[光纤通信技术]实验指导书
光纤通信实验指导书
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、基础实验部分
实验一 模拟信号光纤传输实验…………………………………… …………………1 实验二 数字信号光纤传输实验…………………………… …………………………3 实验三 电话光纤传输系统实验………………………………………………… ……5 实验四 图像光纤传输系统实验……………… ……… …………………… ………7 实验五 数字光纤通信系统接口码型变换实验………………………………………9
二、选做实验部分
实验六 数字光纤通信系统线路编译码实验…………… …………………………11 实验七 计算机数据光纤传输系统实验…………………………… ………………14
三、创新实验部分
实验八 数字光纤通信系统综合实验………………… ……………………………16
实验一 模拟信号光纤传输实验
一、实验目的
1.了解模拟信号光纤系统的通信原理
2.了解完整的模拟信号光纤通信系统的基本结构
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、预习要求
预习模拟光纤通信系统工作原理
四、实验内容
实验原理
根据系统传输信号不同，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，而且电流的变化转换为光频调制也呈线性，所以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单、经济和容易实现等优点。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。
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连续的模拟信号（如话音、模拟图像信号等）对光源进行调制。图1-1就是对发光二极管进行模拟调制的原理图。
P
I 图1-1 发光二极管模拟调制原理图
连续的模拟信号电流叠加在直流偏置电流上，适当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单，利用其P-I的线性关系，可以直接利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要求光源线性度很高。而且要求提高光接收机的信噪比比较高。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。
本实验通过完成各种不同模拟信号的LED光纤传输（如正弦波，三角波，外输入音乐信号），了解模拟信号的调制过程及调制系统组成。模拟信号光纤通信系统组成如图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，观察补偿后的传输效果与补偿前的效果。
实验内容
1. 各种模拟信号LED模拟调制：三角波，正弦波，语音信号（外输入语音信号）
2. 各种模拟信号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，对模拟信号光传输前后的波形进行比较。
2. 简述模拟信号光纤传输过程。
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，并指出其优缺点。
图1-2 模拟信号光纤传输系统框图
实验二 数字信号光纤传输实验
一、实验目的
1. 了解数字信号光纤传输系统的通信原理
2. 掌握完整数字光纤通信系统的基本结构
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、预习要求
预习数字信号光纤传输系统的工作原理。
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。半导体激光器是利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情况下，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）的共同作用。
本实验利用光纤对各种数字信号进行传输，以了解和熟悉光纤传输数字信号系统的组成。用双踪示波器观察光发模块与光接收模块各点的波形，并进行比较。
图2-1 LD的P-I特性曲线与调制波形
数字信号光纤传输系统组成框图如图2-2所示，对原始数字信号产生模块的信号进行各种不同方式的编码和译码，然后通过光纤传输，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。
实验内容
1. 观察各种数字信号在LD（1310nm）光纤传输系统中的波形
2. 观察各种数字信号在LED（850nm）光纤传输系统中的波形（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. 画出光纤传输数字信号实验框图，并简述数字信号光纤传输过程。
2. 比较LD数字光纤传输系统与LED数字光纤传输系统传输信号的效果，并分别分析优缺点。
图2-2 数字信号光纤传输系统组成框图
实验三 电话光纤传输系统实验
一、实验目的
1.了解电话及语音信号通过光纤传输的全过程
2.掌握模拟电话、数字电话光纤传输的工作原理
二、实验仪器及材料
1. 光纤通信原理实验箱 一台
2. 示波器 一台
三、预习要求
预习电话光纤传输系统的工作过程
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，各种模拟（或数字）信号的传输系统已经商用化。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输分为两种方式，一种方式为模拟电话光纤传输，即电话用户接口输出的模拟信号直接送入光纤模拟信号传输信道，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输只能传输一路电话语音信号，另一路电话语音信号直接用连接导线代替光纤），实验方框图如图3-1所示。
图3-1 电话模拟光纤传输
另一种方式为数字电话光纤传输，即电话用户接口输出的模拟信号经过PCM编码以后，利用时分复用的方式，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输，光收端机接收的信号通过时分解复用，实现信号的分离，分别送入两个电话用户接口电路中，实现两部电话的全双工通话，其方框图如图3-2所示。
图3-2 电话数字光纤传输
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 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（用低电平表示），图3-3为PCM编码一帧的结构示意图。
图3-3 PCM编码帧结构示意图
实验内容
1. 模拟电话光纤传输系统实验
2. 数字电话光纤传输系统实验
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电话光纤传输系统和1310nm电话光纤传输系统的性能。
六、思考题
1. 能否用一根光纤传输两路模拟信号，如果可以，如何实现？如果不行，说明理由。
2. 与模拟电话相比，数字电话有哪些优点?
3. 画出PCM编码输出一帧的结构示意图，用示波器观察各帧的波形，说明一帧信息中各时隙代表的意义。
实验四 图像光纤传输系统实验
一、实验目的
1. 学习模拟视频信号光纤传输系统组成
2. 熟悉图象信号在光纤系统中的传输过程
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、预习要求
预习模拟视频信号光纤传输系统组成及传输过程
四、实验内容
实验原理
视频信号的传输量日益增长，尤其是有线电视（CATV），需要将几十路电视信号送到千家万户。视频信号的光纤传输也是人们非常关注的课题。
本实验主要采用模拟信号直接调制的方法进行视频信号的光纤传输。系统主要由小摄像头（电视信号发生器）、小型电视机（视频监视器）和模拟光纤通信系统组成。通过观察视频信号的光纤传输，测试光纤传输模拟信号的性能。该实验实质上也就是光纤传输模拟信号。实验框图如图4-1所示。
图4-1 图象光纤传输系统
小摄像头产生视频信号（模拟信号），经过模拟调制送入光发端机，经光纤传输后，由光收端机监测到视频信号并输出到电视机接收端，观测光纤传输视频信号的效果以及特点，以了解光纤传输电视信号的特点。在实验过程中图象效果越好也就说明光纤传输模拟信号的性能就越好，性能越稳定。在进行光纤传输视频信号之前，先调节正弦波模拟传输，使得Vp-p＝2V的正弦波正常传输，此时视频信号传输效果最佳。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输视频信号的效果。
实验内容
1. 模拟视频信号进行LED调制光纤传输
2. 模拟视频信号进行LD调制光纤传输
五、实验报告
1.观察图像信号经光纤传输后的效果，评估光纤传输图像信号的性能。
2. 比较LED与LD视频传输效果。
六、思考题
1.能否采用视频信号数字光纤传输？若能，则还应该具备哪些实验器材？ 2. 试设计一种方法，利用本实验箱进行电视图像信号和语音信号的光纤传输。
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. 了解接口码型在光纤传输中的作用
2. 了解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、预习要求
预习光纤通信系统的传输码型
四、实验内容
实验原理
接口码型变换电路包括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输的需要而设置的，接口码型从我国所采用的数字通信标准制式来看有两种，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输码型，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，即最大允许连“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输码型。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码经过光纤传输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。
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，高低频成分少，定时信息丰富，有利于定时提取。
b) HDB3码是伪三进制码，它的状态用B+，B-，和0表示。
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
包括“V”脉冲本身）为奇数。
e) HDB3码可以利用其破坏点规则检测线路传输中产生的误码。
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码相同。二进制中的空号，在HDB3码中仍编为空号，但在二进制中出现四空号串，则用以下四连“0”取代节代替，其取代节形式如下：000V或B00V。其中，V为双极性码中极性交替改变法则的破坏点，B为双极性码中极性交替改变法则中的非破坏点，0为双极性码中的0码。
同一个取代节中的 “B”， “V”脉冲在HDB3码中的极性相同。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“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，遇到一个四空号串，准备用取代节代替时，要视相邻前一个取代节中的“V”脉冲至准备代替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. 学习了解HDB3编码规则
2. 观察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，比较实验所观察到的波形与理论波形是否一致，如果不一致分析其原因。
3.简要叙述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输系统中传输？
2.接口码型变换电路在光纤传输系统中处于什么位置，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.了解线路码型在光纤传输系统中的作用
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、预习要求
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码虽然有很多优点，如功率谱中无直流分量，高低频成分少，定时信息丰富，有利于定时提取等，但它不能在光纤中传输，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输，但在实际的数字光纤通信系统中并不采用这种码型。本实验阐述了适合数字光纤通信系统所采用的三种线路码型：①伪双极性码；②mBnB码；③附加奇偶位码。还说明了线路码相对于接口码型的优点，并将一基带信号NRZ码变换为有利于数字光纤通信系统传输的线路码型：伪双极性码、mBnB码。
由于CMI码有很多优点，它既为我国数字通信标准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）。所以，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四次群的线路传输码型，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
① CMI码编译电路简单，便于设计与调试。
② CMI码的最大连“0”和连“1”都是3个
③ 具有误码监测能力，当其编码规则被破坏，就表示有误码产生，便于线路传输中的误码监测。
④ 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，便于定时提取。
⑤ CMI码的速率是编码前信号速率的两倍。
2.CMI码的编码规则
① 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。
② 对于二进制“1”用幅值电平A1和A2来编码。A1或A2都占满了一个单位时间
间隔（T），即在CMI码流中为“00”或“11”码；对于相继的二进制“1”，这两个电平相互交替。这也就是前一个二进制“1”编为A1，（即“00”）则后一个二进制“1”就编A2，反之，前一个二进制“1”编为A2，（即“11”）则后一个二进制“1”就编A1，即在CMI码流中以“00”和“11”信号相互交替。
3. CMI码编码电路的方式。
CMI编码电路比较简单，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，时钟读出的方法。
5. mBnB码和伪双极性码
mBnB码是将输入的m比特(Bit)一组码作为一个码字，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n>m。
伪双极性码（CMI和DMI）也是一种字变换码，也可以认为它们是1B2B码，这种码保留了电缆数字传输中常用的双极性码（常称AMI码）的优点，如表6.2所示。用两个比特数字脉冲表示AMI码中的一个码字，“1”码时以“00”和“11”相互交替（对应于AMI码中“1”码以“＋”和“—”电平相互交替），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，同时也可以自检误码。但这种码型的缺点是冗余度大，仅在基群和二次群系统中使用。
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输的线路码型CMI码，CMI码经光纤传输后，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。观察各点波形以理解CMI编译码规则。
图6-1 CMI编码译码实验框图
实验内容
1. 验证符合光纤传输系统的线路码型
2. 观察线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，比较实验所观察到的波形与理论波形是否一致，如果不一致分析其原因。
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优点？
实验七 计算机数据光纤传输系统实验
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输系统组成
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、预习要求
预习CMI编码在光纤线路码型中的作用
四、实验内容
实验原理
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输线上一位一位的传输信息，所用的传输线少，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，采用串行方式交换数据也很普遍。所以串行接口是微机应用系统常用的接口。
在并行通信中，传输线数目没有限制，一般除了数据线外还有通信联络控制线。例如，在发送前，先问对方是否准备就绪，或正在工作即忙，接收方收到数据后，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，由于信息在一个方向上串行传输，只占用一根通信线，因此这根线既作数据线又作联络线，也就是说要在一根传输线上既传送数据信息，又传送联络控制信息，这就是串行通信的首要特点。那么如何来识别在一根线上串行传送的信息流中，哪一部分是数据信号，哪一部分是联络信号。为解决这个问题，就引出了串行通信的一系列约定。因此串行通信的第二个特点是它的信息格式有固定的要求，分同步和异步通信格式，与此对应，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主要由计算机串口电路、CMI编译码电路、光发端机和光收端机组成。系统实验方框图如图7-1所示。
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，光纤通信系统中利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，在传输信号中可以有两种方式，一种方式就是直接用两根光纤传输，另一种方式就是利用波分复用（波分复用技术实验见实验二十二）的方式进行。在这里利用两个光纤通信系统，即利用1310nm光纤通信系统和1550nm光纤通信系统组成。同时用两个光纤作为传输信号的通道。
进行串口数据传输时，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输，文件传输，传输速率可设定为
9.6KB/s或更高。调节传输波特率，并观察实际传输文件时的传输速率。 实验内容
1. 用光纤通信系统实现计算机串口数据通信
2. 进一步加深了解CMI编码在光纤线路码型中的作用
五、实验报告
1. 说明计算机数据光纤传输系统各组成部分的作用。
2. 根据实验结果，说明文件传输实际速率与设置波特率的关系。
六、思考题
1.说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，则会出现什么情况？
实验八 数字光纤通信系统综合实验
一、实验目的
1.了解数字光纤通信系统的组成原理
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、预习要求
预习数字光纤通信系统的组成及工作原理
四、实验内容
实验原理
本实验为了适应数字光纤通信的需要，让学生了解数字光纤通信系统的完整硬件组成而设计的。实际完整的数字光纤通信系统的硬件组成，包括接口码型变换电路、线路码型变换电路、光接口变换电路。同时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输码型的变换，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深入和全面的理解。
首先将模拟信号（包括语音信号）进行PCM编码，在实际的PCM通信系统中传输的并不是PCM码，而是有很多优点的HDB3码，所以还要对其进行HDB3编码，此HDB3码就是PCM通信系统中实际传输的码型，同时也是本实验中的接口码型。在局间通信中此部分表现为用户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输的（数字光纤通信系统不能传输HDB3码），为了在数字光纤通信系统中传输，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输。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。
为了示波器观察方便，实验中采用24位伪随机码代替PCM编码进行传输。数字光纤通信系统的组成应该包括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组成。其实验框图如图8-1所示。
光纤
图8-1 数字光纤通信系统传输示意图
实验箱中为了实验方便，提供一个HDB3编译码模块，另一个HDB3编译码模块予以省略，如图中虚线所表示。数字光纤通信系统中，在通信双方都必须有HDB3编译码部分，也就是说利用光纤传输信号到达对方光收端机后，经检测还原成电信号，并经过CMI译码，HDB3编码传输到客户，在客户端继再进行HDB3译码，才能到达最终用户。
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，比较实验所观察到的波形与理论波形是否一致，如果不一致分析其原因。
六、思考题
1.通过实验，思考实际模拟信号的数字光纤传输过程，并画出信号传输示意图。
2.若给定一NRZ码组“[***********]111110”，试画出传输过程中HDB3编译码、CMI编译码的波形，通过实验观察上述各波形。