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光纤实验指导书
实验一数字信源及其光纤传输实验
一.实验目的
1.了解单极性码、双极性码、归零码、不归零码等基带信号波形特点。
2.掌握集中插入帧同步码时分复用信号的帧结构特点。
二.实验设备及器材配置
1.光纤通信实验箱。
2.数字示波器。
三.实验内容
用示波器观察单极性非归零码(NRZ)、位同步信号(BS)及帧同步信号(FS),了解它们的对应关系。
本实验使用数字信源模块。
本模块是整个实验系统的发终端,其原理方框图如图1-1所示。
本单元产生NRZ信号,信号码速率约为170.5KB,帧结构如图1-2所示。
帧长为24位,其中首位无定义,第2位到第8位是帧同步码(7位巴克码1110010),另外16位为2路数据信号,每路8位。
此NRZ信号为集中插入帧同步码时分复用信号。
发光二极管亮状态表示1码,熄状态表示0码。
本模块有以下测试点及输入输出点:
CLK为晶振信号测试点,BSOUT为信源位同步信号输出点/测试点,FSOUT为信源帧同步信号输出点/测试点,NRZ-OUT为NRZ信号输出点/测试点。
图1-1数字信源方框图
图1-2帧结构
下面对分频器,八选一及三选一等单元作进一步说明。
⑴分频器
74161进行13分频,输出信号频率为341kHz。
74161是一个4位二进制加计数器,预置在3状态。
74193完成÷2、÷4、÷8、÷16运算,输出BS、S1、S2、S3等4个信号。
BS为位同步信号,频率为170.5kHz。
S1、S2、S3为3个选通信号,频率分别为BS信号频率的1/2、1/4和1/8。
74193是一个4位二进制加/减计数器,当CPD=PL=1、MR=0时,可在Q0、Q1、Q2及Q3端分别输出上述4个信号。
40160是一个二一十进制加计数器,预置在7状态,完成÷3运算,在Q0和Q1端分别输出选通信号S4、S5,这两个信号的频率相等、等于S3信号频率的1/3。
分频器输出的S1、S2、S3、S4、S5等5个信号的波形如图1-3(a)和1-3(b)所示。
⑵八选一
采用8路数据选择器4512,它内含了8路传输数据开关、地址译码器和三态驱动器,其真值表如表1-1所示。
U24、U25和U27的地址信号输入端A、B、C并连在一起并分别接S1、S2、S3信号,它们的8个数据信号输入端x0~x7分别与K1、K2、K3输出的8个并行信号连接。
由表1-1可以分析出U24、U25、U27输出信号都是码速率为170.5KB、以8位为周期的串行信号。
⑶三选一
三选一电路原理同八选一电路原理。
S4、S5信号分别输入到U8的地址端A和B,U24、U25、U27输出的3路串行信号分别输入到U8的数据端x3、x0、x1,U8的输出端即是一个码速率为170.5KB的2路时分复用信号,此信号为单极性不归零信号(NRZ)。
⑷倒相与抽样
图1-1中的NRZ信号的脉冲上升沿或下降沿比BS信号的下降沿稍有点滞后。
在实验二的数字调制单元中,有一个将绝对码变为相对码的电路,要求输入的绝对码信号的上升沿及下降沿与输入的位同步信号的上升沿对齐,而这两个信号由数字信源提供。
倒相与抽样电路就是为了满足这一要求而设计的,它们使NRZ-OUT及BS-OUT信号满足码变换电路的要求。
图1-3分频器输出信号波形
表1-14512真值表
C
B
A
INH
DIS
Z
0
0
0
0
0
x0
0
0
1
0
0
x1
0
1
0
0
0
x2
0
1
1
0
0
x3
1
0
0
0
0
x4
1
0
1
0
0
x5
1
1
0
0
0
x6
1
1
1
0
0
x7
Φ
Φ
Φ
1
0
0
Φ
Φ
Φ
Φ
1
高阻
FS信号可用作示波器的外同步信号,以便观察2DPSK等信号。
FS信号、NRZ-OUT信号之间的相位关系如图1-4所示,图中NRZ-OUT的无定义位为0,帧同步码为1110010,数据1为11110000,数据2为00001111。
FS信号的低电平、高电平分别为4位和8位数字信号时间,其上升沿比NRZ-OUT码第一位起始时间超前一个码元。
图1-4FS、NRZ-OUT波形
四.实验步骤
1.熟悉信源模块的工作原理,用示波器观察数字信源模块上的各种信号波形。
2.用FS作为示波器的外同步信号,进行下列观察:
⑴示波器的两个探头分别接NRZ-OUT和BS-OUT,对照发光二极管的发光状态,判断数字信源单元是否已正常工作(1码对应的发光管亮,0码对应的发光管熄);
⑵用K1产生代码×1110010(×为任意代码,1110010为7位帧同步码),K2、K3产生任意信息代码,观察本实验给定的集中插入帧同步码时分复用信号帧结构,和NRZ码特点。
用K1产生代码11110010,K2产生代码00011100,K3产生代码01110000(其中K1的代码为帧同步码,K2和K3是产生的信息码,可以任意定义).
3.分析实验结果,完成实验报告。
实验二光发送模块实验
一.实验目的
1.了解光源的发光特性。
2.掌握光发送模块所完成的电→光变换原理。
3.了解模拟光发送和数字光发送的区别。
二.实验设备
1.光纤通信实验箱。
2.数字示波器。
3.光功率计。
三.实验内容
在光纤通信系统中,光发送模块是比较关键的电路模块之一,该模块性能的好坏,与整个系统的稳定工作有很大的关系,在设计时,应尽量提高电光转换效率,减小其工作时动态阻值,提供适当的工作电流。
无论是1310nm或1550nm波长的光器件,其发送电路都是一样,下面对电路组成原理及光器件特性进行分析:
信号切换电路部分的原理方框图及电路原理图分别如图3-1和图3-2所示。
本电路完成光发送模块的输入信号的切换,即模拟信号与数字信号的切换。
图3-1中各单元与图3-2中元器件的对应关系如下:
●控制开关S1:
拨位开关
●切换开关K5:
双刀双掷继电器
●光发模块D18:
PHLC_XXP激光器件
图3-2信号切换电路原理图
切换开关为图3-2中的K5,当K5未吸合时,传送的为模拟信号,吸合时,传送的为数字信号。
控制开关为图中的S1,当S1接通时,K5吸合。
在电路中,开关K5为模块的电源开关。
开关S1用来完成对模拟信号及数字信号之间的切换,主要是通过继电器K5来完成切换动作。
1.件特性:
1310nm/1550nmFPReceptacleLaserDiode,1310nm/1550nmFP腔同轴激光二极管
2.特点:
⑴MQW结构1310nm/1550nmFP腔激光二极管
⑵-40°C至85°C工作温度
⑶高工作温度,无需制冷器
⑷内置背光检测激光二极管
3.应用:
稳定光源,置入损耗测量表。
4.光电特性:
参数
符号
最小值
典型值
最大值
单位
工作温度
中心波长
λ
1280
1310
1340
nm
1520
1550
1580
谱线宽度
△λ
2
5
nm
阈值电流
lth
8
15
mA
输出功率
P。
0.2
0.6
1.2
mW
If=Ith+20mA
正向电压
Vf
1.2
1.6
V
CW,P。
上升/下降时间
tr/tf
0.3
0.5
ns
P。
,Ibias=Ith,10%-90%
监视器电流
Im
0.2
mA
P。
=0.2mW,Vrp=5V
暗电流
Id
1
10
nA
Vrp=5V
额定极限值(Tc=25°C)
参数
符号
最小值
典型值
最大值
单位
LD正向电流
If
100
mA
LD反向电压
Vr
2
V
PD反向电压
Vrp
15
V
PD反向电流
Irp
2
mA
工作温度
Topr
-40
+85
°C
存储温度
Tstg
-40
+100
°C
管脚焊接温度
Stemp
260
°C
管脚焊接时间
Stime
10
s
5.基本测量点与信号调节:
光发射电流的测量:
跳线J8为光发射二极管的发射电流测量点,平时J8处于短接状态,当要测量电流时,将跳线帽取下,串入一个电流表即可。
输入信号的衰减:
对于模拟信号,模块对信号的要求是其幅度小于等于1Vp-p,当幅度过大时,就会造成信号失真。
电阻R86为输入模拟信号的衰减调节,即调节输入模拟信号的幅度,使其在1Vp-p的范围内。
光发射电流的调节:
R95为光发射电流调节电阻,调节该电阻即可调节整机的光发射电流,在全范围内调节该电阻都不会对光发射二极管造成损坏。
对于本实验电路,其最佳光发射电流为18mA左右(该值为参考数据)。
四.实验步骤
1310nm光纤模块部分:
1.熟悉光发模块的工作原理及结构组成,了解半导体激光器件的性能及在操作上应注意的事项。
2.打开系统电源,观察电源指示灯是否正常。
用示波器检测数字信号源的BS输出是否正常;用示波器检测正弦信号的输出OUT1和OUT2是否正常。
3.关闭系统电源,用实验导线把数字信号源的BS输出端与光发送模块的DIGITAL_IN相连接,用示波器观测各关键测试点的波形:
DIGITAL_IN端口、J8(I_measure)。
检查光发送模块的切换开关S1是否拨向数字状态,同时检查模块电源开关(POWERSWITCH)是否处于打开状态,接通系统电源,用示波器观察J8的波形及电压,是否处于正常状态(正常状态时,此点的波形应该与输入点的波形同相,且幅度变小)。
其中数字输入端口为T2输入信号的波形,J8为进入激光器前的驱动信号波形。
4.用光功率计测量光纤输出光的功率:
调节可调电阻R95,改变注入电流,观察光功率计的变化。
将光纤慢慢从激光器件中抽出,观察光功率计的变化。
5.关闭系统电源,用实验导线把正弦信号源的任一输出端与光发送模块的模拟输入端T1相连接,用示波器观测各关键测试点的波形:
模拟输入端口T1、J8。
其中模拟输入端口T1为输入信号的波形,J8为进入激光器前的驱动信号波形。
调节R86以改变输入模拟信号的衰减,使其进入光发模块的幅度达到合适的值,防止信号的饱和失真,在调节的同时用示波器观察J8上的波形,直至波形不失真为止。
6.重复第四步的操作。
调节R95和R86,观察光功率计的变化。
总结输入信号幅度的大小及注入电流对光功率的影响。
7.更换输入模拟信号的波形,重复第五步的操作。
对于1550nm光纤模块部分的实验与1310nm部分相同。
实验三数字信号电→光、光→电转换传输实验
一、实验目的
1、了解数字光纤系统的通信原理。
2、掌握各种数字信号的传输机理。
3、初步了解完整光纤通信系统的基本组成结构。
二、实验内容
1、用示波器观察各传输信号的波形。
2、使用实验系统中提供的各种信号进行光传输实验,有:
170KHz方波、NRZ码、CMI码等。
三、基本原理
本次实验主要完成各种数据的光纤传输,本次实验所用到的数字信号主要有:
170KHz方波、NRZ码、CMI码。
各信号的详细介绍及各组成部分电原理图请参看前面实验的讲解。
各信号的光纤传输示意图分别如图7-1、图7-2、图7-3所示。
图7-1方波信号光纤传输示意图
图7-2NRZ码光纤传输示意图
图7-3CMI码光纤传输示意图
四、实验步骤
1310nm光纤模块实验:
1.熟悉光发送模块和光接收模块的工作原理及结构组成,了解半导体激光器件PHLC-XXX-R和PHPC-1S01-PFC的性能及在操作上应注意的事项。
2.打开系统电源,观察电源指示灯是否正常。
用示波器检测数字信号源的NRZ、BS输出是否正常。
3.关闭系统电源,用实验导线把数字信号源的BS输出端与光发送模块的数字输入T2相连接,检查光发送模块的切换开关S1是否拨向数字状态,同时检查模拟电源开关是否处于开启状态,接通系统电源,用示波器观察J8点的波形及电压,是否处于正常状态,正常状态时,此点的波形应该与输入点的波形同相,且幅度变小。
可参见图5-4数字信号发送波形检测。
4.若J8点的信号电平正常,用示波器观察接收电路输出端口DIGITAL_OUT的波形,并与光发送输入端波形相比较。
参见图7-5BS信号在光纤传输前后的比较
检测点
波形
数字信号源单元BS点
1310nm光纤收发模块光接受输出单元数字输入T4
图7-5BS信号在光纤传输前后的比较
5.将输出接入误码测试仪,观察误码。
6.重复以上步骤,分别对NRZ、CMI信号进行光纤传输,对光纤输出的信号进行译码,观察译码后的波形。
7.对于NRZ信号的光纤传输,接线如下所示,输出观测点是光接收输出单元DIGITALT4点。
波形参见图7-6NRZ信号在光纤传输前后的比较。
模块
连接点
连接方式
连接点
模块
数字信号源单元
NRZ信号
导线
DIGITALT2点
1310nm光纤收发模块光发送输入单元
1310nm光纤收发模块下方
1310nmTX
光纤
1310nmRX
1310nm光纤收发模块下方
检测点
波形
数字信号源单元NRZ点
1310nm光纤收发模块光接受输出单元DIGITALT3点
图7-6NRZ信号在光纤传输前后的比较
8.CMI码的光纤传输接线表如下,CMI译码还原信号测试点是PCM&CMI编译码单元
的DOUT1或DOUT2。
波形参见图7-7CMI信号在光纤传输前后的比较。
模块
连接点
连接方式
连接点
模块
数字信号源单元
NRZ_OUT码
导线
DIN1
PCM&CMI编译码单元
PCM&CMI编译码单元
CMI_OUT1
导线
数字输入T2
1310nm光纤收发模块光发送输入单元
1310nm光纤收发模块光接收输出单元
数字输出T4
导线
CMI-IN1
PCM&CMI编译码单元
1310nm光纤收发模块下方
1310nmTX
光纤
1310nmRX
1310nm光纤收发模块下方
检测点
波形(对应数字码元)
1010
数字信号源单元NRZ_OUT点
PCM&CMI编译码单元CMI_OUT1点
1310nm光纤收发模块光接收输出T4单元点
PCM&CMI编译码单元DOUT1
图7-7CMI信号在光纤传输前后的比较
注意:
做此实验时,请将1310nm光纤收发模块的转换开关S1拨到数字端。
接线表中所指“1310nm光纤收发模块下方”的“1310nmTX”和“1310nmRX”这两个连接点位置在实验箱面板上左上区域,有两个已固定好的法兰盘,在其右边做了标注,包含以上两个标注。
同时,由于实验测试仪器的原因,可能会出现波形无法分辨的情况,因此希望选用推荐的数字存储示波器进行波形的观察和采集。
1550nm光纤模块部分的实验与1310nm部分相同。
五、实验报告
1、理实验记录,画出相应的信号波形。
2、总结出数字光纤传输系统的工作过程,设计出一种光纤传输系统,并画出结构图。
3、总结出NRZ码经CMI及HDB3编译码后波形的不同点,解释为什么。
六、实验仪器
数字存储示波器,光功率计
实验四两台计算机间的光纤通信
一、实验目的
1.掌握数字光纤系统的通信原理。
2.掌握各种数字信号的传输机理。
3.了解完整计算机光纤通信系统的组成结构。
二、实验内容
1.用示波器观察各传输信号的波形。
2.完成单台计算机的自发自收的光纤通信。
3.完成两台计算机的全双工双光纤通信。
4.完成两台计算机的全双工单光纤通信。
三、基本原理
对于数字信号的传输方法我们在前面的实验中都已经进行了详细的说明,在这里我们不再细述。
在本实验中,两台计算机之间的通信是通过RS232来完成的,每一台实验箱里都配有一个RS232接口及RS232电平转换电路。
实验箱通过一根RS232电缆与计算机相连,在实验箱的信号端口为TX和RX,这两信号端口分别与CMI编码译码电路的输入及输出信号端口相连接,当我们把CMI译码端输出(DOUT)与RX端相连接时,就可以完成一个自发自收的通信实验;当我们与另外一台实验箱进行信号交换时,就可以完成双机的双工通信。
连接示意图如下所示:
单实验箱、单PC机、单光纤的自发自收光纤通信
双PC机、双光纤全双工光纤通信
双PC机、单光纤全双工光纤通信
四、实验步骤
1、输入方波经CMI编译码调通整个系统(包括单光纤及双光纤)。
接线表如下。
模块
连接点
连接方式
连接点
模块
数字信号源单元
NRZ码
导线
DIN1
PCM&CMI编译码单元
PCM&CMI编译码单元
CMI_OUT1
导线
DIGITALT2
1310nm光纤收发模块光发送输入单元
1310nm光纤收发模块光接收输出单元
DIGITALT4
导线
CMI-IN1
PCM&CMI编译码单元
1310nm光纤收发模块下方
1310nmTX
光纤
1310nmRX
1310nm光纤收发模块下方
1550nm光纤收发模块的使用接线与13101310nm光纤收发模块的接线相同。
2、在计算机上运行串行口通讯软件,连接PC机与实验箱间的串口通信电缆,在计算机上运行串行口通讯软件,将实验箱RS232模块的TX与RX短接,在PC机上观察是否收到自发的数据。
串行口通讯软件的图标如下:
进入软件,主界面中左边菜单如下:
点击“关闭串口”即可转换为“打开串口”。
如下图:
在“串口”、“波特率”、“校验位”、“数据位”、“停止位”等相应窗口可修改串口、波特率等。
主界面中下半部分的功能窗口如下:
发送的数据是在小窗口中的“”,也可自行修改。
点击“清空重填”,小窗口中的数据被清空,此时可自行输入数据进行发送。
发送有两种方式:
“手动发送”和“自动发送”。
“手动发送”是点击该键一次就发送一次,“自动发送”是按照“自动发送周期”(可在“自动发送周期”窗口修改自动发送周期)定时发送。
当您做双机通讯时,请注意设置的通讯参数一致。
下一步对计算机单机通信做一个简单的测试。
接线如下:
模块
连接点
连接方式
连接点
模块
计算机
串口
串口电缆
水晶头接口
实验箱面板上RS232I单元
RS232I单元
TX1
导线
RX1
RS232I单元
接好线后,打开实验箱的电源,运行串口通讯软件。
发送数据,在接受数据窗口观察,是否接受到,是否一致。
如果不一致,检查串口接头是否稳定,计算机串口是否被占用,修改串口发送设置,重新尝试,直至接受成功。
3、完成PC机的自发自收的通信实验。
接线表如下:
模块
连接点
连接方式
连接点
模块
计算机
串口
串口电缆
水晶头接口
实验箱面板上RS232-1单元
RS232I单元
TX1
导线
DIN1
PCM&CMI编译码单元
PCM&CMI编译码单元
CMI_OUT1
导线
数字输入T2
1310nm光纤收发模块光发送输入单元
1310nm光纤收发模块光接收输出单元
数字输出T4
导线
CMI-IN1
PCM&CMI编译码单元
PCM&CMI编译码单元
DOUT1
导线
RX1
RS232-1单元
4、完成双PC机、双光纤全双工光纤通信实验。
接线表如下。
模块
连接点
连接方式
连接点
模块
计算机1
串口
串口电缆1
水晶头接口
实验箱面板RS232-1单元
计算机2
串口
串口电缆2
水晶头接口
实验箱面板RS232I-2单元
RS232I单元
TX1
导线
DIN1
PCM&CMI编译码单元
RS232II单元
TX2
导线
DIN2
PCM&CMI编译码单元
PCM&CMI编译码单元
CMI_OUT1
导线
数字输入T2
1310nm光纤收发模块光发送输入单元
PCM&CMI编译码单元
CMI_OUT2
导线
数字输入T2
1550nm光纤收发模块光发送输入单元
1310nm光纤收发模块光接收输出单元
数字输出T4
导线
CMI-IN1
PCM&CMI编译码单元
1550nm光纤收发模块光接收输出单元
数字输出T4
导线
CMI-IN2
PCM&CMI编译码单元
PCM&CMI编译码单元
DOUT1
导线
RX1
RS232-2单元
PCM&CMI编译码单元
DOUT2
导线
RX2
RS232-1单元
1310nm光纤收发模块下方
1310nmTX
光纤
1310nmRX
1310nm光纤收发模块下方
1550nm光纤收发模块下方
1550nmTX
光纤
1550nmRX
1550nm光纤收发模块下方
5、读者可根据双PC机、单光纤全双工光纤通信结构原理图自行完成双PC机、单光纤全双工光纤通信。
注意,此时需要外接2个波分复用器。
波分复用器的接线方法可参照实验九--电话光传输系统实验的全双工话音信号的模拟单光纤传输的接线表。
注意:
以上实验在接线表中所指“1310nm光纤收发模块下方”的“1310nmTX”和“1310nmRX”,“1550nm光纤收发模块上方”的“1550nmTX”和“1550nmRX”这四个连接点位置在实验箱面板上右边的中部区域,有四个已固定好的法兰盘,在其右边做了标注,即以上四个标注。
接线表中所指“串口电缆1”和“串口电缆2”是实验箱配套的串口电缆。
该电缆一头是9针的串行口的接口,与计算机的串口相连,另一头是水晶头,与实验箱面板上RS232单元的水晶头接口相接。
五、实验报告
采用不同波特率进行数据传输,如果传输结果出现错码,请分析出错原因及可能出现错误的电路模块。
六、实验仪器
数字存储示波器、光功率计
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- 光纤 实验 指导书