光纖通信實驗報告華北電力大學

1、華 北 電 力 大 學 實 驗 報 告實驗名稱實驗一：光纖衰減系數(shù)的測量、LED的P-I 特性測量實驗儀器He-Ni激光器、光功率計、五維微調(diào)架、擾摸器、光纖、直流電流源、LED光源同組人實 驗 目 的1、了解光纖損耗的定義。2、學會用截斷法測量光纖的損耗。3、熟悉半導體光源輸出光功率與輸入電流的關系。4、掌握PI曲線的測試方法。實 驗 原 理1、如輸入于光纖的光功率為P1（W），而經(jīng)過光纖傳輸后輸出的光功率為P2（W），則從兩者的比值便可得知傳輸過程中損耗了多少。因此光纖損耗的定義為： (dB)如果輸入和輸出光功率直接以dBm給出，則 (dB)。用截斷法測量光纖損耗的方框圖如下圖所示，圖中擾

2、模器的作用是使模功率分布在光纖的輸入端就達到穩(wěn)定狀態(tài)。2、半導體發(fā)光二極管（LED）的PI特性曲線如下圖所示，發(fā)光二極管不是閾值器件，它的輸出功率基本上與注入電流成正比。 實 驗 內(nèi) 容 與 步 驟一、（一）光纖衰減系數(shù)的試驗內(nèi)容光纖損耗的截斷法測量（二）光纖衰減系數(shù)的測量步驟1、按上圖截斷法損耗測試方框圖連接好光源、光功率計、待測光纖及擾模器，測出光功率P1。2、在距離光源2米處剪斷光纖，測出光功率P2。3、光纖的損耗系數(shù)為： (dB/km)如果輸入和輸出光功率直接以dBm給出，則 (dB/km)。二、(一) LED的P-I 特性測量的實驗內(nèi)容平均發(fā)送光功率的測試（二）LED的P-I 特性測

3、量步驟1、用誤碼儀的碼型發(fā)生器自A點給數(shù)字光發(fā)端機送入偽隨機二進制序列作為測試信號。2、從光發(fā)端機輸出端連接器S中取出光纖插頭，用光纖跳線分別插入光發(fā)送輸出端連接器與光功率計連接器，將光發(fā)端機的光輸出端與光功率計相連接，此時從光功率計讀出的功率P就是光發(fā)射端機的平均發(fā)送光功率P0。3改變R406的阻值，在記錄上繪出PI曲線。實 驗 結 果 及 分 析1、在光纖衰減系數(shù)的測量中：光纖長度為：1.832km 2km全長時輸入光功率為：P1= 54dBm (直接以dBm給出)在距離光源2米處剪斷光纖，測出光功率P2= 45dBm 當輸入和輸出光功率直接以dBm給出，則利用公式 (dB/km)計算光纖

4、衰減系數(shù)為：分析：由結果利用截斷法得出的光纖衰減系數(shù)誤差偏大，主要原因是光纖的純度不夠和儀器的老化引起的，另外就是人為的操作和讀數(shù)時有偏差，但是基本上可以得出正確的結論。2、LED的P-I 特性測量I (mA)1020304050P130.3nW368.9nW656.5nW1009nW1.339W I (mA)60708090100P1.797W2.141W2.568W2.951W3.492W分析：實驗數(shù)據(jù)值與標定值相近，但是有一定的誤差，可能原因是儀器的老化。思 考 題 解 答1.討論截斷損耗測試法的誤差有哪些？答：（1）測量長度時可能測量不精確； （2）光功率計、擾模器等儀器存在一定的噪聲

5、和干擾。2.分析平均光發(fā)送功率的測試誤差來源。答：（1）光纖可能會有一定的損耗； （2）光源有一定的壽命，經(jīng)過很長一段時間的使用，光源會產(chǎn)生一定的誤差； （3）測試過程中各種噪聲產(chǎn)生的誤差；（4）測試儀器本身有一定的誤差。討 論 與 結 論 這次實驗在老師的指點下取完成得不錯，在允許的誤差范圍內(nèi)達到了試驗目的，測出了光線的衰減系數(shù)，說明了各種功能的使用方法，并且給出了功率圖形。其中，光纖接合的實驗老師講解詳細，讓我們進一步了解了高科技的應用。 實驗名稱實驗二：光纖通信系統(tǒng)的碼型變換、光纖通信系統(tǒng)眼圖測試實驗儀器光纖通信原理實驗箱、示波器同組人實 驗 目 的1、了解光纖通信采用的線路碼型。2、掌

6、握CMI碼的特點。3、了解CMI的編解碼實現(xiàn)方法。4、了解光檢測模塊的光電變換原理。5、掌握光收端機的功能及電路工作原理。實 驗 原 理一、碼型變換1、數(shù)字光纖通信傳輸信道中，對于低速率系統(tǒng)采用CMI碼，即傳號翻轉碼，即“1”交替地用“00”和“11”表示，而“0”則固定用“01”表示，因此相同的時間內(nèi)CMI編碼器輸入1bit輸出為2bit，故屬于二點平的不歸零（RNZ）的1B2B碼型，這種碼的特點是：1）不連續(xù)出現(xiàn)4個以上的“0”碼或“1”，易于定時提取。2）電路簡單易于實現(xiàn)。3）有一定的糾錯能力。4）有恒定的直流成分，低頻分量小，頻帶較寬。5）傳輸速率為編碼前的2倍，適用于低速率的光線傳輸

7、系統(tǒng)。2、CMI編碼電路的功能：CMI編碼電路接收來自信號源的單極性非歸零碼（NRZ），把這種碼型變換為CMI碼送至光發(fā)送單元。其設計思路是利用并串變換電路來產(chǎn)生CMI碼，即分別產(chǎn)生CMI傳號碼和空號碼，再按照輸入單極性信碼的電平高低來選通傳號碼或空號碼，用合路器把兩者串行輸出成為CMI碼。編碼后用兩位碼來代表一位碼、并行碼變成串行碼，其碼速增加了一倍。3、CMI解碼電路的功能：CMI解碼器接收光接收機送來的CMI碼，把這種碼型變換為單極性非歸零碼。其設計思路是采用串并變換電路把串行碼變成并行碼，即把CMI碼的每一組00、11或01碼中的奇數(shù)碼和偶數(shù)碼分離開來，變成奇偶分列的、時序一致的碼序列

8、，再用判決電路逐一加以比較，判決輸出傳號還是空號，從而解出單極性信碼。二、眼圖測試眼圖是在同步狀態(tài)下，各個周期的隨機信碼波形重疊在一起所構成的動態(tài)波形圖，其形狀類似一個眼睛故名眼圖，它是觀察是否存在碼間干擾的最簡單直觀的方法。將時鐘輸入示波器的通道1、偽隨機碼的輸出接示波器的通道2，緩慢調(diào)整示波器的同步旋鈕即可在示波器上觀察到眼圖，實際上眼圖就是隨機信號在反復掃描的過程中疊加在一起的綜合反應。眼圖的垂直張開度表示系統(tǒng)的抗噪聲能力，水平張開度反映過門限失真量的大小。眼圖的張開度受噪聲和碼間干擾的影響，當光收端機輸出端信噪比很大時眼圖的張開度主要受碼間干擾的影響，因此觀察眼圖的張開度就可以估算出光

9、收端機碼間干擾的大小，其中：垂直張開度 水平張開度實 驗 內(nèi) 容 與 步 驟一、碼型變換（一）實驗內(nèi)容1、了解光纖通信采用的線路碼型及CMI碼的特點。2、了解CMI碼的編解碼實現(xiàn)方法。3、分析CMI編解碼器電路的各個測量點的波形。4、比較CLK時鐘、NRZ碼及CMI碼的異同。(二)實驗步驟1、接好電源，打開交流電源，按下直流電源開關K1、K2，發(fā)光二極管D5D14循環(huán)點亮，電路即正常工作。按下“復位”鍵令系統(tǒng)復位，使程序重新開始工作。2、按下“CMI”鍵后再按下“確認”鍵，向系統(tǒng)下達進行CMI編解碼器實驗的命令，并將K702跳線置于CMI處。用CLK時鐘送入NRZ碼到CMI編碼，用示波器測出編

10、碼電路測量點TP110和TP114的波形。測量各點波形時示波器應接地，示波器探頭的接地線要與GND接地點保持接觸良好。3、用示波器測出解碼電路各測試點TP504和TP507的波形。4、關掉開關K1、K2，關閉交流電源，拔下電源插頭。二、眼圖測試（一）實驗內(nèi)容1、光檢測器的偏置電壓。2、光收端機的眼圖。(二)實驗步驟1、接好電源，打開交流電源，按下直流電源開關K1、K2，發(fā)光二極管D5D14循環(huán)點亮，電路即正常工作。按下“復位”鍵令系統(tǒng)復位，使程序重新開始工作。2、用示波器觀察接收機的輸出（在TP705處測量），可與TP701的測試結果比較，計算接收的放大倍數(shù)，同時將時鐘輸入示波器的通道1、TP

11、705的輸出接示波器的通道2，調(diào)整示波器使之觸發(fā)同步，若輸入端輸入為PN碼，則示波器上應觀察到眼圖，調(diào)節(jié)電位器W702或改變輸入PN碼的速率，再觀察眼圖的張開度及波形各有何變化。3、關掉開關，關閉交流電源，拔下交流電源插頭。實 驗 結 果 及 分 析1 光纖通信系統(tǒng)的碼型變換Tp114Tp110Tp504Tp507分析：Tp110為偽隨機碼波形，tp114為cmi編碼后的波形；504和507分別為接受碼波形和cmi譯碼后的波形。2光纖通信系統(tǒng)眼圖測試分析：垂直張開度 水平張開度思 考 題 解 答1、為什么要進行線路編碼，什么叫做線路碼型，光纖能否傳HDB3碼？答：因為簡單的二點平碼的直流基線會

12、隨著信息流中“0”“1”的不同的組合情況而隨機起伏，而直流基線的起伏對接收端判決不利，因此需要進行線路編碼以適應光纖線路傳輸?shù)囊?。?shù)字光纖通信與數(shù)字電纜通信一樣，在其傳輸信道中，通常不直接傳送電端機輸出的數(shù)字信號，而需要經(jīng)過碼型變換，使之變換成為適合于傳輸信道傳輸?shù)拇a型，稱之為線路碼型。在數(shù)字電纜通信中，電纜中傳輸?shù)木€路碼通常為三電平的“三階高密度雙極性碼，即HDB3碼”，它是一種傳號以正負極性交替發(fā)送的碼型。在數(shù)字光纖通信中由于光源不可能發(fā)射負的光脈沖，因而不能采用HDB3碼，只能采用“0”“1”二電平。2、CMI碼的編碼規(guī)則是怎樣的，CMI編解碼器輸入信碼與輸出信碼的碼型、碼速各是怎樣的

13、？答：、CMI碼的編碼規(guī)則：A、對于二進制“0”被編碼成為前后得A1和A2（A1為“0”電平，A2為“1”電平）兩種幅值的電平，每種幅值占單位時間間隔的一半（T/2），即在CMI碼中為“01”碼。B、對于二進制“1”用幅值電平A1和A2來編碼。A1或A2都占滿了一個單位時間間隔（T），即在CMI碼流中為“00”或“11”碼；對于相繼的二進制“1”，這兩個電平相互交替。這也就是前一個二進制“1”編為A1，（即“00”）則后一個二進制“1”就編A2，反之，前一個二進制“1”編為A2，（即“11”）則后一個二進制“1”就編A1，即在CMI碼流中以“00”和“11”信號相互交替。編碼器輸入32Kb/s

14、的單極性的信碼，輸出64Kb/s的CMI碼。解碼器輸入64Kb/s的CMI碼，輸出32Kb/s的單極性的信碼。討 論 與 結 論 本次實驗經(jīng)過老師的初步講解，再經(jīng)過我們四十多分鐘的努力研究，本次實驗也取得了不錯的成功。實驗名稱實驗三：光纖熔接、光時域反射實驗（OTDR）實驗儀器光纖熔接機、光時域反射儀（OTDR）同組人實 驗 目 的1、了解光時域反射計（OTDR）的工作原理。2、掌握使用光時域反射計測量計算光纖長度、衰減、斷裂、總回損及熔接、連接器和總損耗等參數(shù)。3、分析光纖的傳輸特性。4、了解光纖光纜的結構和學習光端面的處理。5、掌握光線切割的使用方法。6、學習掌握光纖熔接機的使用方法。實

15、驗 原 理一、OTDR基本原理光時域反射計采用時域測量的方法，發(fā)射具有一定寬度的光脈沖并注入被測光纖，然后通過檢測光纖中返回的瑞利散射及菲涅爾反射光信號功率沿時間軸的分布曲線，即可探知被測光纖的長度及損耗等物理特性，同時，利用其強大的數(shù)據(jù)分析功能，可對光纖鏈路中的事件點及故障點精確定位，其最重要的特點是：單端無損測試，測試速度快，故障定位準確。目前，光時域反射計可使用850nm、1300nm、1310nm、1380nm、1480nm、1550nm及1625nm等波長進行光纖線路的測量，測量重點在于驗證局端至分支器、分支器至各用戶端光纖的熔接、接頭與線路的損耗等，依次驗證各光線距離與施工時相比是

16、否正確。同時，也可形成數(shù)據(jù)庫以供日后運營商在線監(jiān)控測試、維修中便于對光纖線路的品質(zhì)確認及故障查找等。OTDR測量距離的公式如下：d=(c×t)/2 （IOR） 式中，c是光在真空中的速度，而t是信號發(fā)射后到接收到信號的總時間。IOR為被測光纖的折射率，由光纖生產(chǎn)商來表明。二、OTDR測試模式 OTDR應用程序提供以下曲線取樣模式： 自動：自動計算光纖長度、設置取樣參數(shù)、獲取曲線并顯示事件表和已獲曲線。 高級：提供執(zhí)行完整OTDR測試和測量需要的所有工具，并且用戶可以控制所有測試參數(shù)。 創(chuàng)建參考/模板：將當前測試光纖結果與先前所獲并分析的參考曲線進行比較，可以在測試大量光纖時達到省時的

17、目的。下圖為自動模式下測量曲線示意圖：三、光纖的熔接光纖永久性連接是通過熔接技術將兩根光纖連接在一起。光纖的熔接通常是在專用的光纖熔接機上進行的。熔接時首先將光纖的保護層剝掉，將光纖端面切割平整，安裝在V型槽內(nèi)，用微調(diào)架將光纖端面對準，在兩個高頻高壓電極作用下，產(chǎn)生電弧放電，溫度可達上千度。在電弧高溫作用下，將光纖熔接在一起。調(diào)整放電電流，可改變弧焰溫度，對不同的光纖放電電流通常是不同的。光纖熔接通常有手動、自動兩種方式。 全自動熔接光纖主要是熔接機具有智能控制功能，如：能自動檢測光纖端面質(zhì)量（垂直度、清潔度、平整度）；自動對準光纖纖芯和包層；能根據(jù)實驗環(huán)境（適度、溫度）自動調(diào)整熔接參數(shù)（熔接

18、電流和時間）；自動檢測熔接質(zhì)量；自動估算熔接損耗。實 驗 內(nèi) 容 與 步 驟一、光時域反射儀（OTDR）測量內(nèi)容及步驟（一）實驗內(nèi)容1、光時域反射計的工作原理。2、光時域反射計測量光纖的參數(shù)設置。3、根據(jù)測量曲線分析光纖的傳輸特性。（二）實驗步驟1、了解OTDR的正確使用方法，并根據(jù)步驟進行操作。2、本實驗的測試對象是一盤單模光纖，其總長度為25km左右，將無信號負載的光纖一端接入OTDR，并用OTDR測出光纖的長度、平均損耗，記錄實驗圖形及數(shù)據(jù)。3、設置不同的脈沖寬度和平均時間對光纖進行測試，比較有何異同。二、光纖熔接機的實驗步驟光纖熔接的基本步驟為：涂覆層的剝除、光纖頭的制備、光纖的連接。

19、1、制作光纖端面（1）用剝纖鉗剝除光纖涂覆層，預留裸纖長度為3040mm，用蘸酒精的脫脂棉或濾紙包住光纖，然后把光纖擦干凈；（2）確認光纖切割刀有刀片的滑動板在前面一端，打開大小壓板；（3）目測光纖涂覆層邊緣對準切割刀標尺上適當?shù)目潭群?，左手將光纖放入導向槽內(nèi)，要求裸纖筆直地放在左、右橡膠墊上；（4）合上小壓板、打壓板，推動裝置有刀片的滑板，是刀片滑切光纖下表面，并自由滑動至里一側，切斷光纖；（5）左手扶住切割刀，右手打開大壓板并取走光纖碎屑，放到固定的容器中；（6）用左手捏住光纖同時右手打開小壓板，仔細移開切好端面的光纖。2、熔接光纖（1）檢查電極，確認沒有安放光纖，兩放電電極被完好安放；連

20、接好電源后開機，使熔接機正常初始化；肉眼觀察放電電極，要求尖部沒有明顯損傷；清潔電極。（2）取兩小段待熔接的光纖，制作合格的光纖端面；依次掀開防風罩及光纖壓板，將兩端面分別放入V型載纖槽，放下光纖壓板，蓋上防風罩；按“TEST”鍵機器自動進行判斷端面質(zhì)量、間隙設置、粗校準、放電等動作，然后自動進行放電電流大小的修正；如果屏幕顯示“電流偏大”或“電流偏小”的信息，重復上述步驟，直到屏幕顯示“電流適中”，放電測試完成。（3）然后按“AUTO”鍵，熔接機進入按自動工作過程，如果出現(xiàn)“左/右端面不良”或“重裝光纖”信息，則需重做光纖端面；如果熔接完畢的光纖外表不齊即使估算損耗很低，也要重新熔接。（4）

21、熔接完畢后，把熱縮套管放在需要固定的位置，把光纖的熔接部位放在熱縮套管的正中央，打開加熱器壓板，將熱縮套管放入加熱器中；蓋上蓋板，按“HEAT”鍵，加熱指示燈亮后開始加熱；到設定加熱時間后，加熱指示燈自動停止加熱；稍等片刻待熱縮套管稍涼有一定硬度后，取出冷卻，熔接點保護完成。實 驗 結 果 及 分 析1、OTDR測量結果如下所示：通過觀察圖形可得光纖長度為：25.7653km，總損耗為：4.988dB,平均損耗為：0.194 dB/km。分析：2、光纖熔接思 考 題 解 答無討 論 與 結 論本次實驗在老師的操作和講解下成功的進行，使我們了解光時域反射計（OTDR）的工作原理，掌握使用光時域反

22、射計測量計算光纖長度、衰減、斷裂、總回損及熔接、連接器和總損耗等參數(shù)。掌握了光纖的正確熔接。實驗名稱綜合性實驗：光發(fā)射機功率及接收機靈敏度測試實驗儀器光纖通信收發(fā)機、誤碼率測試儀同組人實 驗 目 的1、熟悉平均發(fā)送光功率的概念。2、掌握平均發(fā)送功率的測試方法。3、熟悉光收端機靈敏度的概念，4、掌握光收端機靈敏度的測試方法。實 驗 原 理一、光發(fā)射機平均發(fā)送光功率的基本原理因為模擬信號與數(shù)字信號都是隨機的信號，輸出光功率的大小也不斷變化，所以光發(fā)端機的發(fā)送光功率大小通常是以平均值來衡量。單位時間內(nèi)發(fā)送光功率的平均值稱為平均發(fā)送光功率，以P來表示。單位是mW（絕對值）或分貝毫瓦（相對值）。 二、光

23、收端機靈敏度的基本原理光收端機的靈敏度是描述其準確檢測光信號能力的一種性能指標，它指的是為保證一定的誤碼率，光收端機所需接收的最小平均功率。也就是說光功率若再小，系統(tǒng)的性能就不能保證了。靈敏度的單位是dBm，可按 來換算（如1mW=0dBm）。靈敏度表示了光收端機接收微弱信號的能力，數(shù)值越小，靈敏度越高，系統(tǒng)性能越好。影響靈敏度的主要因素是各種噪聲，噪聲越大，靈敏度越差即靈敏度的數(shù)值越大。數(shù)字光收端機接口指標測試圖如下所示：實 驗 內(nèi) 容 與 步 驟一、平均光功率測試步驟1、用誤碼儀的碼型發(fā)生器自A點給數(shù)字光發(fā)端機送入偽隨機二進制序列作為測試信號。2、從光發(fā)端機輸出端連接器S中取出光纖插頭，用光纖跳線分別插入光發(fā)送輸出端連接器與光功率計連接