一個友好的操作界面。2、總的組成方框圖實驗平臺主要包括以下幾個部分：傳輸光纖及無源光器件、模擬和數字光端機各一對、測試信號（如模擬的三角波、正弦波和鋸齒波和數字的ＰＮ序列等）和各種時鐘源、豐富的接口（如2M口、電視、電話、計算機接口等）、主控CPU及鍵盤、液晶顯示、誤碼性能測試等。實驗平臺可單獨使用，亦可與光纖通信系統(tǒng)測試儀表（如光功率計、誤碼測試儀、話路特性測試儀等）配合使用，也可多臺組網使用。它有如下的特點：(1)實驗系統(tǒng)交互工作，內容重點突出豐富且透明開放；(2)電路采用模塊化設計、波型測試點有代表性；(3)單片機與模塊電路、系統(tǒng)硬件與軟件、分立元件與集成電路相結合，便于學生掌握光纖通信中的關鍵知識點；(4)傳輸的信息類型多，有模擬電話、PCM電話、視頻信號、計算機數據、外接儀表輸出信號；(5)實驗者亦可通過PLD設計來驗證自己的設計正確與否，增強了主動性。下面對各部分作一介紹。⑴接口部分。這是平臺與外界聯(lián)系的窗口，通過這一部分完成光纖通信系統(tǒng)所傳送的業(yè)務。具體講有三個對外的接口：2M接口、RS232接口和電話接口，分別用來傳輸外來的數據（如計算機的數據、2M的數字業(yè)務）和模擬業(yè)務（如語音）。（由于時間原因，這一批實驗平臺中還沒有加入與圖像光纖傳輸相關的實驗項目）。（2）信號源部分。由于許多實驗室儀表緊張，在實驗平臺中采用先進的信號產生技術產生了實驗所需的信號，如模擬通信所需的模擬信號波形（如方波、三角波、正弦波和鋸齒波等）和數字通信所需的2M（實際速率為2.048Mb/s，簡稱2M）偽隨機序列等。（3）時鐘源。提供系統(tǒng)工作所需的所有時鐘，如數字化信號源所需的時鐘、CMI碼和HDB3碼的編碼時鐘等。（4）光發(fā)送端機和光接收端機。光發(fā)送端機由數字光發(fā)送驅動電路和模擬光發(fā)送驅動電路組成。通過選擇開關，它們可以完成模擬信號（如方波、三角波、正弦波和鋸齒波等）和數字信號（如CMI、PCM和2M的PN信號以及串口數據）的光纖傳輸。光接收端機由光接收組件、帶自動增益控制的主放大器和數據重建電路組成，完成發(fā)送機送來的信號的恢復和再生。（3）時鐘源。提供系統(tǒng)工作所需的所有時鐘，如數字化信號源所需的時鐘、CMI碼和HDB3碼的編碼時鐘等。（4）光發(fā)送端機和光接收端機。光發(fā)送端機由數字光發(fā)送驅動電路和模擬光發(fā)送驅動電路組成。通過選擇開關，它們可以完成模擬信號（如方波、三角波、正弦波和鋸齒波等）和數字信號（如CMI、PCM和2M的PN信號以及串口數據）的光纖傳輸。光接收端機由光接收組件、帶自動增益控制的主放大器和數據重建電路組成，完成發(fā)送機送來的信號的恢復和再生。由于電話和串行數據的光纖傳輸是雙向的，因此，我們設計了兩套光收發(fā)模塊，這也為WDM實驗的開展提供了條件。如果購買的是單工方式，則只需用一對光發(fā)送和光接收。（5）主控和人機接口。主控CPU、鍵盤輸入和液晶顯示等部分構成了控制模塊，完成所有操作的選擇和誤碼測試。（6）電源部分。電源模塊則為整個實驗平臺供給能量，由一個AC-DC電源模塊和DC-DC變換電路完成。實驗平臺具體組成框圖3、實驗平臺實物的分布圖四、實驗項目實驗說明：1、實驗平臺提供的是一個開放式系統(tǒng)，因而實驗項目和方法都比較靈活，本實驗指導書只提供了一種參考，實驗時不必拘泥于這里提供的方法。大家應根據理論課的學習積極思考。2、實驗的所有電路圖集均已給出，大家實驗之前應認真地學習和掌握，這樣實驗效果會更好。這也實驗的目的之一。圖1圖成框組臺的驗平實數字信號選擇器跳線器模擬開關跳線器換平轉電譯碼3HDB接口23R2S口接2M編PCM碼譯接線用戶口電路波方CIMM本地2機偽隨序列時鐘源波三角波3、實驗平臺實物的分布圖四、實驗項目實驗說明：1、實驗平臺提供的是一個開放式系統(tǒng)，因而實驗項目和方法都比較靈活，本實驗指導書只提供了一種參考，實驗時不必拘泥于這里提供的方法。大家應根據理論課的學習積極思考。2、實驗的所有電路圖集均已給出，大家實驗之前應認真地學習和掌握，這樣實驗效果會更好。這也實驗的目的之一。圖1圖成框組臺的驗平實數字信號選擇器跳線器模擬開關跳線器換平轉電譯碼3HDB接口23R2S口接2M編PCM碼譯接線用戶口電路波方CIMM本地2機偽隨序列時鐘源波三角波正弦波鋸齒時鐘源光發(fā)收光收光光發(fā)跳線器編PM碼C譯接口22S3R轉換電平檢測碼誤碼編3HDB譯碼ICM信號模擬波方線接用戶電路口接口2MCU主控P入盤輸鍵示晶顯液電源模塊3、大家在搞清電路圖的基礎上，應能領會實際的光纖通信產品的實現(xiàn)方法，考慮這里為什么采用這種電路，如果你來實現(xiàn)將采用何種電路方式。4、本實驗主要借助于電位器、可調電容、跳線（有二腳的，三腳的等，它可以用短接帽來選擇性的連接，可以水平或垂直方向排列，水平排列左起為第1腳，垂直排列右上為第1腳）實現(xiàn)系統(tǒng)配置和所選系統(tǒng)的正常工作的調整。5、于有與之配套的實驗教程，因而為了一致，實驗指導書實驗部分1－4章相當教程的第5-8章的敘述。6、由于實驗平臺是屬于精密儀器，像光纖、光源等光器件價格高且易損壞，大家應嚴格按科學的方法實驗，養(yǎng)成良好的實驗作風。一光發(fā)送機實驗1、內容簡介在光纖數字通信系統(tǒng)中，光端機、PCM電端機和光纖的連接如圖所示。由圖1.1可見，光端機與光纖有二個連接點S、R，稱為光接口，或稱光端機的線路側；光端機與數字設備也有二個連接點A、B，稱為電接口，或稱光端機的設備側。光端機共有四個接口：二個光接口，一個為“S”，向光纖發(fā)送光信號功率；一個為“R”，從光纖接收光信號功率；二個電接口，一個為“A”，接收從數字復用設備送來的PCM數字信號，一個為“B”，向數字復用設備輸出PCM數字信號。光中繼器的四個接口都是光接口。由此，光纖數字通信系統(tǒng)或光設備的測試指標也分成二大類：一類是光接口指標，另一類是電接口指標。相當于光接口3、大家在搞清電路圖的基礎上，應能領會實際的光纖通信產品的實現(xiàn)方法，考慮這里為什么采用這種電路，如果你來實現(xiàn)將采用何種電路方式。4、本實驗主要借助于電位器、可調電容、跳線（有二腳的，三腳的等，它可以用短接帽來選擇性的連接，可以水平或垂直方向排列，水平排列左起為第1腳，垂直排列右上為第1腳）實現(xiàn)系統(tǒng)配置和所選系統(tǒng)的正常工作的調整。5、于有與之配套的實驗教程，因而為了一致，實驗指導書實驗部分1－4章相當教程的第5-8章的敘述。6、由于實驗平臺是屬于精密儀器，像光纖、光源等光器件價格高且易損壞，大家應嚴格按科學的方法實驗，養(yǎng)成良好的實驗作風。一光發(fā)送機實驗1、內容簡介在光纖數字通信系統(tǒng)中，光端機、PCM電端機和光纖的連接如圖所示。由圖1.1可見，光端機與光纖有二個連接點S、R，稱為光接口，或稱光端機的線路側；光端機與數字設備也有二個連接點A、B，稱為電接口，或稱光端機的設備側。光端機共有四個接口：二個光接口，一個為“S”，向光纖發(fā)送光信號功率；一個為“R”，從光纖接收光信號功率；二個電接口，一個為“A”，接收從數字復用設備送來的PCM數字信號，一個為“B”，向數字復用設備輸出PCM數字信號。光中繼器的四個接口都是光接口。由此，光纖數字通信系統(tǒng)或光設備的測試指標也分成二大類：一類是光接口指標，另一類是電接口指標。相當于光接口圖1.1圖5.1光光端機端機的接的接口口PCM復用設備光接收光發(fā)送光纖電端機光端機ABSR光纖指標主要有四個：（1）平均發(fā)送光功率；（2）消光比；（3）光接收靈敏度；（4）光接收機動態(tài)范圍。這四個指標在具體數值上ITU-T無明確建議，主要應根據各種不同的光纖數字通信系統(tǒng)實際設計的要求來確定。光接口指標測試依據也就是設計要求。測試結構應該優(yōu)于設計指標。本章為大家介紹光發(fā)送機實驗，主要是針對數字光發(fā)送機而言。實驗一半導體光源P-I特性曲線測試一、實驗目的與內容1、了解半導體光源的特性。2、掌握光源P（平均發(fā)送光功率）-I（注入電流）特性曲線的測試方法。3、掌握光功率計的使用方法。二、實驗步驟測試框圖如圖1.2所示。其中S、R為活動連接器（ST指標主要有四個：（1）平均發(fā)送光功率；（2）消光比；（3）光接收靈敏度；（4）光接收機動態(tài)范圍。這四個指標在具體數值上ITU-T無明確建議，主要應根據各種不同的光纖數字通信系統(tǒng)實際設計的要求來確定。光接口指標測試依據也就是設計要求。測試結構應該優(yōu)于設計指標。本章為大家介紹光發(fā)送機實驗，主要是針對數字光發(fā)送機而言。實驗一半導體光源P-I特性曲線測試一、實驗目的與內容1、了解半導體光源的特性。2、掌握光源P（平均發(fā)送光功率）-I（注入電流）特性曲線的測試方法。3、掌握光功率計的使用方法。二、實驗步驟測試框圖如圖1.2所示。其中S、R為活動連接器（ST型），RP501為可變電阻位于數字光發(fā)電路的上方。P-I曲線測試步驟為：1、碼型發(fā)生器自A點（對應實驗平臺測試點TP501）給光發(fā)送機送方波信號作為測試信號。大家可以借助鍵盤和液晶來選擇方波信號（實驗平臺加電后，先按復位鍵復位系統(tǒng)，屏幕出現(xiàn)“請選擇”提示后，按鍵選擇“方波”），此時，TP501點應能測試到方波信號。參考附錄B中光發(fā)模塊甲的原理框圖可知，為了把數字信號發(fā)往線路，除了用短接帽將跳線XP500的1-2連外，還需要通過雙刀雙擲開關KS501選通模擬光源驅動電路和數字光源驅動電路。本實驗中選擇數字光源驅動電路（按鍵KS501抬起即可）。2、從發(fā)送模塊甲的光源組件（如1414T/1312T）的連接器S中取出保護塑料套，用光纖跳線分別插入發(fā)送端連接器S與光功率計的輸入連接器插頭，連接光發(fā)送端的光輸出與光功率計，此時從光功率計讀出的功率就是光端機的平均發(fā)送光功率P。3、用數字萬用表測量兩點之間電壓(紅色表筆接電源VCC，附近找不到電源可以將紅色表筆接觸SN75452的8腳或2腳；黑色表筆接觸測試點TP502)。測得的電壓值除以電阻值R=R501+RP501（測RP501的電阻值時應該將實驗平臺的供電切斷），其中R501是51Ω的固定電阻，即可得到注入電流I。改變RP501的阻值，將得到一組測得的P、I的值記錄下來，我們便可以描繪P-I曲線。這里需說明的是這里測得的是P-I曲線的一段（功率調節(jié)范圍約4個dB），為了防止燒壞光發(fā)送組件，電流I的調節(jié)范圍有限（電流調節(jié)范圍約為20mA），但不妨礙整個P-I曲線的測量，因為測試方法是一樣的，只是多測幾組值而已。4、在調節(jié)電位器的過程中，最好讓光功率值在-18dB～-22dB變化，以免損壞器件。實驗二光線路碼實驗一、實驗目的TP501：方波信號1、了解常用的光纖線路碼型如NRZ、CMI、5B6B等。2、掌握CMI編解碼的規(guī)則。3、了解線路碼的傳輸特性。二、實驗內容碼型變換含義廣泛，本節(jié)中我們將要介紹的碼型變換指的是線路碼型的編碼和譯碼。我國郵電部從管理的角度出發(fā)，規(guī)定了幾種在公用網上使用的碼型（專用網也可以參照使用）：5B6B、CMI、擾碼二進制、1B1H以及2、從發(fā)送模塊甲的光源組件（如1414T/1312T）的連接器S中取出保護塑料套，用光纖跳線分別插入發(fā)送端連接器S與光功率計的輸入連接器插頭，連接光發(fā)送端的光輸出與光功率計，此時從光功率計讀出的功率就是光端機的平均發(fā)送光功率P。3、用數字萬用表測量兩點之間電壓(紅色表筆接電源VCC，附近找不到電源可以將紅色表筆接觸SN75452的8腳或2腳；黑色表筆接觸測試點TP502)。測得的電壓值除以電阻值R=R501+RP501（測RP501的電阻值時應該將實驗平臺的供電切斷），其中R501是51Ω的固定電阻，即可得到注入電流I。改變RP501的阻值，將得到一組測得的P、I的值記錄下來，我們便可以描繪P-I曲線。這里需說明的是這里測得的是P-I曲線的一段（功率調節(jié)范圍約4個dB），為了防止燒壞光發(fā)送組件，電流I的調節(jié)范圍有限（電流調節(jié)范圍約為20mA），但不妨礙整個P-I曲線的測量，因為測試方法是一樣的，只是多測幾組值而已。4、在調節(jié)電位器的過程中，最好讓光功率值在-18dB～-22dB變化，以免損壞器件。實驗二光線路碼實驗一、實驗目的TP501：方波信號1、了解常用的光纖線路碼型如NRZ、CMI、5B6B等。2、掌握CMI編解碼的規(guī)則。3、了解線路碼的傳輸特性。二、實驗內容碼型變換含義廣泛，本節(jié)中我們將要介紹的碼型變換指的是線路碼型的編碼和譯碼。我國郵電部從管理的角度出發(fā)，規(guī)定了幾種在公用網上使用的碼型（專用網也可以參照使用）：5B6B、CMI、擾碼二進制、1B1H以及565Mbit/s光纖傳輸系統(tǒng)用的8B1H。本節(jié)中將以CMI的編解碼為例介紹碼型變換實驗。CMI碼即是CodedMarkInversion（編碼傳號反轉）碼的縮寫，表1-1中給出了其變換規(guī)則，傳號1交替地用00和11表示（若一個傳號編為00，則下一個傳號必須編為11，也就是交替反轉），而空號0則固定用01表示，圖1.3中給出了波形的例子。由于一個碼元變成了兩個碼元，所以它屬于二電平的NRZ的1B-2B碼型。CMI碼具有雙相碼的優(yōu)點，且不怕信道相位反轉（信息碼為“1”時，兩個線路碼相同；信息碼為“0”時，兩個線路碼相反。信道相位反轉后，仍有此性質），具有一定的糾錯能力，易于實現(xiàn)，易于定時提取，因此在低速系統(tǒng)中選為傳輸碼型。在ITU-T的G.703建議中，規(guī)定CMI碼為四次群（139.264Mbit/s）的接口碼型。日本電報電話公司在32Mbit/s及更低速率的光纖通信系統(tǒng)中也采用了CMI碼。輸入二元碼CMI碼010100或11交替出現(xiàn)表5-1CMI碼變換規(guī)則表1－1CMI變換規(guī)圖圖5.21.2數字數字光發(fā)光發(fā)送機送機P-IP-I曲曲線線測試框測試框圖圖碼型發(fā)生器數字光發(fā)光功率計數字萬用表ATP501SR光纖跳線RP501＋5V圖1.4給出了CMI編碼的原理框圖。編碼電路接收來自信號源的單極性非歸零碼（NRZ碼），并把這種碼型變換為CMI碼送至光發(fā)送機。輸入若是傳號，則翻轉輸出；若是空號，則打開門開關，使時鐘的反向輸出。其電路原理如圖1.3所示。需要注意，輸入的單極性碼已經與時鐘同步。本實驗系統(tǒng)中采用可編程邏輯器件（PLD）來實現(xiàn)CMI的編譯碼。CMI編碼的VHDL源程序如下：libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;entitydfisport(invert,clk:instd_logic;q:bufferstd_logic);enddf;architecturedfofdfissignald:std_logic;begind<=qxorinvert;processbeginwaituntilclk='1';q<=d;endprocess;enddf;libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;entitycmi_codeisport(nrz,clk:instd_logic;cmi:outstd_logic);endcmi_code;architecturecmi_codeofcmi_codeiscomponentdfport(invert,clk:instd_logic;q:bufferstd_logic);endcomponent;signala,b:std_logic;begincmi<=awhennrz='1'elseb;采樣反相開關合成翻轉電路NRZ碼時鐘CMI碼圖1.4圖5.4CMI編碼框圖CMI碼編碼框圖10圖圖5.5CMI編碼原理電路1.5編碼原理電路時鐘二元碼CMI1100010圖1.4給出了CMI編碼的原理框圖。編碼電路接收來自信號源的單極性非歸零碼（NRZ碼），并把這種碼型變換為CMI碼送至光發(fā)送機。輸入若是傳號，則翻轉輸出；若是空號，則打開門開關，使時鐘的反向輸出。其電路原理如圖1.3所示。需要注意，輸入的單極性碼已經與時鐘同步。本實驗系統(tǒng)中采用可編程邏輯器件（PLD）來實現(xiàn)CMI的編譯碼。CMI編碼的VHDL源程序如下：libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;entitydfisport(invert,clk:instd_logic;q:bufferstd_logic);enddf;architecturedfofdfissignald:std_logic;begind<=qxorinvert;processbeginwaituntilclk='1';q<=d;endprocess;enddf;libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;entitycmi_codeisport(nrz,clk:instd_logic;cmi:outstd_logic);endcmi_code;architecturecmi_codeofcmi_codeiscomponentdfport(invert,clk:instd_logic;q:bufferstd_logic);endcomponent;signala,b:std_logic;begincmi<=awhennrz='1'elseb;采樣反相開關合成翻轉電路NRZ碼時鐘CMI碼圖1.4圖5.4CMI編碼框圖CMI碼編碼框圖10圖圖5.5CMI編碼原理電路1.5編碼原理電路時鐘二元碼CMI110001011010011000111111圖圖5.3CMI碼與二元碼的轉換關系1.3CMI碼與元碼的轉換關系b<=notclk;u:dfportmap(nrz,clk,a);endcmi_code;解碼采用的思想很簡單：當時鐘和信碼對齊時，如果輸入的是11或00，則輸出為1；如果輸入為01，則輸出為0。但是問題的關鍵在于怎樣才可將一序列的碼元正確地兩個兩個分組。經過傳輸處理后的CMI碼首先要提取位同步時鐘，接著抽樣判決。此時CMI碼流和發(fā)送的碼流在波形上沒有區(qū)別（暫時忽略誤碼的情況），但將其兩個兩個分組，卻有兩種不同的情況。當然，其一是正確的，可以得到正確的譯碼結果，如果接下來的工作亦是正確的話；而另一種在絕大多數的情況下將導致譯碼工作的失敗。結合CMI碼流的特點，這里提供了兩種可以正確分組的方法：如果在碼流中檢測到了0101的話，那么就可以將緊接著它們的兩個碼元分為一組，以此類推；另一種方法更為簡單易行，那就是在碼流中檢測1到0的跳變后，就可以將下降沿后的兩個碼元分為一組了。圖1.6CMI碼流的正確分組一般情況下，第二種方法可以盡快地實現(xiàn)正確的分組。下面的例子具體說明了這兩種方法的使用。如圖1.6所示：接下來就是依據編碼規(guī)則進行譯碼了。這里列舉了三種具體的解決方案：第一種方案：其原理框圖如圖1.7所示，原理電路如圖1.8所示。從位同步時鐘中分離出兩路時鐘，它們和位同步時鐘同頻，但是占空比不一樣，兩路時鐘信號的占空比都是25％。其區(qū)別在于它們的相位相差半個周期。將每組中的兩個碼元分開，從而形成了第一路信號和第二路信號，在兩路時鐘的正確作用下比較這兩路信號，便可以將CMI碼解譯出來。這種方案電路結構簡單，各部分功能清晰，易于理解和操作。11000b<=notclk;u:dfportmap(nrz,clk,a);endcmi_code;解碼采用的思想很簡單：當時鐘和信碼對齊時，如果輸入的是11或00，則輸出為1；如果輸入為01，則輸出為0。但是問題的關鍵在于怎樣才可將一序列的碼元正確地兩個兩個分組。經過傳輸處理后的CMI碼首先要提取位同步時鐘，接著抽樣判決。此時CMI碼流和發(fā)送的碼流在波形上沒有區(qū)別（暫時忽略誤碼的情況），但將其兩個兩個分組，卻有兩種不同的情況。當然，其一是正確的，可以得到正確的譯碼結果，如果接下來的工作亦是正確的話；而另一種在絕大多數的情況下將導致譯碼工作的失敗。結合CMI碼流的特點，這里提供了兩種可以正確分組的方法：如果在碼流中檢測到了0101的話，那么就可以將緊接著它們的兩個碼元分為一組，以此類推；另一種方法更為簡單易行，那就是在碼流中檢測1到0的跳變后，就可以將下降沿后的兩個碼元分為一組了。圖1.6CMI碼流的正確分組一般情況下，第二種方法可以盡快地實現(xiàn)正確的分組。下面的例子具體說明了這兩種方法的使用。如圖1.6所示：接下來就是依據編碼規(guī)則進行譯碼了。這里列舉了三種具體的解決方案：第一種方案：其原理框圖如圖1.7所示，原理電路如圖1.8所示。從位同步時鐘中分離出兩路時鐘，它們和位同步時鐘同頻，但是占空比不一樣，兩路時鐘信號的占空比都是25％。其區(qū)別在于它們的相位相差半個周期。將每組中的兩個碼元分開，從而形成了第一路信號和第二路信號，在兩路時鐘的正確作用下比較這兩路信號，便可以將CMI碼解譯出來。這種方案電路結構簡單，各部分功能清晰，易于理解和操作。110001001011110CMI碼流方法一：方法二：圖圖1.65.6CMI碼流的正確分組CMI碼流的正確分組分離時鐘第一路時鐘下降沿檢出讀取第一路信號讀取第二路信號比較CMI位同步時鐘CMINRZ第二路時鐘圖圖5.7方1.7方案案一的1的原原理理框圖框圖圖圖5.8方1.8案方一的案原1理的電路原理電路第二種方案：解碼方法的本質和第一種相似，差別主要在于找到正確分組的方法不同，它分別用二分頻后的時鐘的上升沿和下降沿來讀取兩路信號，其原理框圖如圖1.9所示。第三種方案：這里的譯碼思路稍有變化。CMI碼流經過串并轉換后，在二分頻后的位同步時鐘作用下讀出，進行比較譯碼，其原理框圖如圖1.10所示。三、實驗步驟實驗框圖如下圖所示。具體實驗步驟如下：1、首先要做的是：在斷開電源的情況下，通過正確的跳線來建立一個數字光纖通信系統(tǒng)，這個系統(tǒng)在本實驗中傳輸的是CMI碼（速率為64kbit/s），所要完成的功能是對CMI的編譯碼。由附錄B中的原理電路圖集，可以知道：光發(fā)模塊甲中，首先通過短接帽將跳線XP500的1、2腳相連，開關KS501要選擇為傳輸數字信號（按鍵抬起即選中數字光源驅動電路）；光收發(fā)模塊甲之間用光纖跳線連接；光收模塊甲中，通過短接帽將跳線XP503的5、6腳相連、XP504的2、3腳相連（選擇主放大器MAX435放大信號）以及XP505的“CMI”二分頻下降沿檢出比較CMI位同步時鐘CMINRZ圖5.10方案三的原理框圖圖1.10方案三的原理框圖串并轉換二分頻0101檢出上升沿讀取第一路信號下降沿讀取第二路信號比較CMI位同步時鐘CMINRZ圖5.9方案二的原理框圖圖1.9方案2的原理框圖時鐘源數字第二種方案：解碼方法的本質和第一種相似，差別主要在于找到正確分組的方法不同，它分別用二分頻后的時鐘的上升沿和下降沿來讀取兩路信號，其原理框圖如圖1.9所示。第三種方案：這里的譯碼思路稍有變化。CMI碼流經過串并轉換后，在二分頻后的位同步時鐘作用下讀出，進行比較譯碼，其原理框圖如圖1.10所示。三、實驗步驟實驗框圖如下圖所示。具體實驗步驟如下：1、首先要做的是：在斷開電源的情況下，通過正確的跳線來建立一個數字光纖通信系統(tǒng)，這個系統(tǒng)在本實驗中傳輸的是CMI碼（速率為64kbit/s），所要完成的功能是對CMI的編譯碼。由附錄B中的原理電路圖集，可以知道：光發(fā)模塊甲中，首先通過短接帽將跳線XP500的1、2腳相連，開關KS501要選擇為傳輸數字信號（按鍵抬起即選中數字光源驅動電路）；光收發(fā)模塊甲之間用光纖跳線連接；光收模塊甲中，通過短接帽將跳線XP503的5、6腳相連、XP504的2、3腳相連（選擇主放大器MAX435放大信號）以及XP505的“CMI”二分頻下降沿檢出比較CMI位同步時鐘CMINRZ圖5.10方案三的原理框圖圖1.10方案三的原理框圖串并轉換二分頻0101檢出上升沿讀取第一路信號下降沿讀取第二路信號比較CMI位同步時鐘CMINRZ圖5.9方案二的原理框圖圖1.9方案2的原理框圖時鐘源數字分頻PN序列數字選擇開關CMI編碼CPLD光發(fā)模塊甲光收模塊甲TP401信號放大CMI編碼CPLDPN序列DPLL時鐘TP602TP601圖圖1.115.11CMI實驗框圖傳輸，放大后的信號流向誤碼檢測模塊譯碼。2、數字光纖通信系統(tǒng)建立起來后，同學們可以通過鍵盤和液晶來選擇所要傳輸的碼型，本實驗中選擇CMI碼（同樣，實驗平臺加電后，先按復位鍵，再選擇所要傳輸的碼型）。此時，測試點TP501、TP502應該能測到編好的CMI碼的波形。此時應注意的是：PLD對輸入信號的幅度有一定要求，必須調節(jié)光發(fā)模塊甲的可調電阻RP501、光收模塊甲的可調電阻RP505、RP506和RP508，充分放大接收信號。3、我們可以在測試點TP504、TP505測試到經過光纖跳線傳輸后的CMI碼波形；跳線后，可在TP507測試到放大后的CMI碼，可在TP601探測到譯碼后的PN（偽隨機）序列；在測試點TP602我們可以探測到用來譯碼的64KHz位同步時鐘（此時鐘由誤碼檢測模塊中的數字鎖相環(huán)提供，因為鎖相環(huán)會帶來抖動，所以比較TP602傳輸，放大后的信號流向誤碼檢測模塊譯碼。2、數字光纖通信系統(tǒng)建立起來后，同學們可以通過鍵盤和液晶來選擇所要傳輸的碼型，本實驗中選擇CMI碼（同樣，實驗平臺加電后，先按復位鍵，再選擇所要傳輸的碼型）。此時，測試點TP501、TP502應該能測到編好的CMI碼的波形。此時應注意的是：PLD對輸入信號的幅度有一定要求，必須調節(jié)光發(fā)模塊甲的可調電阻RP501、光收模塊甲的可調電阻RP505、RP506和RP508，充分放大接收信號。3、我們可以在測試點TP504、TP505測試到經過光纖跳線傳輸后的CMI碼波形；跳線后，可在TP507測試到放大后的CMI碼，可在TP601探測到譯碼后的PN（偽隨機）序列；在測試點TP602我們可以探測到用來譯碼的64KHz位同步時鐘（此時鐘由誤碼檢測模塊中的數字鎖相環(huán)提供，因為鎖相環(huán)會帶來抖動，所以比較TP602與TP401的波形時同學們會觀察到抖動現(xiàn)象）。測試點TP401輸出的信號是發(fā)送端的PN偽隨機序列，系統(tǒng)正是對這個序列進行CMI編譯碼的。讀者可以比較TP601與TP401的信號（想想為什么兩個波形會有時延），也可以比較TP501和TP401的信號，從而驗證自己所編寫的CMI編譯碼程序是否正確。各點的參考小型如下：TP602時鐘TP401二元碼CMI110001011010011000111111圖5.3CMI碼與二元碼的轉換關系圖1.3CMI碼與二元碼的轉換實驗三平均發(fā)送光功率的測試一、實驗目的1、了解光端機的工作原理2、掌握數字光發(fā)送機的功率測量方法3、理解平均光功率的含義二、實驗內容光端機的平均發(fā)送光功率是指在正常工作條件下光端機輸出的平均光功率，即光源尾纖輸出的平均光功率。平均發(fā)送光功率指標與實際的光纖線路有關，在長距離光纖數字通信系統(tǒng)中，要求有較大的平均發(fā)送功率；在短距離的光纖數字通信系統(tǒng)中，要求較小的平均發(fā)送光功率。設計人員應根據整個光纖通信系統(tǒng)的經濟性、穩(wěn)定性和可維護性全面考慮該指標，提出合適的數值要求，而不是越大越好。平均發(fā)送光功率測試框圖如圖5.12所示。(1)各種指標的測試都要送入測試信號，自光端機A點送入PCM測試信號。根據ITU-T建議，信號源應能產生不同長度的碼型信號，不同碼速的光纖數字通信系統(tǒng)要求送入不同的PCM測試信號，速率為2048kbit/s和8448kbit/s的數字系統(tǒng)送（215-1）偽隨機碼，34368kbit/s和139264kbit/s的數字系統(tǒng)送（223-1）偽隨機碼。(2)用光纖測試線（即光纖跳線）分別插入發(fā)送端連接器與光功率計連接器，連接光端機的光輸出與光功率計，此時從光功率計讀出的功率P就是光端機進入光纖線路的平均發(fā)送光功率。光端機的平均發(fā)送光功率應考慮發(fā)端連接器S的損耗，即P是考慮了發(fā)端連接器S的損耗。(3)有的功率計可直接讀dBm，若只能讀mW（毫瓦）或μW（微瓦）應換算成dBm，值dBm10lg毫瓦實驗三平均發(fā)送光功率的測試一、實驗目的1、了解光端機的工作原理2、掌握數字光發(fā)送機的功率測量方法3、理解平均光功率的含義二、實驗內容光端機的平均發(fā)送光功率是指在正常工作條件下光端機輸出的平均光功率，即光源尾纖輸出的平均光功率。平均發(fā)送光功率指標與實際的光纖線路有關，在長距離光纖數字通信系統(tǒng)中，要求有較大的平均發(fā)送功率；在短距離的光纖數字通信系統(tǒng)中，要求較小的平均發(fā)送光功率。設計人員應根據整個光纖通信系統(tǒng)的經濟性、穩(wěn)定性和可維護性全面考慮該指標，提出合適的數值要求，而不是越大越好。平均發(fā)送光功率測試框圖如圖5.12所示。(1)各種指標的測試都要送入測試信號，自光端機A點送入PCM測試信號。根據ITU-T建議，信號源應能產生不同長度的碼型信號，不同碼速的光纖數字通信系統(tǒng)要求送入不同的PCM測試信號，速率為2048kbit/s和8448kbit/s的數字系統(tǒng)送（215-1）偽隨機碼，34368kbit/s和139264kbit/s的數字系統(tǒng)送（223-1）偽隨機碼。(2)用光纖測試線（即光纖跳線）分別插入發(fā)送端連接器與光功率計連接器，連接光端機的光輸出與光功率計，此時從光功率計讀出的功率P就是光端機進入光纖線路的平均發(fā)送光功率。光端機的平均發(fā)送光功率應考慮發(fā)端連接器S的損耗，即P是考慮了發(fā)端連接器S的損耗。(3)有的功率計可直接讀dBm，若只能讀mW（毫瓦）或μW（微瓦）應換算成dBm，值dBm10lg毫瓦1P毫瓦(1.1)需要說明兩點：1)平均光功率與PCM信號的碼型有關，NRZ碼與50%占空比的RZ碼相比，其平均光功率要大3dB。2)光源的平均輸出光功率與注入它的電流大小有關，測試應在正常工作的注入電流條件下進行。實驗平臺中，可以選擇系統(tǒng)自身產生的2M偽隨機序列來測試平均光功率，不過出于演示的目的，系統(tǒng)中PN序列的長度只有24-1，即15位。圖5.12模擬光發(fā)送調制度測試框圖波型發(fā)生器模擬光發(fā)光功率計ATP503SR光纖跳線RP504＋5VTP502三、實驗步驟1、用短接帽將跳線XP401的1、2兩腳連接，這樣選擇傳輸的是系統(tǒng)內部產生的2M偽隨機序列。如果將2、3兩腳連接，則傳輸的將是外部輸入的2M數據。2、選擇光發(fā)模塊甲。用短接帽將跳線XP500的1、2腳相連，開關KS501選擇傳輸數字信號。3、從發(fā)送模塊甲的光源組件連接器S中取出保護塑料套，用光纖跳線分別插入發(fā)送端連接器三、實驗步驟1、用短接帽將跳線XP401的1、2兩腳連接，這樣選擇傳輸的是系統(tǒng)內部產生的2M偽隨機序列。如果將2、3兩腳連接，則傳輸的將是外部輸入的2M數據。2、選擇光發(fā)模塊甲。用短接帽將跳線XP500的1、2腳相連，開關KS501選擇傳輸數字信號。3、從發(fā)送模塊甲的光源組件連接器S中取出保護塑料套，用光纖跳線分別插入發(fā)送端連接器S與光功率計的輸入連接器插頭，連接光發(fā)送端的光輸出與光功率計。4、測試系統(tǒng)建立后，即可以給實驗平臺加電，按復位鍵后，從鍵盤輸入PN，以控制系統(tǒng)產生2M信號。然后光功率計上就可以顯示出平均光功率值。大家也可以從鍵盤輸入方波或CMI碼，我們會發(fā)現(xiàn)不同的數字信號驅動光源時，所產生的平均光功率有一些差別。思考一下為什么？實驗四消光比EXT測試一、實驗目的1、了解光端機的工作原理2、掌握數字光發(fā)送機的功率測量方法3、理解消光比的定義，掌握消光比的測量方法二、實驗內容消光比的測試框圖如圖1.2所示，將光端機的輸入信號斷掉（即不給光端機送電信號），測出的光功率即為P,即對應的輸入數字信號為全“0”時的光功率。測量P時，信號源送0011入（2N-1）偽隨碼，N的選擇與平均發(fā)送光功率測試相同。因為偽隨機碼的“0”碼和“1”碼等概率，所以，全“1”碼時的光功率應是偽隨機碼時平均光功率P的兩倍，即P11=2P，則消光比為：（1.2）2PPEXT00測試結果可按上式計算。某些資料中，消光比還使用以下的一種表示公式：dB)（1.3）P11(P10lg00EXT當P00=0.1P11時，EXT=10dB。實驗平臺中，可以選擇系統(tǒng)自身產生的2M偽隨機序列來測試消光比。不過出于演示的目的，系統(tǒng)中PN序列的長度只有24-1，即15位。三、實驗步驟1、跳線XP401應將1、2兩腳連接，這樣選擇傳輸的是系統(tǒng)內部產生的2M偽隨機序列。如果將2、3入（2N-1）偽隨碼，N的選擇與平均發(fā)送光功率測試相同。因為偽隨機碼的“0”碼和“1”碼等概率，所以，全“1”碼時的光功率應是偽隨機碼時平均光功率P的兩倍，即P11=2P，則消光比為：（1.2）2PPEXT00測試結果可按上式計算。某些資料中，消光比還使用以下的一種表示公式：dB)（1.3）P11(P10lg00EXT當P00=0.1P11時，EXT=10dB。實驗平臺中，可以選擇系統(tǒng)自身產生的2M偽隨機序列來測試消光比。不過出于演示的目的，系統(tǒng)中PN序列的長度只有24-1，即15位。三、實驗步驟1、跳線XP401應將1、2兩腳連接，這樣選擇傳輸的是系統(tǒng)內部產生的2M偽隨機序列。如果將2、3兩腳連接，則傳輸的將是外部輸入的2M數據。2、選擇光發(fā)模塊甲。開關KS501選擇傳輸數字信號，TP501測試點連接到低電平即接地，使得光發(fā)送模塊沒有信號輸入。此時將光功率計與光發(fā)模塊甲之間通過光纖跳線連接起來，測試得到的光功率即為P。003、選擇光發(fā)模塊甲。XP500的1、2腳相連，開關KS501選擇傳輸數字信號，實驗平臺加電后，按復位鍵，即可以從鍵盤輸入PN，以控制系統(tǒng)產生2M的信號。此時，將光功率計與光發(fā)模塊甲之間通過光纖跳線連接起來，測試得到的光功率即為P的一半。114、按照式（1.2）計算消光比。實驗六模式濾除實驗一、實驗目的1、理解模式的概念2、理解擾模的作用3、掌握模式濾除的方法二、實驗內容擾模器：用來促使各模式間的能量轉換，以形成與光源特性無關的模分布。常用的類型有機械柱狀擾模器和SGS(階躍-梯度-階躍)光纖型擾模器(見圖2.10(a)(b))。濾模器：用來選擇或消除某些模式的器件，以保證達到接近平衡模分布。包層模剝除器：促使包層模轉變?yōu)檩椛淠＃员阆饫w中的包層模。對高折射率涂覆材料的光纖，不需要用包層模剝除器；對低折射率涂層的光纖，用折射率大于包層的匹配液即可。對單模光纖，因只傳播基模，不存在穩(wěn)態(tài)模分布的問題，不需要擾模器。但注入條件要足以激勵起基模，使用濾模器，濾除接近傳輸條件的高次模，防止高次模在剪斷2m后的傳輸。對低折射率涂層材料光纖，還要注意剝除包層模。由于單模光纖的衰減系數很小，特別是在1550nm處，一般為0.20~0.30dB/km，所以對測試系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求比多模光纖要求高。以上的分析可知，由激光器尤其多模激光器光源發(fā)出的光在多模光纖中傳輸模式的穩(wěn)定和高次模的波除是非常重要的，這里介紹一種簡單易行的方法來濾除高次模，使模式穩(wěn)定。三、實驗步驟1、碼型發(fā)生器自A點（對應實驗平臺測試點TP501）給光發(fā)送機送方波信號作為測試信號。大家可以借助鍵盤和液晶來選擇方波信號（實驗平臺加電后，先按復位鍵復位系統(tǒng)，屏幕出現(xiàn)“請選擇”提示后，按鍵選擇“方波”），此時，TP501點應能測試到方波信號。參考附錄B中光發(fā)模塊甲的原理框圖可知，為了把數字信號發(fā)往線路，需將XP500的1、2腳相連，還需通過雙刀雙擲開關KS501選通模擬光源驅動電路和數字光源驅動電路。本實驗中選擇數字光源驅動電路（按鍵KS501抬起即可）。2、從發(fā)送端（甲）連接器S中取出保護塑料套，用光纖跳線分別插入發(fā)送端連接器S與光功率計的輸入連接器插頭，連接光發(fā)送端的光輸出與光功率計，此時從光功率計讀出的功率就是光端機的平均發(fā)送光功率P。（參見平均光功率的測試）。3、取出一支鉛筆，將光纖沿著鉛筆繞6～8圈，觀察光功率計上讀數的變化。剛一開始可以繞得松一點，然后逐漸加力，使得光纖越來越緊貼鉛筆，看功率值是否變小。（注意對單模光纖，因只傳播基模，不存在穩(wěn)態(tài)模分布的問題，不需要擾模器。但注入條件要足以激勵起基模，使用濾模器，濾除接近傳輸條件的高次模，防止高次模在剪斷2m后的傳輸。對低折射率涂層材料光纖，還要注意剝除包層模。由于單模光纖的衰減系數很小，特別是在1550nm處，一般為0.20~0.30dB/km，所以對測試系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求比多模光纖要求高。以上的分析可知，由激光器尤其多模激光器光源發(fā)出的光在多模光纖中傳輸模式的穩(wěn)定和高次模的波除是非常重要的，這里介紹一種簡單易行的方法來濾除高次模，使模式穩(wěn)定。三、實驗步驟1、碼型發(fā)生器自A點（對應實驗平臺測試點TP501）給光發(fā)送機送方波信號作為測試信號。大家可以借助鍵盤和液晶來選擇方波信號（實驗平臺加電后，先按復位鍵復位系統(tǒng)，屏幕出現(xiàn)“請選擇”提示后，按鍵選擇“方波”），此時，TP501點應能測試到方波信號。參考附錄B中光發(fā)模塊甲的原理框圖可知，為了把數字信號發(fā)往線路，需將XP500的1、2腳相連，還需通過雙刀雙擲開關KS501選通模擬光源驅動電路和數字光源驅動電路。本實驗中選擇數字光源驅動電路（按鍵KS501抬起即可）。2、從發(fā)送端（甲）連接器S中取出保護塑料套，用光纖跳線分別插入發(fā)送端連接器S與光功率計的輸入連接器插頭，連接光發(fā)送端的光輸出與光功率計，此時從光功率計讀出的功率就是光端機的平均發(fā)送光功率P。（參見平均光功率的測試）。3、取出一支鉛筆，將光纖沿著鉛筆繞6～8圈，觀察光功率計上讀數的變化。剛一開始可以繞得松一點，然后逐漸加力，使得光纖越來越緊貼鉛筆，看功率值是否變小。（注意動作應輕以免扭斷光纖）。最后光功率基本穩(wěn)定且比繞之前要小約3～6dB（只要變小就行，此值僅供參考）。3.2OTDR測試背向散射法是通過光纖中后向散射光信號來提取光纖衰減及其它信息，諸如光纖光纜的光學連續(xù)性、物理缺陷、接頭損耗和光纖長度等。是一種間接地測量均勻樣品衰減的方法。背向散射法測量原理如下：將光功率為P0、脈沖寬度為T0的窄光脈沖注入光纖，由于衰減，在傳輸距離Z之后，光功率為P(Z)PZP10Z/100(2.3)式中α是衰減系數。由于瑞利散射的作用，在Z處的光功率總有一部分背向散射回光纖輸入端。Z處的背向散射光功率為圖圖2.106.10擾模器擾碼器示示意意圖圖（a）柱狀擾模器（b）SGS光纖擾模器光纖SGSPZPZZ10Z/10P0Z102Z/10bs(2.4)式中γ(Z)是在Z處光纖的瑞利背向散射系數，定義γ(Z)為：ZVgTo/2SR(2.5)αR是瑞利散射系數，Vg是光在光纖中的群速度，S代表背向散射功率與瑞利散射總功率之比。它與光纖結構參數(芯徑、相對折射率差)有關，設Z=0處的背向散射光功率為P0P00bs(2.6)由式(2.6)和式(2.4)可得到0~Z間的平均衰減系數為logP0bsPlogZ0ZZ5bs(2.7)如果光纖軸向不均勻，γ不是常數，則上式表示的衰減系數包含了一項與結構參數有關的待定項，這樣，直接從背向散射曲線上求得的α并不能代表實際的衰減系數，這也就是該方法的缺點所在。假定光纖結構參數沿軸向均勻時，γ(0)=γ(Z)，0~Z間的平均衰減系數為5logP0bsPZZbs(2.8)這時就可以從背向散射曲線求得實際的平均衰減系數。圖2.11是一典型的背向散射法測試系統(tǒng)框圖。各部分的作用和要求不再介紹。利用背向散射原理做的儀表稱光時域反射計，簡稱OTDR。圖PZPZZ10Z/10P0Z102Z/10bs(2.4)式中γ(Z)是在Z處光纖的瑞利背向散射系數，定義γ(Z)為：ZVgTo/2SR(2.5)αR是瑞利散射系數，Vg是光在光纖中的群速度，S代表背向散射功率與瑞利散射總功率之比。它與光纖結構參數(芯徑、相對折射率差)有關，設Z=0處的背向散射光功率為P0P00bs(2.6)由式(2.6)和式(2.4)可得到0~Z間的平均衰減系數為logP0bsPlogZ0ZZ5bs(2.7)如果光纖軸向不均勻，γ不是常數，則上式表示的衰減系數包含了一項與結構參數有關的待定項，這樣，直接從背向散射曲線上求得的α并不能代表實際的衰減系數，這也就是該方法的缺點所在。假定光纖結構參數沿軸向均勻時，γ(0)=γ(Z)，0~Z間的平均衰減系數為5logP0bsPZZbs(2.8)這時就可以從背向散射曲線求得實際的平均衰減系數。圖2.11是一典型的背向散射法測試系統(tǒng)框圖。各部分的作用和要求不再介紹。利用背向散射原理做的儀表稱光時域反射計，簡稱OTDR。圖2.12示出了在對數座標上的一典型OTDR曲線。曲線上A到B間的衰減是12VVBABAA(2.9)VA、VB是以對數刻度的背向散射功率電平。平均衰減系數為2LVVLABABA(2.10)圖6.12典型的OTDR曲線長度dBVAVBAB12345圖圖6.11背向散射法測試系統(tǒng)2.11光源光學系統(tǒng)耦合器件光學系統(tǒng)被測光纖光學系統(tǒng)光檢測器放大器信號處理器示波器數據獲取系統(tǒng)L是待測光纖的長度。若光纖軸向不均勻時，取從兩端測量的平均值作為平均衰減系數，從而消除了式(2.7)中的待定項。另外，從曲線上還可以分析很多現(xiàn)象，圖2.12大家可以參見相關書籍。背向散射法雖屬替代方法，可是它被廣泛地用在光纖光纜研制、生產和光通信工程的施工維護中。實驗七插入法光纖損耗測試一、實驗目的1、理解光纖的損耗2、光纖損耗的常用測試方法3、插入法測試實驗二、實驗內容插入法原理上類似于截斷法，只不過用帶活接頭的連接軟線代替短纖進行參考測量，計算在預先相互連接的注入系統(tǒng)和接收系統(tǒng)之間(參考條件)由于插入被測光纖引起的功率損耗。顯然，功率P1、P2的測量沒有截斷法直接，而且由于連接的損耗會給測量帶來誤差，精度比截斷法差一些。所以該方法不適用于光纖光纜制造長度衰減的測量。但由于它具有非破壞性不需剪斷和操作簡便的優(yōu)點，用該方法做成的便攜式儀表，非常適用于中繼段長總衰減的測量。圖2.13示出了兩種參考條件下的測試原理框圖。圖2.13(a)情況下，首先將注入系統(tǒng)的光纖與接收系統(tǒng)的光纖相連，測出功率P1然后將圖圖6.132.13典型典型的插入損耗法測試插入損耗法測試裝置裝置光源調制器注入系統(tǒng)12MF濾模器包層模剝除器MF濾模器包層模剝除器檢測器測量系統(tǒng)12參考條件（a）（b）光源調制器注入系統(tǒng)檢測器L是待測光纖的長度。若光纖軸向不均勻時，取從兩端測量的平均值作為平均衰減系數，從而消除了式(2.7)中的待定項。另外，從曲線上還可以分析很多現(xiàn)象，圖2.12大家可以參見相關書籍。背向散射法雖屬替代方法，可是它被廣泛地用在光纖光纜研制、生產和光通信工程的施工維護中。實驗七插入法光纖損耗測試一、實驗目的1、理解光纖的損耗2、光纖損耗的常用測試方法3、插入法測試實驗二、實驗內容插入法原理上類似于截斷法，只不過用帶活接頭的連接軟線代替短纖進行參考測量，計算在預先相互連接的注入系統(tǒng)和接收系統(tǒng)之間(參考條件)由于插入被測光纖引起的功率損耗。顯然，功率P1、P2的測量沒有截斷法直接，而且由于連接的損耗會給測量帶來誤差，精度比截斷法差一些。所以該方法不適用于光纖光纜制造長度衰減的測量。但由于它具有非破壞性不需剪斷和操作簡便的優(yōu)點，用該方法做成的便攜式儀表，非常適用于中繼段長總衰減的測量。圖2.13示出了兩種參考條件下的測試原理框圖。圖2.13(a)情況下，首先將注入系統(tǒng)的光纖與接收系統(tǒng)的光纖相連，測出功率P1然后將圖圖6.132.13典型典型的插入損耗法測試插入損耗法測試裝置裝置光源調制器注入系統(tǒng)12MF濾模器包層模剝除器MF濾模器包層模剝除器檢測器測量系統(tǒng)12參考條件（a）（b）光源調制器注入系統(tǒng)檢測器測量系統(tǒng)參考系統(tǒng)MF待測光纖連到注入系統(tǒng)和接收系統(tǒng)之間，測出功率P2，則被測光纖段的總衰減A可由下式給出10logP/PC2121CCAr(dB)(2.11)式中Cr、C1、C2分別是在參考條件、試驗條件下光纖輸入端、輸出端連接器的標稱平均損耗值(dB)。圖2.13(b)情況下，首先將參考系統(tǒng)連在注入系統(tǒng)和接收系統(tǒng)之間，測出功率P1；然后，同圖(a)一樣，測出功率P2，則被測光纖段的總衰減由下式給出10logP/P21A(dB)(2.12)情形(a)中，由于連接器的質量可能會影響測試精度；情形(b)中，采用了光學系統(tǒng)進行精密待測光纖連到注入系統(tǒng)和接收系統(tǒng)之間，測出功率P2，則被測光纖段的總衰減A可由下式給出10logP/PC2121CCAr(dB)(2.11)式中Cr、C1、C2分別是在參考條件、試驗條件下光纖輸入端、輸出端連接器的標稱平均損耗值(dB)。圖2.13(b)情況下，首先將參考系統(tǒng)連在注入系統(tǒng)和接收系統(tǒng)之間，測出功率P1；然后，同圖(a)一樣，測出功率P2，則被測光纖段的總衰減由下式給出10logP/P21A(dB)(2.12)情形(a)中，由于連接器的質量可能會影響測試精度；情形(b)中，采用了光學系統(tǒng)進行精密耦合，代替了連接器的耦合，可以得到精確的測量結果，當只需要知道光纖的實際衰減時，它比較合適。當被測光纖段帶有半個連接器而且需要和其它元件串在一起時，情形(a)的測試結果更有意義。三、實驗步驟實驗平臺中我們可以采用插入法測量光纖的損耗，實驗框圖如2.14所示：圖圖6.14插入損耗測試框圖2.14數字光發(fā)數字光收TP501信號輸入SR光纖跳線（a）（b）擾模器待測光纖實驗八光纖長度、帶寬測試一、實驗內容1、了解光纖帶寬的測試方法2、掌握本實驗平臺中采用的是較為簡單的脈沖展寬法。二、實驗步驟●帶寬測試：1、按圖2.15連接好多模光纖帶寬測試系統(tǒng)，從光發(fā)模塊乙外輸入窄脈沖信號，開關KS501選通數字光源驅動電路，光接收窄脈沖源從TP509輸入，測出注入窄脈沖的寬度Δτ1。2、窄脈沖送至數字光發(fā)送機，實驗平臺加電后，測出經待測光纖后的脈沖寬度Δτ2（光收模塊乙中選擇MAX435作為主放大器，然后按照下面的公式求出帶寬。21220.441B（GHz）（2.13）注：此實驗若不具備窄脈沖源及取樣示波器，則不能開設?！耖L度測試：：1、如圖2.14(a)所示，選擇光發(fā)模塊甲，通過按鍵KS501選擇數字光源驅動電路。實驗平臺加電并復位系統(tǒng)后（復位用來使系統(tǒng)從最初狀態(tài)開始運行，復位鍵按下后，液晶屏上將出現(xiàn)提示：“歡迎你”，“請選擇”等字樣，之后便可輸入操作者的選擇），從鍵盤輸入方波，此時用光功率計測試S點（即光發(fā)送機的ST連接頭）的輸出功率實驗八光纖長度、帶寬測試一、實驗內容1、了解光纖帶寬的測試方法2、掌握本實驗平臺中采用的是較為簡單的脈沖展寬法。二、實驗步驟●帶寬測試：1、按圖2.15連接好多模光纖帶寬測試系統(tǒng)，從光發(fā)模塊乙外輸入窄脈沖信號，開關KS501選通數字光源驅動電路，光接收窄脈沖源從TP509輸入，測出注入窄脈沖的寬度Δτ1。2、窄脈沖送至數字光發(fā)送機，實驗平臺加電后，測出經待測光纖后的脈沖寬度Δτ2（光收模塊乙中選擇MAX435作為主放大器，然后按照下面的公式求出帶寬。21220.441B（GHz）（2.13）注：此實驗若不具備窄脈沖源及取樣示波器，則不能開設?！耖L度測試：：1、如圖2.14(a)所示，選擇光發(fā)模塊甲，通過按鍵KS501選擇數字光源驅動電路。實驗平臺加電并復位系統(tǒng)后（復位用來使系統(tǒng)從最初狀態(tài)開始運行，復位鍵按下后，液晶屏上將出現(xiàn)提示：“歡迎你”，“請選擇”等字樣，之后便可輸入操作者的選擇），從鍵盤輸入方波，此時用光功率計測試S點（即光發(fā)送機的ST連接頭）的輸出功率P1，此值定為光纖的入射功率。2、按圖2.14(b)連接好待測光纖，將S點輸出的光信號輸入擾模器，經過待測光纖后，測出光功率P2，光纖的總損耗A=P2?P1（dBm），然后就可粗略的估算出每公里光纖的損耗值。注：此實驗的開設必須具備擾模器和2公里以上的光纖（需另外配臵）。取樣示波器圖圖6.15多模光纖時域法帶寬測試框圖2.15數字光發(fā)數字光收TP509SR擾模器光纖TP5014窄脈沖源實驗九光纖無源器件特性測試一、實驗內容對于光無源器件而言，插入損耗和分光比是兩個比較常用的性能參數，因為它們都與光功率有關，因而采用如圖2.16所示的實驗框圖即能對光纖活動連接器、耦合器等的性能參數做一些簡單的測試。二、實驗步驟1、碼型發(fā)生器自A點（對應實驗平臺測試點TP501）給光發(fā)送機送方波信號作為測試信號。大家可以借助鍵盤和液晶來選擇方波信號（實驗平臺加電后，先按復位鍵復位系統(tǒng)，然后按鍵選擇方波），此時，TP501點應能測試到方波信號。參考附錄B中光發(fā)模塊甲的原理框圖可知，為了把數字信號發(fā)往線路，除了將XP5001-2腳相連，還需要通過雙刀雙擲開關KS501選通模擬光源驅動電路和數字光源驅動電路。本實驗中選擇數字光源驅動電路。2、從發(fā)送端（甲）連接器S中取出保護塑料套，用光纖跳線分別插入發(fā)送端連接器S與光功率計的輸入連接器插頭，連接光發(fā)送端的光輸出與光功率計，此時從光功率計讀出的功率就是光端機的平均發(fā)送光功率P。3、從S、R活動連接器處取下光纖跳線，將待測的光無源器件（如光纖耦合器）連接到S和R點之間。由于器件的輸入輸出端口不止一個，因而應分別進行測試。下面以圖6.17所示端口的測試為例進行介紹，其余端口的測試不在重復。4、光功率，即可計算出端口1-3的插入損耗；將R點的連接器取出分別與端口4、2相連實驗九光纖無源器件特性測試一、實驗內容對于光無源器件而言，插入損耗和分光比是兩個比較常用的性能參數，因為它們都與光功率有關，因而采用如圖2.16所示的實驗框圖即能對光纖活動連接器、耦合器等的性能參數做一些簡單的測試。二、實驗步驟1、碼型發(fā)生器自A點（對應實驗平臺測試點TP501）給光發(fā)送機送方波信號作為測試信號。大家可以借助鍵盤和液晶來選擇方波信號（實驗平臺加電后，先按復位鍵復位系統(tǒng)，然后按鍵選擇方波），此時，TP501點應能測試到方波信號。參考附錄B中光發(fā)模塊甲的原理框圖可知，為了把數字信號發(fā)往線路，除了將XP5001-2腳相連，還需要通過雙刀雙擲開關KS501選通模擬光源驅動電路和數字光源驅動電路。本實驗中選擇數字光源驅動電路。2、從發(fā)送端（甲）連接器S中取出保護塑料套，用光纖跳線分別插入發(fā)送端連接器S與光功率計的輸入連接器插頭，連接光發(fā)送端的光輸出與光功率計，此時從光功率計讀出的功率就是光端機的平均發(fā)送光功率P。3、從S、R活動連接器處取下光纖跳線，將待測的光無源器件（如光纖耦合器）連接到S和R點之間。由于器件的輸入輸出端口不止一個，因而應分別進行測試。下面以圖6.17所示端口的測試為例進行介紹，其余端口的測試不在重復。4、光功率，即可計算出端口1-3的插入損耗；將R點的連接器取出分別與端口4、2相連測出對應的光功率，即可算出3-4之間的分光比、1-2之間的隔離度等參數。圖圖6.16光纖無源器件特性測試框圖2.16TP501數字光發(fā)光功率計方波信號輸入SR待測器件圖6.172.17光纖耦合器的特性測試框圖TP501數字光發(fā)光功率計方波信號輸入SR2x24123三光接收機實驗光接收機的實驗測試內容相對較多，對于模擬光接收機有信噪比、信號的二階或三階交調和互調測試、信號的失真度測試等，這些相對專業(yè)且需要的儀器設備較貴，這里不作介紹;對于數字光接收機主要有靈敏度、動態(tài)范圍、誤碼的測試和眼圖測量，本章對它們作一介紹。實驗十光接收機靈敏度測試一、實驗目的1、理解光接收機靈敏度的概念2、掌握光接收機靈敏度的測試方法二、實驗內容計算用dBm表示的靈敏度PR。例如，測得Pmin=9.3nW，則10lgmin1mWPPR50.3dBm。10310lg11099.3在靈敏度測試時，一定要注意測試時間的長短。誤碼率是一個統(tǒng)計平均的參數，為了確定測試時間，我們將之寫成為：（3.1）ftmPbe式中m三光接收機實驗光接收機的實驗測試內容相對較多，對于模擬光接收機有信噪比、信號的二階或三階交調和互調測試、信號的失真度測試等，這些相對專業(yè)且需要的儀器設備較貴，這里不作介紹;對于數字光接收機主要有靈敏度、動態(tài)范圍、誤碼的測試和眼圖測量，本章對它們作一介紹。實驗十光接收機靈敏度測試一、實驗目的1、理解光接收機靈敏度的概念2、掌握光接收機靈敏度的測試方法二、實驗內容計算用dBm表示的靈敏度PR。例如，測得Pmin=9.3nW，則10lgmin1mWPPR50.3dBm。10310lg11099.3在靈敏度測試時，一定要注意測試時間的長短。誤碼率是一個統(tǒng)計平均的參數，為了確定測試時間，我們將之寫成為：（3.1）ftmPbe式中m是誤碼個數，fb是系統(tǒng)碼速，t是測試時間。由上式可知，在碼速確定的情況下，只要在某一定的測試時間內所記錄的誤碼個數少于某一數值，就可以表示出要求的誤碼率。其最小測試時間應是能檢測到誤碼個數為1（無誤碼的情況除外）的時間，即(3.1)式中m=1時所得到的測試時間，它可以表示為：eb(7.2)fPt1由上式可見，最小測試時間與碼速和誤碼率有關。各類系統(tǒng)誤碼率不同時，光接收機靈敏度測試的最小時間t如表3