试验指导书-延边大学电子通信试验教学中心

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1、光纤通信实验指引书编写人：王慧敏审核人：朱东弼延边大学工学院电子信息通信学科目 录一、基本实验部分实验一 模拟信号光纤传播实验 1实验二 数字信号光纤传播实验 3二、选做实验部分实验三 电话光纤传播系统实验 5实验四 图像光纤传播系统实验 7实验五 数字光纤通信系统接口码型变换实验9实验六 数字光纤通信系统线路编译码实验 11三、创新实验部分实验七 计算机数据光纤传播系统实验 14实验八 数字光纤通信系统综合实验 16实验一 模拟信号光纤传播实验一、实验目的1. 理解模拟信号光纤系统的通信原理2. 理解完整的模拟信号光纤通信系统的基本构造二、实验仪器及材料1.光纤通信原理实验箱 一台2. 示波

2、器 一台三、 预习规定 预习模拟光纤通信系统工作原理四、实验内容实验原理根据系统传播信号不同，光纤通信系统可分为模拟光纤通信系统和数字光纤通信系统。由于发光二极管和半导体激光器的输出光功率（对激光器来说，是指阈值电流以上线性部分）基本上与注入电流成正比，并且电流的变化转换为光频调制也呈线性，因此可以直接调制对于半导体激光器和发光二极管来说具有简朴、经济和容易实现等长处。进行发光二极管及半导体激光器调制时采用的就是直接调制。IP图1-1 发光二极管模拟调制原理图从调制信号的形式来看，光调制可分为模拟信号调制和数字信号调制。模拟信号调制直接用持续的模拟信号（如话音、模拟图像信号等）对光源进行调制。

3、图1-1就是对发光二极管进行模拟调制的原理图。持续的模拟信号电流叠加在直流偏置电流上，合适地选择直流偏置电流的大小，可以减小光信号的非线性失真。电路实现上，LED的模拟信号调制较为简朴，运用其P-I的线性关系，可以直接运用电流放大电路进行调制，一般来说，半导体激光器很少用于模拟信号的直接调制，半导体激光器模拟调制规定光源线性度很高。并且规定提高光接受机的信噪比比较高。与发光二极管相比，半导体激光器的V-I线性区较小，直接进行模拟调制难度加大。测试端口图1-2 模拟信号光纤传播系统框图模拟信号源信号解决单元光发送器件光接受器件信号解决单元光纤本实验通过完毕多种不同模拟信号的LED光纤传播（如正弦

4、波，三角波，外输入音乐信号），理解模拟信号的调制过程及调制系统构成。模拟信号光纤通信系统构成如图1-2所示。在LD模拟信号调制实验中，采用预失真补偿电路对模拟信号波形进行失真补偿，观测补偿后的传播效果与补偿前的效果。实验内容1. 多种模拟信号LED模拟调制：三角波，正弦波，语音信号（外输入语音信号）2. 多种模拟信号LD模拟调制：三角波，正弦波，语音信号（外输入语音信号）五、实验报告1. 记录并画出各模拟信号的波形，对模拟信号光传播前后的波形进行比较。2. 简述模拟信号光纤传播过程。3. 比较LD与LED模拟信号调制的效果。六、思考题分析和比较LD模拟信号调制与LED模拟信号调制的异同点，并指

5、出其优缺陷。实验二 数字信号光纤传播实验一、实验目的1. 理解数字信号光纤传播系统的通信原理2. 掌握完整数字光纤通信系统的基本构造二、实验仪器及材料1. 光纤通信原理实验箱 一台2. 示波器 一台三、预习规定预习数字信号光纤传播系统的工作原理。四、实验内容实验原理数字信号的光源驱动电路与模拟驱动电路原理有一定区别。半导体激光器是运用其在有源区中受激发射的器件，只有在工作电流超过阈值电流的状况下，才会输出激光（相干光），因而是有阈值的器件。图2-1为LD的P-I特性曲线及调制波形，图中的Ith为LD的阈值电流。由图可见调制LD光源器件发光必须是直流偏置电流Ib和信号电流（即调制电流Im）的共同

6、作用。IthIbImIP图2-1 LD的P-I特性曲线与调制波形本实验运用光纤对多种数字信号进行传播，以理解和熟悉光纤传播数字信号系统的构成。用双踪示波器观测光发模块与光接受模块各点的波形，并进行比较。图2-3 半导体激光器数字驱动电路数字信号光纤传播系统构成框图如图2-2所示，对原始数字信号产生模块的信号进行多种不同方式的编码和译码，然后通过光纤传播，在测试端口观测输出端的信号波形，并且比较发光二极管的数字驱动与半导体激光器数字驱动效果的异同。测试端口图2-2 数字信号光纤传播系统构成框图原始信号信号解决单元光发端机光收端机信号解决单元编码译码光纤实验内容1. 观测多种数字信号在LD（131

7、0nm）光纤传播系统中的波形2. 观测多种数字信号在LED（850nm）光纤传播系统中的波形（可选）五、实验报告1. 记录并画出LD（1310nm）数字信号调制过程中各测试点波形。2. 记录并画出LED（850nm）数字信号调制过程中各测试点波形。六、思考题1. 画出光纤传播数字信号实验框图，并简述数字信号光纤传播过程。2. 比较LD数字光纤传播系统与LED数字光纤传播系统传播信号的效果，并分别分析优缺陷。实验三 电话光纤传播系统实验一、实验目的1. 理解电话及语音信号通过光纤传播的全过程2. 掌握模拟电话、数字电话光纤传播的工作原理二、实验仪器及材料1. 光纤通信原理实验箱 一台2. 示波器

8、 一台三、预习规定 预习电话光纤传播系统的工作过程四、实验内容实验原理 对于局间通信来说，电话语音通信具有举足轻重的作用。以电话通信网络为载体，多种模拟（或数字）信号的传播系统已经商用化。如电话、传真、拨号网络通信等业务都是在局间电话网上实现的。电话语音信号的光纤传播分为两种方式，一种方式为模拟电话光纤传播，即电话顾客接口输出的模拟信号直接送入光纤模拟信号传播信道，从而实现两部电话的通话（由于模拟信号无法直接进行时分复用，因此模拟电话光纤传播只能传播一路电话语音信号，另一路电话语音信号直接用连接导线替代光纤），实验方框图如图3-1所示。电话顾客接口电话电话电话顾客接口光发送光接受光纤图3-1

9、电话模拟光纤传播另一种方式为数字电话光纤传播，即电话顾客接口输出的模拟信号通过PCM编码后来，运用时分复用的方式，将两路信号数字调制成一路信号，然后送入光发端机中进行光纤传播，光收端机接受的信号通过时分解复用，实现信号的分离，分别送入两个电话顾客接口电路中，实现两部电话的全双工通话，其方框图如图3-2所示。电话顾客接口电话电话电话顾客接口光发送光接受光纤PCM编译码图3-2 电话数字光纤传播时隙3时隙2时隙1时隙0一帧图3-3 PCM编码帧构造示意图在PCM编译码中，帧同步信号为8KHz，一帧信号分为四个时隙，分别为时隙0、时隙1、时隙2和时隙3；时隙0为帧同步信号，其同步码为固定的码流“0

10、1 1 1 0 0 1 0”，时隙1和时隙2分别为两路电话语音调制数据，时隙3为空时隙，在本实验中没有用到（用低电平表达），图3-3为PCM编码一帧的构造示意图。实验内容1. 模拟电话光纤传播系统实验2. 数字电话光纤传播系统实验五、实验报告1. 记录实验过程中各点的波形。2. 评估模拟电话通话和数字电话通话的质量。3. 评估850nm电话光纤传播系统和1310nm电话光纤传播系统的性能。六、思考题1. 能否用一根光纤传播两路模拟信号，如果可以，如何实现？如果不行，阐明理由。2. 与模拟电话相比，数字电话有哪些长处?3. 画出PCM编码输出一帧的构造示意图，用示波器观测各帧的波形，阐明一帧信息

11、中各时隙代表的意义。实验四 图像光纤传播系统实验一、实验目的1. 学习模拟视频信号光纤传播系统构成2. 熟悉图象信号在光纤系统中的传播过程二、实验仪器及材料1. 光纤通信原理实验箱 一台2. 示波器 一台三、预习规定预习模拟视频信号光纤传播系统构成及传播过程四、实验内容实验原理视频信号的传播量日益增长，特别是有线电视（CATV），需要将几十路电视信号送到千家万户。视频信号的光纤传播也是人们非常关注的课题。小摄像头光纤光发送光接受小电视机（监视器）图4-1 图象光纤传播系统本实验重要采用模拟信号直接调制的措施进行视频信号的光纤传播。系统重要由小摄像头（电视信号发生器）、小型电视机（视频监视器）和

12、模拟光纤通信系统构成。通过观测视频信号的光纤传播，测试光纤传播模拟信号的性能。该实验实质上也就是光纤传播模拟信号。实验框图如图4-1所示。小摄像头产生视频信号（模拟信号），通过模拟调制送入光发端机，经光纤传播后，由光收端机监测到视频信号并输出到电视机接受端，观测光纤传播视频信号的效果以及特点，以理解光纤传播电视信号的特点。在实验过程中图象效果越好也就阐明光纤传播模拟信号的性能就越好，性能越稳定。在进行光纤传播视频信号之前，先调节正弦波模拟传播，使得Vp-p2V的正弦波正常传播，此时视频信号传播效果最佳。实验时可以比较半导体激光器和发光二极管光纤通信系统传播视频信号的效果。实验内容1. 模拟视频

13、信号进行LED调制光纤传播2. 模拟视频信号进行LD调制光纤传播五、实验报告1. 观测图像信号经光纤传播后的效果，评估光纤传播图像信号的性能。2. 比较LED与LD视频传播效果。六、思考题1. 能否采用视频信号数字光纤传播？若能，则还应当具有哪些实验器材？2. 试设计一种措施，运用本实验箱进行电视图像信号和语音信号的光纤传播。实验五 数字光纤通信系统接口码型变换实验一、实验目的1. 理解接口码型在光纤传播中的作用2. 理解HDB3码编译电路实现原理3. 掌握HDB3码的编译码规则及编译码过程二、实验仪器及材料1. 光纤通信原理实验箱 一台2. 示波器 一台三、预习规定预习光纤通信系统的传播码型

14、四、实验内容实验原理接口码型变换电路涉及输入接口码型变换和输出接口码型变换两部分内容。这种变换电路完全是为了适应数字传播的需要而设立的，接口码型从国内所采用的数字通信原则制式来看有两种，即HDB3码型和CMI码型，这两种接口码型也就是数字通信的线路传播码型，但是HDB3码不能用作光纤数字通信的线路码型，因此在光发机模块必须要有接口码型变换电路。HDB3码是三阶高密度双极性码（High Density Bipolar Codes）的简称。所谓三阶，即最大容许连“0”数为3个。这种码型为PCM一次群、二次群和三次群的电线路传播码型。在数字光纤通信系统中，HDB3码就是相应的PCM设备与数字光纤通信

15、设备之间的接口码型。输入接口码型变换电路就是将HDB3码变换为PCM码，此PCM码通过光纤传播后再经输出接口码型变换电路进行码反变换，得到HDB3码。实验系统方框图如5-1。数字基带信号HDB3编码HDB3译码传播信道图5-1 HDB3编译码实验框图1、HDB3码有如下特点： a) HDB3码的功率谱中无直流分量，高下频成分少，定期信息丰富，有助于定期提取。b) HDB3码是伪三进制码，它的状态用B+，B-，和0表达。c) HDB3码的最大连0数等于3 d) HDB3码中任意两个相邻“V”脉冲（破坏点）之间的传号“B”脉冲数目（不涉及“V”脉冲自身）为奇数。e) HDB3码可以运用其破坏点规则

16、检测线路传播中产生的误码。2、HDB3码编码HDB3码的编码规则：二进制中的传号，在HDB3码中编成交替反转码。当二进制信号为全“1”码时，HDB3码与一般的AMI码相似。二进制中的空号，在HDB3码中仍编为空号，但在二进制中浮现四空号串，则用如下四连“0”取代节替代，其取代节形式如下：000V或B00V。其中，V为双极性码中极性交替变化法则的破坏点，B为双极性码中极性交替变化法则中的非破坏点，0为双极性码中的0码。 同一种取代节中的 “B”， “V”脉冲在HDB3码中的极性相似。HDB3码中相邻字节中的“V”脉冲符合交替反转法则。用取代节中的“B”脉冲来保证HDB3码中任意两个相邻取代节的“

17、V”脉冲之间的脉冲数目为奇数。即从二进制信号进行HDB3码编码的过程中，遇到一种四空号串，准备用取代节替代时，要视相邻前一种取代节中的“V”脉冲至准备替代四空号串的取代节中的“V”脉冲之间已有的脉冲数目，如果为奇数，用000V取代节，若为偶数，则用B00V取代节。实验内容1. 学习理解HDB3编码规则2. 观测接口码型的编译码过程五、实验报告1.记录实验中各点的波形。2.分析各点的波形，比较实验所观测到的波形与理论波形与否一致，如果不一致分析其因素。3.简要论述HDB3码的编码规则。六、思考题1. 为什么HDB3码不能在数字光纤传播系统中传播？2. 接口码型变换电路在光纤传播系统中处在什么位置

18、，有何作用？实验六 数字光纤通信系统线路编译码实验一、实验目的1. 理解线路码型在光纤传播系统中的作用2. 掌握线路码型的编译码过程以及电路实现原理二、实验仪器及材料1. 光纤通信原理实验箱 一台2. 示波器 一台三、预习规定预习线路码型的编译码过程四、实验内容实验原理接口码型HDB3码虽然有诸多长处，如功率谱中无直流分量，高下频成分少，定期信息丰富，有助于定期提取等，但它不能在光纤中传播，当通过接口码型变换电路将其变换为PCM码后，虽然能在数字光纤通信系统中传播，但在实际的数字光纤通信系统中并不采用这种码型。本实验论述了适合数字光纤通信系统所采用的三种线路码型：伪双极性码；mBnB码；附加奇

19、偶位码。还阐明了线路码相对于接口码型的长处，并将一基带信号NRZ码变换为有助于数字光纤通信系统传播的线路码型：伪双极性码、mBnB码。由于CMI码有诸多长处，它既为国内数字通信原则制式所规定的两种接口码型之一，又是数字光纤通信系统中所采用的线路码型，它既属于伪双极性码又属于mBnB码（1B2B码）。因此，本实验中的线路码型就采用CMI码。 CMI码为信号反转码（Code Mark Inversion），是一种二电平不归零码，是PCM四次群的线路传播码型，也就是四次群数字光纤通信设备与四次群PCM设备之间的接口码型。1. CMI码的特点 CMI码编译电路简朴，便于设计与调试。 CMI码的最大连“

20、0”和连“1”都是3个 具有误码监测能力，当其编码规则被破坏，就表达有误码产生，便于线路传播中的误码监测。 CMI码功率谱中的直流分量恒定，低频分量小，fr（变换前的码速率）频率处有限谱，频带较宽，便于定期提取。 CMI码的速率是编码前信号速率的两倍。2.CMI码的编码规则 对于二进制“0”被编码成为前后得A1和A2（A1为“0”电平，A2为“1”电平）两种幅值的电平，每种幅值占单位时间间隔的一半（T/2），即在CMI码中为“01”码。 对于二进制“1”用幅值电平A1和A2来编码。A1或A2都占满了一种单位时间间隔（T），即在CMI码流中为“00”或“11”码；对于相继的二进制“1”，这两个电

21、平互相交替。这也就是前一种二进制“1”编为A1，（即“00”）则后一种二进制“1”就编A2，反之，前一种二进制“1”编为A2，（即“11”）则后一种二进制“1”就编A1，即在CMI码流中以“00”和“11”信号互相交替。3. CMI码编码电路的方式。CMI编码电路比较简朴，CMI码的编码规则是将二值码NRZ序列中的“1”和“0”状态进行分离，然后按各自的编码规则进行编码，最后由这两种状态的编码合成输出就成为CMI码。4. CMI译码电路CMI译码不采用CMI编码逆变换，而是采用延时CMI码T/2（即半比特时间）然后相加，时钟读出的措施。5. mBnB码和伪双极性码mBnB码是将输入的m比特(B

22、it)一组码作为一种码字，按变换表，在同样长的时间间隔内，变换成n比特一组的输出码字，因此又称为字变换码。这里m，n均为正整数，且nm。伪双极性码（CMI和DMI）也是一种字变换码，也可以觉得它们是1B2B码，这种码保存了电缆数字传播中常用的双极性码（常称AMI码）的长处，如表6.2所示。用两个比特数字脉冲表达AMI码中的一种码字，“1”码时以“00”和“11”互相交替（相应于AMI码中“1”码以“”和“”电平互相交替），从而使码流中“0”和“1”均等，消除直流基线的影响，连“0”整数和连“1”整数被限制在2或3，同步也可以自检误码。但这种码型的缺陷是冗余度大，仅在基群和二次群系统中使用。表6

23、.1 AMI码和伪双极性码的变换规则AMICMIDMI+111100101在“”之后，10在“”之后0000表6.2 二电平码变为CMI和DMI码的规则电平码CMIDMI DMI模式1模式2模式1模式2001010110（连“0”模式不变）100110011图6-1 CMI编码译码实验框图数字基带信号CMI编码光发送CMI译码光接受光纤实验中线路编码将数字基带信号NRZ码变换为适合数字光纤通信系统传播的线路码型CMI码，CMI码经光纤传播后，再经线路译码变换为基带信号NRZ码。实验方框图如图6-1所示。观测各点波形以理解CMI编译码规则。实验内容1. 验证符合光纤传播系统的线路码型2. 观测线

24、路码型的编译码过程五、实验报告1. 记录实验中各点的波形。2. 分析各点的波形，比较实验所观测到的波形与理论波形与否一致，如果不一致分析其因素。六、思考题1. 为什么实际的数字光纤通信系统一般不直接采用PCM码型？2. CMI作为数字光纤通信系统的线路码型有哪些长处？实验七 计算机数据光纤传播系统实验一、实验目的1. 学习计算机数据通信基本知识2. 掌握计算机串口通信光纤传播系统构成3. 进一步理解CMI码型在光纤通信系统中的作用二、实验仪器及材料1. 光纤通信原理实验箱 一台2. 示波器 一台3. 计算机 二台4. 万用表 一台三、预习规定预习CMI编码在光纤线路码型中的作用四、实验内容实验

25、原理随着计算机技术的发展，计算机通信越来越显得重要。由于串行通信是在一根传播线上一位一位的传播信息，所用的传播线少，并且可以借助现成的电话网进行信息传送，因此特别适合远距离传送。对于那些与计算机相距不远的人机交互设备和串行存储的外部设备如打印机、逻辑分析仪和磁盘等，采用串行方式互换数据也很普遍。因此串行接口是微机应用系统常用的接口。 在并行通信中，传播线数目没有限制，一般除了数据线外尚有通信联系控制线。例如，在发送前，先问对方与否准备就绪，或正在工作即忙，接受方收到数据后，要向发送方回送数据已经收到的应答信号。但是在串行通信中，由于信息在一种方向上串行传播，只占用一根通信线，因此这根线既作数据

26、线又作联系线，也就是说要在一根传播线上既传送数据信息，又传送联系控制信息，这就是串行通信的首要特点。那么如何来辨认在一根线上串行传送的信息流中，哪一部分是数据信号，哪一部分是联系信号。为解决这个问题，就引出了串行通信的一系列商定。因此串行通信的第二个特点是它的信息格式有固定的规定，分同步和异步通信格式，与此相应，就有异步通信与同步通信两种方式。第三个特点是串行通信中对信息的逻辑定义与TTL不兼容，因此需要进行逻辑电平转换。 计算机数据光纤通信系统重要由计算机串口电路、CMI编译码电路、光发端机和光收端机构成。系统实验方框图如图7-1所示。计算机接口甲CMI编码CMI译码光发端机光收端机CMI译

27、码CMI编码计算机接口乙光收端机光发端机光纤光纤图7-1 计算机串口通信实验方框图计算机数据全双工通信，必须有两个数据通信信道，光纤通信系统中运用两套光纤通信系统进行，即在通信的每一方加载光发和光收系统，在传播信号中可以有两种方式，一种方式就是直接用两根光纤传播，另一种方式就是运用波分复用（波分复用技术实验见实验二十二）的方式进行。在这里运用两个光纤通信系统，即运用1310nm光纤通信系统和1550nm光纤通信系统构成。同步用两个光纤作为传播信号的通道。进行串口数据传播时，采用windows系统附件中的超级终端进行计算机数据光纤通信的演示。可以进行键盘数据传播，文献传播，传播速率可设定为9.6

28、KB/s或更高。调节传播波特率，并观测实际传播文献时的传播速率。实验内容1. 用光纤通信系统实现计算机串口数据通信2. 进一步加深理解CMI编码在光纤线路码型中的作用五、实验报告1. 阐明计算机数据光纤传播系统各构成部分的作用。2. 根据实验成果，阐明文献传播实际速率与设立波特率的关系。六、思考题1.阐明计算机串口通信基本原理。2. 若计算机数据光纤通信系统中没有CMI编译码部分，则会浮现什么状况？ 实验八 数字光纤通信系统综合实验一、实验目的1. 理解数字光纤通信系统的构成原理2. 掌握各个模块在整个系统中的作用二、实验仪器及材料计算机 一台三、预习规定预习数字光纤通信系统的构成及工作原理四

29、、实验内容实验原理本实验为了适应数字光纤通信的需要，让学生理解数字光纤通信系统的完整硬件构成而设计的。实际完整的数字光纤通信系统的硬件构成，涉及接口码型变换电路、线路码型变换电路、光接口变换电路。同步本实验还模拟了实际PCM通信系统与数字光纤通信系统整个过程传播码型的变换，从而让学生对这两个实际通信系统之间信息码的变换有更进一步和全面的理解。一方面将模拟信号（涉及语音信号）进行PCM编码，在实际的PCM通信系统中传播的并不是PCM码，而是有诸多长处的HDB3码，因此还要对其进行HDB3编码，此HDB3码就是PCM通信系统中实际传播的码型，同步也是本实验中的接口码型。在局间通信中此部分体现为顾客

30、与电信局间的通信线路码型，这段距离并不是以光纤为介质进行传播的（数字光纤通信系统不能传播HDB3码），为了在数字光纤通信系统中传播，必须将接口码HDB3码变换为光纤线路码型CMI码。具体过程为：先将按口码型HDB3码还原为PCM码，再将此PCM码变换为光纤线路码型CMI码，此线路编码电路硬件采用实验箱中CMI编译码电路，光纤线路码CMI码形成后，再送入到光接口数字驱动电路进行光纤传播。光发机按照光源器件的不同，有采用LED作光源的光发端机和采用LD作光源的光发端机两种，本实验中光发端机的光源采用中心波长为1550nm的半导体激光器光源。 为了示波器观测以便，实验中采用24位伪随机码替代PCM编

31、码进行传播。数字光纤通信系统的构成应当涉及HDB3编译码，CMI编译码，光发端机和光收端机及光纤光缆等部分构成。其实验框图如图8-1所示。伪随机码HDB3编码HDB3译码CMI编码光发送光接受图8-1 数字光纤通信系统传播示意图HDB3译码HDB3编码CMI译码光纤实验箱中为了实验以便，提供一种HDB3编译码模块，另一种HDB3编译码模块予以省略，如图中虚线所示。数字光纤通信系统中，在通信双方都必须有HDB3编译码部分，也就是说运用光纤传播信号达到对方光收端机后，经检测还原成电信号，并通过CMI译码，HDB3编码传播到客户，在客户端继再进行HDB3译码，才干达到最后顾客。实验内容数字信号在光纤通信系统中的编译码过程.五、实验报告1. 记录实验中各点的波形;2. 分析各点的波形，比较实验所观测到的波形与理论波形与否一致，如果不一致分析其因素。六、思考题1.通过实验，思考实际模拟信号的数字光纤传播过程，并画出信号传播示意图。2.若给定一NRZ码组“”，试画出传播过程中HDB3编译码、CMI编译码的波形，通过实验观测上述各波形。