光通信實驗鄭

1、實驗一 LED光源I-P特性研究一、實驗?zāi)康模? 了解LED光源的發(fā)光機理。2 學(xué)習LED光源的光學(xué)特性和電學(xué)特性。二、實驗內(nèi)容與步驟：LED即發(fā)光二極管是靠PN 結(jié)附近的電子和空穴對的復(fù)合而進行自發(fā)輻射發(fā)光。當給發(fā)光二極管的 PN結(jié)加正向電壓時,外加電場將削弱內(nèi)建電場,使空間電荷區(qū)變窄,載流子的擴散運動加強,由于電子遷移率總是遠大于空穴的遷移率,因此，電子由N區(qū)擴散到P區(qū)是載流子擴散運動的主體。由半導(dǎo)體的能帶理論可知，當導(dǎo)帶中的電子與價帶中的空穴復(fù)合時，電子由高能級躍遷到低能級，電子將多余的能量與發(fā)射光子的形式釋放出來，產(chǎn)生電致發(fā)光現(xiàn)象。這就是LED的發(fā)光機理。本實驗儀采用的LED光源，其中

2、心波長為850nm。為獲得LED的驅(qū)動電流I與輸出光功率P之間的特性曲線，可按如下步驟進行測試：1、 取儀器配套的光纖一根，將其中一端與LED光源的插座相連，另一端與PIN探測器的插座相連。2、 接通電源，選擇模擬通信方式。光發(fā)射機顯示窗上示值為相對偏置電流值，單位為mA，光接收機顯示窗上示值為光功率當量。注：偏置電流值與光功率當量均為相對值，與真實數(shù)值成線性關(guān)系，但并非真實數(shù)值，且儀器不同可能示值稍有差別。且由于光探測器有一直流偏置，即使沒有光輸入時光功率當量窗口仍然有顯示（164左右），數(shù)據(jù)處理時可將此數(shù)值減去。3、 調(diào)節(jié)光發(fā)射機的“輸入”至“MIC”檔位，調(diào)節(jié)“調(diào)制”至“DIM”檔位。4

3、、 調(diào)節(jié)光接收機的“模擬”至“DIM”檔位（僅在此檔位光功率計示值有效）。5、 調(diào)節(jié)光發(fā)射機上的偏置電流調(diào)節(jié)按鍵（上三角鍵和下三角鍵），從0開始逐漸加大驅(qū)動電流，觀察接收機上光功率變化，至變化不明顯為止。6、 選擇實驗起點，每次變化1mA，對應(yīng)記下響應(yīng)光功率當量。7、 將所得到的數(shù)據(jù)電流作為橫坐標，光功率當量作為縱坐標，既得到類似下圖所示的LED驅(qū)動電流I與光功率輸出P的關(guān)系曲線。三、思考題：1 分析實驗數(shù)據(jù)，敘述LED光源的I-P特性曲線的特點。2 若用此器件傳輸信號，應(yīng)如何選擇合適的靜態(tài)工作點，信號的幅度應(yīng)控制在怎樣的范圍內(nèi)？實驗二 LD光源I-P特性研究一、實驗?zāi)康模? 了解LD光源的光

4、源的發(fā)光機理。2 學(xué)習LD光源的光學(xué)特性和電學(xué)特性。二、實驗內(nèi)容及步驟：半導(dǎo)體激光器LD發(fā)光有三個條件：受激輻射、粒子束反轉(zhuǎn)、諧振腔。受激輻射是在外來光影響下產(chǎn)生的，處于高能級上的原子在外來一個頻率為的光子激勵下，由高能級向低能級躍遷。受激輻射產(chǎn)生的光子與外來光子具有完全相同的特征，即它們的頻率、相位、振動方向和傳播方向均相同，因而，受激輻射發(fā)出的光是相干光。在外來一個光子作用下，最終可得到許多全同光子，這種現(xiàn)象稱為光放大。受激吸收是受激輻射的逆過程，要使激光物質(zhì)能對光進行放大，必須使物質(zhì)中受激輻射大于受激吸收，此時物質(zhì)中原子數(shù)出現(xiàn)反轉(zhuǎn)分布，即高能級上的粒子數(shù)多于低能級上的粒子數(shù)，這種現(xiàn)象稱為

5、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。光通過粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的激活物質(zhì)，發(fā)生受激放大作用。但此時還沒有形成一定的振蕩方式，為此必須由一個光學(xué)諧振腔，才能實現(xiàn)真正的激光作用。諧振腔的作用，一方面是使一些滿足諧振條件的光，在往返多次振蕩中得到放大；同時也使那些不能滿足諧振條件的光在往返中逐漸消失，從而得到一定振蕩模式的激光輸出。因此，半導(dǎo)體激光器是利用在有源區(qū)中受激而發(fā)光的光器件。只有在工作電流超過閾值電流的情況下，才會輸出激光，因而是有閾值的器件。本實驗儀采用的LD光源，其中心波長為650nm。為獲得LED的驅(qū)動電流I與輸出光功率P之間的特性曲線，可按如下步驟進行測試：1、 取儀器配套的帶調(diào)節(jié)架的光源和探測器一套，分別與光

6、發(fā)射機、光接收機相連。2、 接通電源，選擇模擬通信方式。光發(fā)射機顯示窗上示值為相對偏置電流值，單位為mA，光接收機顯示窗上示值為光功率當量。3、 調(diào)節(jié)光發(fā)射機的“輸入”至“MIC檔位，調(diào)節(jié)“調(diào)制”至“DIM”檔位。4、 調(diào)節(jié)光接收機的“模擬”至“DIM”檔位（僅在此檔位光功率計示值有效）。5、 調(diào)節(jié)光發(fā)射機上的偏置電流調(diào)節(jié)按鍵（上三角鍵和下三角鍵），從0開始逐漸加大驅(qū)動電流，觀察接收機上光功率變化，至變化不明顯為止。6、 選擇合適亮度，調(diào)節(jié)金屬調(diào)節(jié)架上的調(diào)節(jié)旋鈕，使激光束對準探測器。7、 選擇實驗起點，每次變化1mA，對應(yīng)記下響應(yīng)光功率當量。8、 將所得到的數(shù)據(jù)電流作為橫坐標，光功率當量作為縱

7、坐標，既得到類似下圖所示的LED驅(qū)動電流I與光功率輸出P的關(guān)系曲線。三、思考題：1 分析實驗數(shù)據(jù)，敘述LD光源的I-P特性曲線的特點。2 若用此器件傳輸信號，應(yīng)如何選擇合適的靜態(tài)工作點，信號的幅度應(yīng)控制在怎樣的范圍內(nèi)？3與LED光源I-P特性曲線相比，LD光源有哪些優(yōu)點和缺點。實驗三 語音信號的傳輸一、 實驗?zāi)康模? 了解語音信號通信的有關(guān)知識；2 學(xué)習語音信號的光纖及激光的傳輸方式。二、實驗步驟：按如下步驟進行測試：1、 儀器配套的光纖一根，將其中一端與LED光源的插座相連，另一端與PIN探測器的插座相連；或取儀器配套帶調(diào)節(jié)架的LD光源和探測器。2、 將儀器配套的麥克連接至音頻輸入端子（也可

8、自加音頻輸入設(shè)備）。3、 接通電源，選擇模擬通信方式。4、 通過儀器后面版上的切換開關(guān)，選擇通信方式（空間激光通信或光纖通信）。5、 調(diào)節(jié)光發(fā)射機的“輸入”至“MIC”，調(diào)節(jié)“調(diào)制”至“DIM”檔位。6、 調(diào)節(jié)光接收機的“模擬”至“MIC”檔位。7、 用示波器觀察光發(fā)射機TP1，確定音頻信號幅度。8、 根據(jù)實驗一、實驗二的結(jié)果，調(diào)節(jié)光發(fā)射機上的偏置電流調(diào)節(jié)按鍵，選擇合適的靜態(tài)工作點。9、 用示波器觀察光發(fā)射機TP6、TP8，觀察經(jīng)驅(qū)動電路調(diào)制后音頻信號波形。10、用示波器觀察光接收機TP1、TP2，觀察經(jīng)傳輸線路（光纖或空間）傳輸后音頻信號波形。11、調(diào)節(jié)音量調(diào)節(jié)旋鈕，選擇合適音量注：由于探測

9、器端放大倍數(shù)極大，所以如果音量過大可能會造成揚聲器驅(qū)動電路自激，此時揚聲器有嘯聲，調(diào)節(jié)音量旋鈕即可極大程度消除嘯聲。實驗四 空間激光通信的干擾、竊聽一、實驗?zāi)康模? 了解激光通信的有關(guān)知識；2 學(xué)習LD光源的基本調(diào)節(jié)方法和步驟。二、實驗步驟：本實驗屬于實驗三的增強型實驗，只需要簡單的分束鏡就可實現(xiàn)激光通信的竊聽，加深對學(xué)生對空間激光通信的理解?？勺鳛榛A(chǔ)實驗，也可作為表演實驗。可按如下步驟操作：1、 在實驗三的基礎(chǔ)上，選擇空間激光通信組件。2、 將分束鏡插入通信激光束中，從中即可分出一束激光，而且對原通信質(zhì)量影響不大。注：分束鏡為普通玻璃，每個端面菲涅爾反射為3%左右。3、 來回轉(zhuǎn)動分束鏡或插

10、入一塊毛玻璃，則通信質(zhì)量會受到明顯干擾。4、使用另一臺光通信實驗系統(tǒng)的光接收機（或仍使用原接收機），將探測器對準竊出的激光束，調(diào)節(jié)合適音量，即可實現(xiàn)竊聽。實驗五 視頻信號的光纖傳輸實驗一、 實驗?zāi)康模? 學(xué)習全電視信號的組成；2 學(xué)習視頻信號的光纖傳輸。二、實驗內(nèi)容及步驟：在光通信實驗系統(tǒng)中，使用CCD攝像頭作為視頻信號的輸入設(shè)備。實際上發(fā)送端產(chǎn)生并發(fā)送的是一個復(fù)合視頻圖像信號全電視信號，它包括三個部分：行消隱信號的作用是消除水平回掃線，場消隱信號的作用是消除豎直方向上的回掃線；行同步信號使顯像管和攝像頭中的行掃描同步，場同步信號使顯像管和攝像頭中的場掃描同步。全電視信號的波形如圖a所示。圖中

11、第一排表示一幅畫面的全電視信號，第二排是行掃描鋸齒波電流波形，第三排是場掃描鋸齒波電流波形。同步信號電平為100%，消隱電平（黑色電平）為75%，白色電平為12.5%；黑色電平和白色電平之間為灰色電平，圖像信號的電平在此范圍內(nèi)。圖b是將圖a的一部分放大來看。圖中，是一行時間內(nèi)的視頻圖像信號，它攜帶著一行的圖像信息，出現(xiàn)在行掃描的正程時間內(nèi)；是行消隱信號，其脈沖寬度為12s，出現(xiàn)在行掃描的逆程時間內(nèi)；是場掃描信號，其脈沖寬度為1.6ms，占有25行時間，它出現(xiàn)在場掃描的逆程時間內(nèi)；是行同步信號，脈沖寬度4.7s；是場同步信號，脈沖寬度為0.16ms。圖b. 全電視信號實驗步驟如下：1、取儀器配套

12、的光纖一根，將其中一端與LED光源的插座相連，另一端與PIN探測器的插座相連。2、取儀器普通的視頻線2根，分別連接攝像頭與光發(fā)射機的視頻輸入端子、顯示器與光接收機的視頻輸出端子。3、接通攝像頭、顯示器、主機電源，按下發(fā)射機與接收機的“VIDEO”。4、通過儀器后面版上的切換開關(guān)，選擇光纖通信方式。5、將示波器撥至視頻檔位（多數(shù)示波器有此檔位），觀察光發(fā)射機TP7、 TP8，此時示波器顯示為視頻信號。 6、 觀察光接收機的TP8波形，比較與發(fā)射機有何不同。7、 錄觀察到的視頻信號的大體形狀，并指出各部分名稱。三、思考題：1行消隱和場消隱信號的作用是什么，沒有會怎樣？2行同步和場同步信號的作用是什

13、么，若發(fā)射與接收不同步，圖像會怎樣變化？3若一幅畫面的信號數(shù)為400×625個，為了保證活動圖像的連續(xù)性，每秒應(yīng)送出25幅畫面，則視頻信號的頻率范圍是多少。（答案6.25兆）4全電視信號的高頻和低頻部分分別傳送的是圖像的哪些部分。（答案高頻傳送細節(jié)，低頻傳送大面積圖像）實驗六 模擬信號的脈沖頻率調(diào)制(PFM)傳輸一、實驗?zāi)康模? 掌握脈沖頻率調(diào)制的基本原理；2 學(xué)習模擬信號的脈沖頻率調(diào)制及光纖傳輸。二、實驗內(nèi)容：本節(jié)的主要內(nèi)容是掌握脈沖頻率調(diào)制的實驗原理和實驗電路。脈沖頻率調(diào)制的特點是：脈沖序列的幅度維持不變，而脈沖的頻率隨外加低頻信號的變化而改變。輸出脈沖頻率與中心頻率的變化量與輸

14、入信號的幅度成正比，為了實現(xiàn)對外加信號所包含信息的調(diào)制，我們必須將中心頻率設(shè)置至少大于輸入信號的最高頻率兩倍以上，本實驗設(shè)置為50kHz左右。脈沖頻率調(diào)制的專用電路，利用其輸出方波頻率受輸入電壓控制實現(xiàn)脈沖頻率調(diào)制，使輸出方波的信號頻率受到輸入信號的調(diào)制。脈沖頻率調(diào)制解調(diào)方案為，將輸入的脈沖頻率信號倍頻，將信號的頻譜搬運到2倍頻處，通過低通濾波便可實現(xiàn)脈沖頻率信號的解調(diào)，恢復(fù)出原始信號。實驗步驟：1、 將信號設(shè)置到正弦波輸入狀態(tài)，選擇調(diào)制方式為PFM，觀察輸入波形和調(diào)制輸出波形；2、正確設(shè)置好LED的驅(qū)動電流，觀察LED光源兩端的調(diào)制波形；3、連結(jié)好傳輸光纖，在接收端將解調(diào)方式選擇為PFM；4

15、、在此調(diào)節(jié)輸入端的LED光源驅(qū)動電流大小，觀察并紀錄解調(diào)輸入和解調(diào)輸出波形。實驗七 模擬信號的脈沖寬度調(diào)制(PWM)傳輸一、實驗?zāi)康模? 掌握脈沖寬度調(diào)制及解調(diào)的基本原理；2 學(xué)習模擬信號的脈沖寬度調(diào)制及光纖傳輸。二、實驗內(nèi)容及步驟：脈沖寬度調(diào)制（PWM）像調(diào)幅和調(diào)頻一樣可用于低頻信號的調(diào)制傳輸。PWM的特點是：載波脈沖信號的頻率和幅度維持不變，而脈沖的寬度隨外加低頻信號的變化而改變。脈沖寬度調(diào)制器的作用就是實現(xiàn)上述變化，將輸入的模擬信號變成一序列的寬度不等的脈沖信號。脈沖信號的傳輸相對模擬信號而言有利于減少噪聲的干擾和防止信號的畸變，而且脈沖信號容易的恢復(fù)和中繼。由于噪聲和干擾的存在，脈沖信

16、號容易受到破壞而導(dǎo)致失真變形，但即使這樣的信號也很容易重新觸發(fā)產(chǎn)生新的脈沖序列信號，進行下次傳輸。脈沖寬度調(diào)制其包含一個振蕩器（產(chǎn)生頻率不變的方波載波信號）和脈寬控制器（施密特觸發(fā)器或單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器）。外加的模擬信號控制脈寬控制器改變脈沖的寬度，將模擬信號包含的信息編入到脈沖序列中進行傳輸。本實驗的實驗電路由一片雙時基集成電路NE556構(gòu)成，分別用于構(gòu)成振蕩器(a)和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(b)。下圖給出了脈沖寬度調(diào)制器的原理電路。圖b 脈沖寬度調(diào)制器的實驗電路由圖b分析該脈沖寬度調(diào)制器的各部分功能。載波振蕩器由電阻R6、R7和C12組成。電阻R6、R7和C12決定的充電時間t1，而電阻R7和C12決定放

17、電時間t2，他們之間的關(guān)系如下：t1=0.693（R6+R7）C12t2=0.693R7C12周期T和頻率f可分別由下式來計算：T= t1+ t2=0.693（R6+2R7）C12F=1/T=1.44/（R6+2R7）C12 T1該脈沖信號的占空比通常用百分數(shù)來表示，可由下式計算：T2D(in %)=/(T1+T2) 阻容元件R1和C1決定了脈寬控制器輸出的脈沖寬度。模擬信號從3腳輸入從5腳輸出。圖c給出了輸入為正弦信號的調(diào)制波形。圖c 輸入為正弦信號的調(diào)制波形 在實驗開始需調(diào)節(jié)好脈沖寬度調(diào)制器的發(fā)射機，并用光纖將發(fā)射機和接收機連接完畢。 圖d給出的是接收機的原理電路圖。從光電二極管接受到的光

18、信號被轉(zhuǎn)化為電信號送入前級放大器進行放大。放大后的信號送入有源帶阻濾波器，它的中心頻率是發(fā)射機的載波頻率，由電阻R2和R5進行調(diào)諧。該濾波器對輸入的載波信號提供大于40dB的衰減。圖d 脈沖寬度解調(diào)電路由帶阻濾波器的輸出信號被送入由R7和C12組成的低通濾波器進一步衰減載波信號。放大器C主要提供對低頻模擬信號的放大，但電容C12也提供了對載波信號的衰減。實驗步驟如下：1、選擇輸入波形為正弦波，選擇調(diào)制方式為PWM（脈沖寬度調(diào)制），用示波器觀察調(diào)制輸入和調(diào)制輸出波形；2、正確設(shè)置好LED的驅(qū)動電流，觀察LED光源兩端的調(diào)制波形；3、連結(jié)好傳輸光纖，在接收端將解調(diào)方式選擇為PWM；4、，觀察并紀錄

19、解調(diào)輸入和解調(diào)輸出波形。三、思考題：1在脈沖寬度調(diào)制實驗中，振蕩器的工作頻率應(yīng) （高于/低于）脈寬控制器的頻率。2PWM實驗中，載波頻率由 決定。3PWM實驗中，振蕩器的輸出脈沖幅度是由 決定的。4連接發(fā)射機和接收機的光纖長度變化對載波信號的幅度將產(chǎn)生什么影響？5接收機的增益調(diào)節(jié)可以如何實現(xiàn)？實驗八 數(shù)字信號基帶傳輸一、 實驗?zāi)康模毫私鈹?shù)字信號基帶傳輸特性。二、實驗內(nèi)容及步驟：“0”和長連“1”的情況。圖a 時鐘產(chǎn)生電路原理圖圖b 偽隨機碼發(fā)生器原理圖時鐘信號是光通信實驗系統(tǒng)中數(shù)字通信部分的重要部分，以上是本機時鐘產(chǎn)生電路的原理圖。輸出波形如下：實驗步驟如下：1、 儀器配套的光纖一根，將其中一

20、端與LED光源的插座相連，另一端與PIN探測器的插座相連。2、 通電源，選擇數(shù)字通信方式（ANA/DIG按下狀態(tài)）。3、 通過儀器后面版上的切換開關(guān)，選擇通信方式為光纖通信。4、 通過“數(shù)字”按鍵選擇“DAT”檔位，此時光發(fā)射機發(fā)出的為偽隨機碼。5、 用示波器觀察光發(fā)射機TP5 輸出系統(tǒng)時鐘信號并測量其頻率。6、 用示波器觀察光發(fā)射機 TP6輸出的偽隨機碼并測量其頻率。7、 用示波器觀察接收機 TP1輸出的偽隨機碼并與發(fā)射端比較，觀察變化。三、思考題：1 與模擬通信方式比較，數(shù)字通信的優(yōu)點有哪些？2 分析時鐘產(chǎn)生電路原理。3. 分析偽隨機碼發(fā)生器原理。實驗九 數(shù)字編碼傳輸實驗一、實驗?zāi)康模毫私?/p>

21、數(shù)字編碼傳輸?shù)姆椒ǘ嶒瀮?nèi)容及步驟：實際應(yīng)用的光纖數(shù)字傳輸系統(tǒng)絕大多數(shù)都是將信號進行編碼傳輸?shù)?，接口碼型從我國所采用的數(shù)字通信標準制式來看有兩種，即HDB3碼（High Density Bipolar Codes三階高密度雙極性碼）和CMI碼（Coded Mark Inversion傳號反轉(zhuǎn)碼）。本實驗系統(tǒng)所采用的線路碼型為CMI碼，其編碼原則為“1”交替用“00”和“11”表示，而“0”固定用“01”表示。CMI碼的特點是：編譯碼電路簡單，便于設(shè)計和調(diào)試；CMI碼功率譜中的直流分量恒定，最大連“0”和連“1”數(shù)都是3個，便于定時提?。痪哂姓`碼監(jiān)測功能CMI碼的速率是編碼前信號速率的兩倍。由于CMI具有以上特點CCITT（國際電話與電報顧問委員會）建議，在速率低于8448kb/s的光纖數(shù)字傳輸系統(tǒng)中作為線路傳輸碼型?；贑MI編碼規(guī)則，本機編碼原理圖如下：圖a CMI編碼電