光纤通信实验讲义

光纤通信原理实验指导书-1-目录光纤通信系统简介....................................................................................................................................1ZY12OFCOM13BG3光纤通信原理实验系统简介.......................................................................................4光纤实验箱使用注意事项........................................................................................................................8实验一半导体激光器P-I特性测试实验....................................................................................9实验二预失真补偿实验..............................................................................................................13实验三模拟信号光纤传输实验..................................................................................................17实验四数字信号光纤传输实验..................................................................................................20实验五光纤通信网中的光波分复用技术实验..........................................................................23附录I光纤通信系统常用仪表简介...................................................................................................26附录ⅡZY12OFCOM13BG3型光纤通信实验箱各模块引脚说明.........................................................36附录Ⅲ无源器件简介..........................................................................................................................43附录Ⅳ英文缩写及文字符号对照表..................................................................................................46附录Ⅴ参考书目..................................................................................................................................48光纤通信原理实验指导书-1-光纤通信系统简介光纤是光导纤维的简称。光纤通信是以光波为载频，以光导纤维为传输媒质的一种通信方式。光纤通信使用的波长在近红外区，即波长800～1800nm，可分为短波长波段（850nm）和长波长波段（1310nm和1550nm），这是目前所采用的三个通信窗口。光纤通信是人类通信史上一重大突破，现今的光纤通信已成为信息社会的神经系统，其主要优点是：1、光波频率很高，光纤传输频带很宽，故传输容量很大，理论上可通过上亿门话路或上万套电视，可进行图像、数据、传真、控制、打印等多种业务；2、不受电磁干扰，保密性好，且不怕雷击，可利用高压电缆架空敷设，用于国防、铁路、防爆等；3、耐高温、高压、抗腐蚀，不受潮，工作十分可靠；4、光纤材料来源丰富，可节约大量有色金属（如铜、铝），且直径小、重量轻、可挠性好。在20世纪70年代，光纤通信由起步到逐渐成熟，这首先表现为光纤的传输质量大大提高，光纤的传输损耗逐年下降。1972～1973年，在850nm波段，光纤的传输损耗已下降到2dB/km左右；与此同时，光纤的带宽不断增加。光纤的生产从带宽较窄的阶跃型折射率光纤转向带宽较大的渐变型折射率光纤；另外，光源的寿命不断增加，光源和光检测器件的性能也不断改善。光纤和光学器件的发展为光纤传输系统的诞生创造了有利条件。到1976年，第一条速率为44.7MB/s的光纤通信系统在美国亚特兰大的地下管道中诞生。80年代是光纤通信大发展的年代。在这个时期，光线通信迅速由850nm波段转向1310nm波段，由多模光纤传输系统转向单模光纤传输系统。通过理论分析和实践摸索，人们发现，在较长波段光纤的损耗可以达到更小的值。经过科学家和工程技术人员的努力，很快在1300nm和1500nm波段分别实现了损耗为0.5dB/km和0.2dB/km的极低损耗的光纤传输。同时，石英光纤在1300nm波段时色度色散为零，这就促使1300nm波段单模光纤通信系统的迅速发展。各种速率的光纤通信系统如雨后春笋般在世界各地建立起来，显示出光纤通信优越的性能和强大的竞争力，并很快替代电缆通信，成为电信网中重要的传输手段。光纤通信技术的发展，大致可以分为三个阶段：第一阶段（1970～1979年）：光导纤维与半导体激光器的研制成功，使光纤通信进入实用化。1977年美国亚特兰大的光纤市话局间中继系统称为世界上第一个光纤通信系统。第二阶段（1979～1989年）：光纤技术取得进一步突破，光纤损耗降至0.5dBm/km以下。由多模光纤转向单模光纤，由短波长向长波长转移。数字系统的速率不断提高，光纤连接技术与器件寿命问题都得到解决，光纤传输系统与光缆线路建设逐渐进入高速发展时期。第三阶段（1989年至今）：光纤数字系统由PDH向SDH过渡，传输速率进一步提高。1989年掺铒光纤放大器（EDFA）的问世给光纤通信技术带来巨大变革。EDFA的应用不仅解决了长途光纤传输损耗的放大问题，而且为光源的外调制、波分复用器件、色散补偿元件等提供能量补偿，这些网络元件的应用，又使得光传输系统的调制速率迅速提高，并促成了光波分复光纤通信原理实验指导书-2-用技术的实用化。随着我国国民经济建设的持续、快速发展，通信业务的种类越来越多，信息传送的需求量也越来越大，我国光通信的产业规模不断壮大，产品结构覆盖了光纤传输设备、光纤与光缆、光器件以及各类施工、测试仪表与专用工具。可以展望：光纤通信作为一高新技术产业，将以更快的速度发展，光纤通信技术将逐步普及，光纤通信的应用领域将更加广阔。一个实用的光纤通信系统，要配置各种功能的电路、设备和辅助设施才能投入运行。如接口电路、复用设备、管理系统以及供电设施等等。根据用户需求、要传送的业务种类和所采用传送体制的技术水平等来确定具体的系统结构。因此，光纤通信系统结构的形式是多种多样的，但其基本结构仍然是确定的。图0-1给出了光纤通信系统的基本结构，也可称之为原理模型。光纤通信系统主要由三部分组成：光发射机、传输光纤和光接收机。其电/光和光/电变换的基本方式是直接强度调制和直接检波。实现过程如下：输入电信号既可以是模拟信号（如视频信号、电话语音信号），也可以是数字信号（如计算机数据、PCM编码信号）；调制器将输入的电信号转换成适合驱动光源器件的电流信号并用来驱动光源器件，对光源器件进行直接强度调制，完成电/光变换的功能；光源输出的光信号直接耦合到传输光纤中，经一定长度的光纤传输后送达接收端；在接收端，光电检测器对输入的光信号进行直接检波，将光信号转换成相应的电信号，再经过放大恢复等电处理过程，以弥补线路传输过程中带来的信号损伤（如损耗、波形畸变），最后输出和原始输入信号相一致的电信号，从而完成整个传送过程。根据所使用的光波长、传输信号形式、传输光纤类型和光接收方式的不同，光纤通信系统可分成：图0-1光纤通信系统模型用户接口电发射端机输入接口光发端机用户接口电接收端机输出接口光收端机光缆光缆光中继器备用系统辅助系统光纤通信原理实验指导书-3-（1）按光波长划分可以分为短波长和长波长光纤通信系统类别特点短波长光纤通信系统工作波长：800nm～900nm；中继距离：10km长波长光纤通信系统工作波长：1000nm～1600nm；中继距离：100km超长波长光纤通信系统工作波长：2000nm；中继距离：1000km；采用非石英光纤（2）按光纤特点划分类别特点多模光纤通信系统传输容量：100Mbit/s；传输损耗：较高单模光纤通信系统传输容量：140Mbit/s；传输损耗：较低（3）按传输信号形式划分类别特点数字光纤通信系统传输信号：数字；抗干扰；可中继模拟光纤通信系统传输信号；模拟；短距离；成本低(4)按光调制的方式划分类别特点强度调制直接检测系统简单、经济、但通信容量受到限制外差光纤通信系统技术难度大，传输容量大（5）其它类别特点相干光纤通信系统光接收灵敏度高；光频率选择性好；设备复杂光波分复用通信系统一根光纤中传送多个单/双向波长；超大容量，经济效益好光时分复用通信系统可实现超高速传输；技术先进全光通信系统传送过程无光电变换；具有光交换功能；通信质量高副截波复用光纤通信系统数模混传；频带宽，成本低；对光源线性度要求高光孤子通信系统传输速率高，中继距离长；设计复杂量子光通信系统量子信息论在光通信中的应用光纤通信原理实验指导书-4-ZY12OFCom13BG3光纤通信原理实验系统简介本套实验系统实验箱是为配合《光纤通信》课程的理论教学，结合目前光纤通信工程技术最新进展，为了提高大专院校学生实际操作和动手能力而研制开发的。一、主机箱简介它包含了光纤通信系统设备中的各个主要组成部分，具体由以下十二个模块组成。其印刷电路板布局图如图0-3所示，每个模块均留出了关键的测试孔和测试钩，利于客户连线做系统实验以及测试用。1、电源模块：提供实验箱各模块电源。2、光发送模块：实现各种信号的光传输。3、光接收模块：实现光电信号的转换，滤波放大。4、预失真补偿模块：对信号进行预失真补偿；语音信号处理模块：提供语音信号输入输出及放大处理功能。5、语音信号处理模块：提供音乐芯片以及外置的语音输出，接受部分用扬声器扩出。6、模拟信号源模块：产生正弦波、三角波，频率在14Hz至300KHz之间连续可调；幅度在0V至5V之间连续可调。7、电话接口模块：提供电话接口功能。8、数字信号源模块：产生24伪随机码、位同步码、帧同步码。输出信号码元速率为64KB/s,伪随机码的码型可通过拨码开关任意设置。9、PCM编译码模块：实验PCM编译码功能。10、CMI编译码模块：实现CMI编译码功能。11、HDB3编译码模块：实现HDB3编译码功能。12、CPLD下载模块：提供位同步、帧同步功能；提供学生自主设计电路的功能。客户可以通过上述十二个模块以及相应的配件，灵活组成各种不同光纤通信系统，如：850nm波长光纤通信系统、1310nm波长光纤通信系统、1550nm波长光纤通信系统；同时也可以组成单模光纤通信系统、多模光纤通信系统；模拟光纤通信系统、数字光纤通信系统；时分复用传输系统和波分复用传输系统等光纤通信工程中常用的绝大多数光纤通信系统。实验系统基本组成方框图如图0-2所示：光纤通信原理实验指导书-5-图0-2光纤传输实验系统方框图实验系统主要由光发模块、光收模块