光纤通信实验报告(12)

课程名称光纤通信实验实验一光源的P-I特性、光发射机消光比测试一、实验目的1、了解半导体激光器LD的P-I特性、光发射机消光比。2、掌握光源P-I特性曲线、光发射机消光比的测试。二、实验器材1、主控&信号源模块、2号、25号模块              各一块2、23号模块（光功率计）                    一块3、FC/PC型光纤跳线、连接线                  若干4、万用表                           一个三、实验原理数字光发射机的指标包括：半导体光源的P-I特性曲线测试、消光比（EXT）测试和平均光功率的测试。1、半导体光源的P-I特性LD半导体激光器P-I曲线示意图半导体激光器具有高功率密度和极高量子效率的特点，微小的电流变化会导致光功率输出变化，是光纤通信中最重要的一种光源，激光二极管可以看作为一种光学振荡器，要形成光的振荡，就必须要有光放大机制，也即启动介质处于粒子数反转分布，而且产生的增益足以抵消所有的损耗。半导体激光器的输出光功率与驱动电流的关系如上图所示，该特性有一个转折点，相应的驱动电流称为门限电流（或称阈值电流），用Ith表示。在门限电流以下，激光器工作于自发辐射，输出（荧光）光功率很小，通常小于100pW；在门限电流以上，激光器工作于受激辐射，输出激光功率随电流迅速上升，基本上成直线关系。激光器的电流与电压的关系类似于正向二极管的特性。该实验就是对该线性关系进行测量，以验证P-I的线性关系。P-I特性是选择半导体激光器的重要依据。在选择时，应选阈值电流Ith尽可能小，没有扭折点，P-I曲线的斜率适当的半导体激光器：Ith小，对应P值就小，这样的激光器工作电流小，工作稳定性高，消光比大；没有扭折点，不易产生光信号失真；斜率太小，则要求驱动信号太大，给驱动电路带来麻烦；斜率太大，则会出现光反射噪声及使自动光功率控制环路调整困难。2、光发射机消光比消光比定义为：EXT=10lgP11​P00​​。式中P00是光发射机输入全“0”时输出的平均光功率即无输入信号时的输出光功率。P11是光发射机输入全“1”时输出的平均光功率。从激光器的注入电流（I）和输出功率（P）的关系，即P-I特性可以清楚地看出消光比的物理概念，如下图所示。ΔPEXTADPPIN消光比对灵敏度的影响由图可知，当输入信号为“0”时，光源的输出光功率为P00，它将由直流偏置电流Ib来确定。无信号时光源输出的光功率对接收机来说是一种噪声，将降低光接收机的灵敏度。所以从接收机角度考虑，希望消光比越小越好。但是，应该指出，当Ib减小时，光源的输出功率将降低，光源的谱线宽度增加，同时，还会对光源的其它特性产生不良影响，因此，必须全面考虑Ib的影响，一般取Ib=(0.7～0.9)Ith（Ith为激光器的阈值电流）。在此范围内，能比较好地处理消光比与其它指标之间的矛盾。考虑各种因素的影响，一般要求发送机的消光比不超过-1dB。在光源为LED的条件下，一般不考虑消光比，因为它不加直流偏置电流Ib，电信号直接加到LED上，无输入信号时的输出功率为零。因此，只有以LD作光源的光发射机才要求测试消光比。四、实验1、关闭系统电源，按如下说明进行连线：（1）用连接线将2号模块TH7（DoutD）连至25号光收发模块的TH2（数字输入），并把2号模块的拨码开关S4设置为“ON”，使输入信号为全1电平。（2）用光纤跳线连接25号光收发模块的光发输出端和光收接入端，并将光收发模块的功能选择开关S1打到“光功率计”。（3）用同轴电缆线将25号光收发模块P4（光探测器输出）连至23号模块P1（光探测器输入）。2、将25号光收发模块开关J1拨为“10”，即无APC控制状态。开关S3拨为“数字”，即数字光发送。3、将25号光收发模块的电位器W4和W2顺时针旋至底，即设置光发射机的输出光功率为最大状态；4、开电，设置主控模块菜单，选择主菜单【光纤通信】→【光源的P-I特性测试】功能。5、用万用表测量R7两端的电压（测量方法：先将万用表打到直流电压档，然后将红表笔接TP3，黑表笔接TP2）。读出万用表读数U，代入公式I=U/R7，其中R7=33Ω,读出光功率计读数P。调节功率输出W4，将测得的参数填入下表：P(uW)u(V)I(A)6、将25号光收发模块的电位器W4顺时针旋至底；设置主控模块菜单，选择【光功率计】功能。7、将2号模块的拨码开关S4设置为“ON”，使输入信号为全1电平。测得此时光发端机输出的光功率为P11。8、将2号模块的拨码开关S4设置为“OFF”，使输入信号为全0电平。测得此时光发端机输出的光功率为P00。9、代入公式EXT=10lgP11​P00​​，即得光发射机消光比。10、调节W4，重复7~9步骤，并将所测数据填入下表。P00(uW)P11(uW)EXT5．实验记录及结果P(uW)401.5352.6242.3182.1104.723.560.6341u(V)0.6550.6030.4710.3950.3150.210.154I(A)0.01980.01820.01420.01190.00950.00630.0046绘制光源P-I特性曲线：消光比：P00(uW)0.09010.09010.09010.09010.09010.09010.0901P11(uW)387.0366.7347.7322.9307.7284.9266.5EXT-36.3-36.1-35.8-35.4-35.3-35.0-34.7P00(uW)0.09010.09010.09010.09010.09010.09010.0901P11(uW)242.3220.1198.6181.4156.7148.4130.7EXT-34.3-33.8-33.4-33.0-32.4-32.1-31.6P00(uW)0.09010.09010.09010.09010.09010.0901P11(uW)111.995.0578.3453.6833.8220.08EXT-30.9-30.2-29.3-27.7-25.7-23.4实验结果及分析：1.半导体激光器工作原理是：激励方式，利用半导体物质(既利用电子)在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈、产生光的辐射放大，输出激光。半导体激光二极管（LD）或简称半导体激光器，它通过受激辐射发光，（处于高能级E2的电子在光场的感应下发射一个和感应光子一模一样的光子，而跃迁到低能级E1，这个过程称为光的受激辐射2.环境温度的改变对半导体激光器P-I特性的影响：随着温度的上升，阈值电流越来越大，功率随电流变化越来越缓慢。3.以半导体激光器为光源的光纤通信系统中，半导体激光器P-I特性对系统传输性能的影响是：当注入电流较小时，激活区不能实现粒子束反转，自发发射占主导地位。，激光器发射普通的荧光。随着注入电流的增加，激活器里实现了粒子束反转，受激辐射占主导地位。但当注入电流小于阈值电流时，谐振腔内的增益还不足以克服如介质的吸收、镜面反射不完全等引起的谐振腔的损耗时，不能在腔内建立起振荡，激光器只发射较强荧光。只有当注入电流大于阈值电流时才能产生功率很强的激光。4.阈值电流随着温度的升高而增大，外微分量子效率减小，输出光功率明显下降。5.当注入电流较小时，激活区不能实现粒子束反转，自发发射占主导地位。激光器发射普通的荧光。随着注入电流的增加，激活器里实现了粒子束反转，受激辐射占主导地位。但当注入电流小于阈值电流时，谐振腔内的增益还不足以克服如介质的吸收、镜面反射不完全等引起的谐振腔的损耗时，不能在腔内建立起振荡，激光器只发射较强荧光。只有当注入电流大于阈值电流时才能产生功率很强的激光。6.对于数字脉冲光发射机，消光比这个指标很重要，它定义为全“0”时平均光功率p0和全“1”时平均光功率p1之比，可用EXT表示，定义式如EXT=10lg(p1/p0)(dB) ， 消光比的不足容易引起对码元的误判等一系列问题。在实际生产中，由于设备及环境差异的问题，消光比很难控制，只能将消光比控制在某一范围。通过本实验，我学习了解半导体激光器发光原理和激光光源工作原理，掌握了半导体激光器P-I曲线的测试方法，同时了解数字光发射机平均输出光功率和消光比的指标要求，通过动手操作，掌握了数字光发射机平均输出光功率和消光比的测试方法， 为以后的学习奠定了基础。实验二模拟信号光纤传输系统一、实验目的1、了解模拟信号（正弦波、三角波、方波等）光纤传输系统。二、实验器材1、主控&信号源模块、25号模块                 各一块2、双踪示波器                         一台3、FC型光纤跳线、连接线                    若干三、实验原理1、实验原理框图模拟信号光纤传输系统2、实验框图说明主控信号源模块可输出正弦波、三角波、方波等模拟信号，信号送入光发射机的模拟输入端，经过光调制电路转换成光信号，完成电光转换；光信号经光纤跳线传输后，由接收机接收，并完成光电转换，输出原始信号。注：由于实验设备配置模块情况不同，光收发模块的波长类型有所不同，比如1310nm、1550nm等，需根据实际情况确定。四、实验步骤1、关闭系统电源，用光纤跳线连接25号光收发模块的光发输出端和光收接入端，并将光收发模块的功能选择开关S1打到“光接收机”。2、将信号源&主控模块的模拟输出A-out连接到25号光收发模块的模拟信号输入端TH1。3、把25号光收发模块的S3设置为“模拟”。4、将25号光收发模块的W5（接收灵敏度的调节旋钮，顺时针旋转时输出信号减小）逆时针旋到最大，适当调节W6（调节电平判决电路的门限电压）。5、打开系统电源开关及各模块电源开关。在主控模块中设置实验参数主菜单【光纤通信】→【模拟信号光纤传输系统】6、用示波器观测模拟信号源模块的A-out，调节信号源模块的“输出幅度”旋钮，使信号为适当大小（保证输出信号最大且不失真）。7、用示波器观测模拟信号源的A-out和25号光收发模块的TH4，适当调节W5，使得观测到的两处波形相同。此时，25号光收发模块无失真的传输模拟信号（可以通过“主控”模块中“信号源”进入“模拟信号源”菜单选择所需波型）。5．实验记录及结果分析示波器显示图正弦波三角波方波实验结果及分析：1、光纤传输系统能传输数字信号，因为光纤传输的是光能量。像我们所说的光功率，一台光源发出光信号并有一定的功率可以支持传输到终端，光源或者说这个一定功率的光信号则是一个载体，在传输前需要将数字信号调制进去，也就是附加在光信号上面。这时数字信号通过光纤进行传播。当然，传至终端的时候，则需要另一个解调器，将数字信号还原成我们可识别的信息继续进行传播。3、通过本次实验了解了模拟信号光纤系统的通信原理，了解了完整的模拟信号光纤通信系统的基本结构。实验三PN序列光纤传输系统一、实验目的1、了解PN序列光纤传输系统的原理。二、实验器材1、主控&信号源模块、25号模块                 各一块2、双踪示波器                         一台3、FC型光纤跳线、连接线                    若干三、实验原理1、实验原理框图PN序列光纤传输系统实验框图2、实验框图说明本实验是了解和验证数字序列光纤传输系统的原理。由主控信号源模块提供输入信号PN序列，PN序列经过光发射机完成电光转换，送入到光纤媒介中传输，最后通过光接收机完成光电转换以及门限判决，恢复出原始码元信号。注：由于实验设备配置模块情况不同，光收发模块的波长类型有所不同，比如1310nm、1550nm等，需根据实际情况确定。四、实验步骤1、关闭系统电源，用光纤跳线连接25号光收发模块的光发和光收，并将25号光收发模块的功能选择开关S1打到“光接收机”。2、将信号源&主控模块的数字信号PN15连接到25号光收发模块的数字信号输入端TH2。3、把25号光收发模块的光发模式选择S3设置为“数字”。4、将25号光收发模块中的光发模块的J1第一位拨“ON”（数字光调制的通状态），第二位拨“OFF”（自动光功率控制补偿电流的断状态），将W5（接收灵敏度的调节旋钮，逆时针旋转时输出信号减小）顺时针旋到最大。5、将输出光功率旋钮W4顺时针旋转到最大。6、打开系统电源开关及各模块电源开关。在主控模块中设置实验参数主菜单【光纤通信】→【PN序列光纤传输系统】。用示波器观测25号光收发模块的数字输入TH2和数字输出端TH3，比较二者码元情况，适当调节25号光收发模块W6（调节电平判决电路的门限电压）及W5，使两路波形相同。5．实验记录及结果分析示波器波形实验结果及分析：本次实验的原理就是由主控信号源模块提供输入信号PN序列，PN序列经过光发射机完成电光转换，送入到光纤媒介中传输，最后通过光接收机完成光电转换以及门限判决，恢复出原始码元信号。第一个波形为信源输入的PN序列，第二个波形为输入信号PN序列，经过光发射机完成电光转换，送入到光纤媒介中传输，最后通过光接收机完成电光转换以及门限判决，恢复出的原始码元信号，基本实现了无失真传输。本次实验学习了PN序列光纤传输系统的基本知识，主要学习了PN序列的特点和PN序列的产生，了解了PN是一种伪随机码，本次是采用长线性反馈移位寄存器序列作为伪随机序列。实验四CMI码编译码及其光纤传输系统一、实验目的1、了解和掌握CMI编译码原理和用途。2、了解CMI编译码光纤传输系统的相关原理。二、实验器材1、主控&信号源模块、2、8、25号模块               各一块2、双踪示波器                         一台3、FC型光纤跳线、连接线                    若干三、实验原理1、实验原理框图实验原理框图2、实验原理说明和数字电缆通信一样，通常在数字光纤通信的传输通道中，一般不直接传输终端机输出的数字信号，而是经过码型变换电路，使之变换成为更适合传输通道的线路码型。在数字电缆通信中,电缆中传输的线路码型通常为三电平的“三阶高密度双极性码”，即HDB3码，它是一种传号以正负极性交替发送的码型。在数字光纤通信中由于光源不可能发射负的光脉冲，因而不能采用HDB3码，只能采用“0”“1”二电平码。但简单的二电平码的直流基线会随着信息流中“0”“1”的不同的组合情况而随机起伏，而直流基线的起伏对接收端判决不利，因此需要进行线路编码以适应光纤线路传输的要求。线路编码还有另外两个作用：一是消除随机数字码流中的长连“0”和长连“1”码，以便于接收端时钟的提取。二是按一定规则进行编码后，也便于在运行中进行误码监测，以及在中继器上进行误码遥测。本实验CMI编码中，码字“0”由“01”表示，码字“1”由“00”、“11”交替表示。其变换规则如表所示：输入码字CMI码模式1模式20010110011CMI码型变换规则CMI（CodedMarkInversion）码是典型的字母型平衡码之一。CMI在ITU-TG.703建议中被规定为139.264Mb/s（PDH的四次群）和155.520Mb/s（SDH的STM-1）的物理/电气界面的码型。CMI由于结构均匀，传输性能好，可以用游动数字和的方法监测误码，因此误码监测性能好。由于它是一种电接口码型，因此有不少139.264Mb/s的光纤数字传输系统采用CMI码作为光线路码型。除了上述优点外，它不需要重新变换，就可以直接用四次群复接设备送来的CMI码的电信号去调制光源器件，在接收端把再生还原的CMI码的电信号直接送给四次群复用设备，而无须电接口和线路码型变换/反变换电路。其缺点是码速提高太大，并且传送辅助信息的性能较差。四、实验步骤1、关电，按所示进行连线。源端口目的端口连线说明信号源：PN15模块8：TH3(编码输入-数据)基带信号输入信号源：CLK模块8：TH4(编码输入-时钟)提供编码位时钟模块8：TH6(编码输出)模块25：TH2(数字输入)信号光纤传输输入模块25：TH3(数字输出)模块8：TH10(译码输入)信号送入译码单元2、用光纤跳线连接光收发模块的光发和光收，并将光收发模块的功能选择开关S1打到“光接收机”。3、把光收发模块的S3设置为“数字”。4、将1310nm光发模块的J1第一位拨“ON”（数字光调制的通状态），第二位拨“OFF”（APC自动光功率控制补偿电流的断状态），将25号光收发模块的W5（接收灵敏度的调节旋钮，逆时针旋转时输出信号减小）顺时针旋到最大。5、将输出光功率旋钮W4顺时针旋转到最大。6、开电（打开主控&信号源模块、2、8、25号各模块电源），设置主菜单【光纤通信】→【CMI编译码及光纤通信系统】。用示波器观测信号源模块的PN15与8号模块的TH13波形，观测8号模块的TH3与8号模块的TH6波形，观测25号模块的TH2与25号模块的TH3波形，观测8号模块的TH10与8号模块的TH13波形，比较PN序列编解码过程各段前后的波形有何变化。5．实验记录及结果分析解码前解码后实验结果及分析：通过实验的显示，我们可以看到，信号基本实现了无失真传输，但是会出现延时现象。经过CMI编码之后只是有少量延时，但是经过整个光纤线路后，延时比较明显。通过本次实验，让我对CMI编译码原理及CMI码光纤传输系统有了初步的了解，CMI即反转码，是一种两电平不归零码，误码监测性能好。通过实验认识了CMI的三大好处，即同步、检错、无直流分量，对CMI编码的认识有了进一步的深入了解。同时进一步加深了对光纤通信传输系统的认识。