RZ8634F新光纤通信四川大学Word文档格式.docx
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1.电话用户接口模块
此模块为电话输入、输出接口,由电话专用接口芯片PBL38710实现。
它包含向用户话机恒流馈电、向被叫用户话机馈送铃流、用户摘机后自行截除铃流,摘挂机的检测及音频或脉冲信号的识别,用户线是否有话机的识别,语音信号的2/4线混合转换,外接振铃继电器驱动输出等功能。
其各项性能指标符合邮电部制定的有关标准。
本模块分为用户A,B两个模块。
2.PCM编译码模块
此模块采用专用芯片TP3057来实现PCM编译码功能,可完成用户A、B两路话音信号的编译码功能。
3.DTMF双音多频检测模块
此模块由专用芯片MT8870来完成DTMF分组滤波和DTMF译码功能,输出相应16种DTMF频率组合的4位并行二进制码。
实际应用中,一片MT8870可以至多接入检测16路用户电路的DTMF信号。
4.记发器模块
此模块主要完成局内、局间电话用户拨叫号码的识别、交换控制功能。
5.计算机通信接口模块
此模块由USB和RS232串口两通信接口组成,完成计算机与本实验系统的数据交换传输功能。
也为学生开发上层通信软件提供了良好的硬件平台。
6.数据发送单元模块
此模块主要完成各种测试信号的产生、各种线路编码、数据的复接及一些辅助性功能。
产生的数字信号有:
各种频率的时钟、方波、M序列、矩形窄脉冲等、
线路编码功能有:
AMI码、HDB3码、CMI码、5B6B码、5B1P码、扰码等
数据的复接:
多种类型数据进行时分复接输出
7.数据接收单元模块
此模块主要完成接收数据的时钟提取再生、各种线路编码的译码、复用数据的分解及一些辅助性功能。
8.眼图观测模块
此模块主要完成调节接收电路均衡特性、接收数字序列的眼图观测等功能。
9.误码测试仪模块
此功能由多个模块组成,完成通信线路的误码测试功能,各测试参数可设。
10.模拟信号源模块
此模块产生输出频率、幅度可调的正弦波、三角波、方波信号
(二)光通信模块
1.光信道一
一体化数字光端机,包括光发射端机和光接收端机。
半导体激光二极管LD、工作波长1310nm,频带为DC到5MHZ,方便配套低端测量仪器使用。
光端机的光输入、输出接口都由单模尾纤引出至固定于底板的法兰,方便连接其它光器件。
2.光信道二
半导体激光二极管LD、工作波长1550nm,频带为DC到5MHZ,方便配套低端测量仪器使用。
3.性能测试扩展模块
由激光管、光探测器及外围电路,构成的光发射端机和光接收端机,关键电气参数都可调节。
可传输模拟和数字信号,具有无光告警、自动功率控制APC等功能。
激光管工作波长可选择,频带为DC到1GHZ。
本模块为选配。
(三)管理控制模块
1.中央处理器模块
此模块主要由单片机89C51/52编程实现。
完成整个实验系统的控制协调功能,如测量信号的输入、输出控制、功能选择、工作状态检测等。
2.液晶显示模块
此模块主要完成工作状态的显示,误码测试数据的显示等功能,属字符型液晶。
3.键盘模块
此模块主要配合液晶显示模块工作,通过上、下、确认等键选择相应的实验参数。
(四)电源供给模块
提供+12V、+5V、+3.3V、-5V、-12V、-24V-48V等直流电源。
二、配套仪器
最低配置仪器:
20M通用双踪示波器或虚拟仪器,单模尾纤
建议配置器件:
计算机;
光功率计、多种接口标准的光跳线(法兰)、波分复用/解复用器一对、光可调衰减器、光固定衰减器、光分路器、光隔离器等,根据学校情况选配(会影响一些光器件的测试实验);
可选配仪器:
①外置误码测试仪
②光缆施工工具箱、光纤熔接机、稳定光源、光时域反射仪等。
三、系统结构框图
请见图1
电源
模块
图1系统结构示意图
四、系统特点
1.采用模块化设计,信号接口开放。
各模块功能既可单独做实验又可组合完成系统实验。
2.自带数字信号源、模拟信号源,可外加信号,配有计算机串口、USB接口。
适应各种实验需求。
3.采用液晶键盘显示管理实验参数,取代原有的接插件,实验方便直观。
4.电端机部分功能强大,电话交换系统,多种线路编码,完善的数字时分复接系统,功能可定制升级。
5.电信号、光信号均由实验者连接。
光输入、输出接口设计朝外,方便连接其它光器件。
6.整板采用有机玻璃覆盖保护,便于实验室管理。
五、液晶显示菜单
本实验系统中,实验数据设置的菜单显示如下。
按“”、“”键即可选择不同的菜单;
按“确认”键,即进入箭头指向的下一级菜单;
按“返回”键,即返回上一级菜单,如此类推。
详细菜单显示如下:
“复位”键:
欢迎使用
光纤通信系统平台
解放军理工大学
南京润众科技公司
“开始”键:
1:
码型变换实验
2:
光纤传输实验
3:
光纤测量实验
4:
光纤系统实验
子菜单:
01CMI码PN(固定码型、速率的m序列,下同)
02CMI码设置(由SW101拨码器设置的8比特数据,下同)
035B1C码设置
045B6B码设置
05扰码PN
06扰码设置
07HDB3码PN
08HDB3码设置
09AMI码PN
0AAMI码设置
01窄脉冲(频率256K,脉宽:
15ns)
02USB数据
03串口数据
04PCM数据(A/D转换)
05E1数据传输(标准的2.048MHZ数据)
01平均发光功率
02接收灵敏度
正常/误码
03误码0/10000
收数据:
误码数:
04误码1/10000
光纤系统实验(数字复接系统)
时隙1
时隙2
时隙3
时隙4
时隙5
时隙6
时隙7
时隙8
帧头
PCM1
PCM2
空
设置
信令
数据
六、使用注意点
1.进行铆孔连接时,务必注意铆孔标注的箭头方向:
指向铆孔,说明此铆孔为信号输入孔;
背离铆孔,说明此铆孔为信号输出孔。
请勿将两输出铆孔短接。
2.进行铆孔连接时,连接线接头插入铆孔后,轻轻旋转一个小角度,接头将和铆孔锁死;
拔出时,回转一个小角度即可轻松拔出,切勿使用莽力,以免插头针断在铆孔中。
使用方法可参考光盘中的影象片段。
3.光器件连接:
在摘掉光接口保护套前,请确保实验台板面清洁,注意收集好接口保护套;
光接头连接时,请预先了解接头的结构,手持接头金属部分,按接口的轴线方向轻插轻拔,防止损坏纤芯;
4.使用光纤时,注意不要过度弯曲(直径不得小于4cm)、扭曲、挤压或拉扯光纤。
因为纤芯玻璃细纤维,非常的脆弱,使用时请务必注意。
纤芯断开或出现伤痕,光信号的功率将严重衰耗,出现断路或增加误码。
5.数据发送单元的SW101红色拨码器,有8位独立的开关组合。
白色开关往上,对应的输出序列为1;
白色开关往下,对应的输出序列为0。
设置时需轻轻拨动。
6.若不作特殊说明,本实验平台输出的串行数字序列,低位在前,高位在后。
在示波器上观测到的波形即低位在窗口的左端,高位在窗口的右端。
第一章光纤通信认知实验
实验1光纤、光缆的识别实验
一、实验目的
1.了解光纤结构和分类;
2.掌握单模、多模光纤的识别方法;
3.掌握尾纤波长的测试方法。
二、实验仪器
1.光纤通信实验箱
2.单模光纤
3.多模光纤
三、基本原理
(一)光纤的概念
光纤是光学纤维的简称,它是一种横截面很小的可绕透明长丝,在长距离内具有束缚和传输光的作用。
图1.1.1是光纤结构示意图。
从图中可以看出,一般的光纤都是由纤芯、包层和外套涂敷层三部分组成。
纤心由高度透明的材料制成;
包层的折射率略小于纤心,从而造成一种光波导效应,使大部分的电磁场被束缚在纤心中传输;
涂敷层作为光纤的保护层,用于抵制外界水气的侵蚀和机械的擦伤,同时加强光纤的机械强度。
在涂层外,往往加有塑料外套。
纤芯区
图1.1.1光纤结构示意图
为了便于工程上的安装和敷设,常常将若干根光纤组合成光缆。
光缆的结构繁多,我国较为普遍采用层绞式和骨架式两种结构。
光缆中的钢质加强心,一方面是为了提高其抵抗张力的能力;
另一方面由于钢质心的热膨胀系数小于塑料,所以它能抵制塑料的伸缩从而使光缆的温度特性有所改善。
见图1.1.2层绞式光缆结构。
外护套
包带
光纤
加强心
图1.1.2层绞式光缆结构
(二)光纤的分类
光纤有很多种分类方法。
按其传输光波的模式的数量来分,有单模光纤与多模光纤两大类。
它们的结构不同,因而各具不同的特性与用途。
在一定工作波长下,多模光纤是能够传输许多模式的介质波导,而单模光纤只传输基模。
1.多模光纤
用来传输多种模式光波的光纤称为多模光纤,模式的数目取决于芯径、数值孔径(接
收角)、折射率分布特性和波长。
将单模光纤的纤芯增大,光纤将成为多模光纤。
多模光纤的纤芯直径远远大于单模光纤,一般为50-200μm。
在临界角内,各个模式的入射光波
分别以不同角度,在光纤内的纤芯与包层的的界面处发生全反射而沿光纤传输。
突变型多模光纤的纤芯部分折射率保持不变,而在纤芯与包层的界面折射率发生突变。
这种光纤模间群时延时差大,一般传输带宽为100MHz•Km。
常做成大芯径(例如100μm)、大数值孔径(例如NA大于0.3)光纤,提高光源与光纤的耦合效率,适用于短距离、小容量的系统。
这种光纤的使用相当广泛。
用来传输单一基模光波的光纤称为单模光纤,它要求入射光的波长大于光纤的截止波长,单模光纤的纤芯直径很小,一般为5-10μm。
单模光纤对于光的传输损耗将是最小的,因为光场只在光纤的中心传导。
但是由于纤芯直径很小,对于光纤与光源的耦合及光纤之间的接续将带来明显困难。
单模光纤可彻底消除模间色散,在波长为1.27μm时,材料色散趋近于零,或者可以使得材料色散与波导色散相抵消。
因此,长距离大容量的长途通信干线及跨洋海底光缆线路全部采用单模光纤。
由于1.55μm波长时单模光纤的损耗更低,人们已研究了使光纤的零色散波长移到1.55μm的技术和使激光器(LD)的频谱更窄的技术,以求同时达到最低的损耗及最宽的带宽,从而最大限度地增大中继距离及信息容量。
3.识别单模光纤与多模光纤的方法
识别单模光纤与多模光纤的基本方法是从光纤的产品规格代号中去了解。
如我国光纤光缆型号的规格代号的第二部分用J代表多模渐变型光纤,用T代表多模阶跃型光纤,用Z代表多模准阶跃型光纤,用D代表单模光纤。
其次是从光纤的纤芯直径去识别。
单模光纤的芯径很细,通常芯径小于10μm;
多模光纤的芯径比单模光纤大几倍。
第三种方法是从光纤外套的颜色上识别。
通常黄色和白色表示单模光纤,橙色表示多模光纤。
本实验系统配置的光纤外套是黄色的和白色的为单模。
4.尾纤波长的测试
光纤线路的两端一般是通过一段短光纤把线路与光端机连接起来的。
这一段短光纤长度为3米或5米、10米,因其位置处于光纤线路的尾部,故常称为尾纤。
尾纤的传输特性有工作波长、信号传输模式、带宽与损耗等,通常这些通过光纤光缆的型号标志来识别,也可以用仪表来测试。
每种光纤都有特定的工作波长,当注入光信号的波长等于工作波长时,光纤损耗最小,反之光纤损耗增大。
因此把不同波长的光信号注入光纤,测量光纤损耗,当光纤损耗最小时,该光信号的波长即为尾纤的工作波长。
(三)一般成品光纤的主要参数
1.光纤的纤芯折射率分布
纤芯折射率分布一般分为两类,即梯度型和阶跃型。
阶跃型:
光纤的纤芯折射率高于包层折射率,使得输入的光能在纤芯一包层交界面上不断产生全反射而前进。
这种光纤纤芯的折射率是均匀的,包层的折射率稍低一些。
光纤中心芯到玻璃包层的折射率是突变的,只有一个台阶,所以称为阶跃型折射率多模光纤,简称阶跃光纤,也称突变光纤。
这种光纤的传输模式很多,各种模式的传输路径不一样,经传输后到达终点的时间也不相同,因而产生时延差,使光脉冲受到展宽。
所以这种光纤的模间色散高,传输频带不宽,传输速率不能太高,用于通信不够理想,只适用于短途低速通讯,比如:
工控。
但单模光纤由于模间色散很小,所以单模光纤都采用突变型。
渐变型光纤:
为了解决阶跃光纤存在的弊端,人们又研制、开发了渐变折射率多模光纤,简称渐变光纤。
光纤中心芯到玻璃包层的折射率是逐渐变小,可使高次模的光按正弦形式传播,这能减少模间色散,提高光纤带宽,增加传输距离,但成本较高,现在的多模光纤多为渐变型光纤。
渐变光纤的包层折射率分布与阶跃光纤一样,为均匀的。
渐变光纤的纤芯折射率中心最大,沿纤芯半径方向逐渐减小。
由于高次模和低次模的光线分别在不同的折射率层界面上按折射定律产生折射,进入低折射率层中去,因此,光的行进方向与光纤轴方向所形成的角度将逐渐变小。
同样的过程不断发生,直至光在某一折射率层产生全反射,使光改变方向,朝中心较高的折射率层行进。
这时,光的行进方向与光纤轴方向所构成的角度,在各折射率层中每折射一次,其值就增大一次,最后达到中心折射率最大的地方。
在这以后。
和上述完全相同的过程不断重复进行,由此实现了光波的传输。
可以看出,光在渐变光纤中会自觉地进行调整,从而最终到达目的地,这叫做自聚焦。
2.光纤的尺寸
一般光纤的外径是125μm,单模光纤纤芯芯径是9-10μm,多模光纤的纤芯芯径是40-50μm,同心度偏差1-5μm,这是对于光纤通信所用光纤的尺寸。
3.光纤的传播损耗
引起光纤损耗的原因主要有四方面:
(1)光纤的吸收损耗,这是由于光纤材料和杂质对光能的吸收而引起的,它们把光能以热能的形式消耗于光纤中,是光纤损耗中重要的损耗,吸收损耗包括以下几种:
1.物质本征吸收损耗这是由于物质固有的吸收引起的损耗。
它有两个频带,一个在近红外的8~12μm区域里,这个波段的本征吸收是由于振动。
另一个物质固有吸收带在紫外波段,吸收很强时,它的尾巴会拖到0.7~1.1μm波段里去。
2.掺杂剂和杂质离子引起的吸收损耗光纤材料中含有跃迁金属如铁、铜、铬等,它们有各自的吸收峰和吸收带并随它们价态不同而不同。
由跃迁金属离子吸收引起的光纤损耗取决于它们的浓度。
另外,OH-存在也产生吸收损耗,OH-的基本吸收极峰在2.7μm附近,吸收带在0.5~1.0μm范围。
对于纯石英光纤,杂质引起的损耗影响可以不考虑。
3.原子缺陷吸收损耗光纤材料由于受热或强烈的辐射,它会受激而产生原子的缺陷,造成对光的吸收,产生损耗,但一般情况下这种影响很小。
(2)光纤的散射损耗
光纤内部的散射,会减小传输的功率,产生损耗。
散射中最重要的是瑞利散射,它是由光纤材料内部的密度和成份变化而引起的。
光纤材料在加热过程中,由于热骚动,使原子得到的压缩性不均匀,使物质的密度不均匀,进而使折射率不均匀。
这种不均匀在冷却过程中被固定下来,它的尺寸比光波波长要小。
光在传输时遇到这些比光波波长小,带有随机起伏的不均匀物质时,改变了传输方向,产生散射,引起损耗。
另外,光纤中含有的氧化物浓度不均匀以及掺杂不均匀也会引起散射,产生损耗。
(3)波导散射损耗
这是由于交界面随机的畸变或粗糙所产生的散射,实际上它是由表面畸变或粗糙所引起的模式转换或模式耦合。
一种模式由于交界面的起伏,会产生其他传输模式和辐射模式。
由于在光纤中传输的各种模式衰减不同,在长距离的模式变换过程中,衰减小的模式变成衰减大的模式,连续的变换和反变换后,虽然各模式的损失会平衡起来,但模式总体产生额外的损耗,即由于模式的转换产生了附加损耗,这种附加的损耗就是波导散射损耗。
要降低这种损耗,就要提高光纤制造工艺。
对于拉得好或质量高的光纤,基本上可以忽略这种损耗。
(4)光纤弯曲产生的辐射损耗
光纤是柔软的,可以弯曲,可是弯曲到一定程度后,光纤虽然可以导光,但会使光的传输途径改变。
由传输模转换为辐射模,使一部分光能渗透到包层中或穿过包层成为辐射模向外泄漏损失掉,从而产生损耗。
当弯曲半径大于5~10cm时,由弯曲造成的损耗可以忽略。
4.数值孔径
入射光纤端面的光并不能全部被光纤所传输,只是在某个角度范围内的入射光才可以。
这个角度就称为光纤的数值孔径。
数值孔径是描述光纤受光程度的参数,通常用光从空气入射到纤芯允许的最大入射角的正弦值来描述。
5.带宽
带宽是光纤的一个重要参数,它使渐变型光纤像一个低通滤波器一样,对光发射机的功率调制产生影响。
它使光纤的传输函数的大小随调制频率升高而减小,而在整个频谱内的相关相位失真保持很小。
为计算方便,这种频响可以近似为一个等效的高斯低通滤波器,最高带宽仅可能在某一个波长上发生,对于其它波长,带宽将减少下来,那带宽是波长的函数。
其低通滤波器的截止频率与玻璃组成材料及剖面折射率分布有关。
6.有效截止波长
这是描述单模光纤的一个重要参数。
它表明,在单模光纤的波长域中仅可以传播的模,所谓截止波长是指基模。
测量有效截止波长的方法有多种,一般采用挠曲法,在这种方法中,首先将一段光纤在直线状态下测量一下损耗;
然后在弯曲状态下测量损耗。
这样可以推算出由于弯曲增加的衰耗,而有效截止波长就是这样定义的,在截止波长下由于弯曲增加的损耗是0.1dB。
当工作频率低于这个截止波长所对应的频率时,规定的传播模不能存在,大于截止波长的相应频率的光进入包层区域损耗掉。
这个名词是从以前波导理论研究中借用来的。
7.模场直径
这是单模光纤的另一重要参数,也称为光点尺寸。
在单模光纤中主要传送的是基模,而模场直径与基模光斑的大小有关,它以基模场强减少到1/e处的宽度来定标,它表征入纤的光功率分布。
四、实验要求
本实验要求了解和掌握光纤的结构、分类和特性参数,能够快速准确的区分单模或者多模类型的光纤。
实验2电光、光电转换传输实验
1.了解本实验系统的基本组成结构
2.初步了解完整光通信的基本组成结构;
3.掌握光通信的通信原理。
2.20M双踪示波器
3.FC-FC单模尾纤1根
4.信号连接线2根
本实验系统主要由两大部分组成:
电端机部分、光信道部分。
电端机又分为电信号发射和电信号接收两子部分,光信道又可分为光发射端机、光纤、光接收端机三个子部分。
实验系统(光通信)基本组成结构(光通信)如下图所示:
光纤
1310nmLD+单模
图1.2.1实验系统基本组成结构
在本实验系统中,电发射部分可以是M序列,可以是各种线路编码(CMI、5B6B、5B1P等),也可以是语音编码信号或者视频信号等,光信道可以是1310nmLD+单模光纤组成,可以是1550nmLD+单模光纤组成,也可以是850nmLED+多模光纤(选配)组成。
需要说明的是本实验系统中提供的两种工作波长的数字光端机,都是一体化结构。
光端机包括光发射端机TX(集成了调制电路、自动功率控制电路、激光管、自动温度控制等),光接收端机RX(集成了光检测器、放大器、均衡和再生电路)。
其数字电信号的输入输出口,都由铜铆孔开放出来,可自行连接。
一体化数字光端机的结构示意图如下:
图1.2.2一体化数字光端机结构示意图
四、实验步骤
1.关闭系统电源,将光跳线分别连接TX1310、RX1310两法兰接口(选择工作波长为1310nm的光信道),注意收集好器件的防尘帽。
2.打开系统电源,液晶菜单选择“码型变换实验—CMI码PN”。
确认,即在P101铆孔输出32KHZ的15位m序列。
3.示波器测试P101铆孔波形,确认有相应的波形输出。
4.用信号连接线连接P101、P201两铆孔,示波器A通道测试TX1310测试点,确认有相应的波形输出,调节W201即改变送入光发端机信号(TX1310)幅度,最大不超过5V。
即将m序列电信号送入1310nm光发端机,并转换成光信号从TX1310法兰接口输出。
5.示波器B通道测试光收端机输出电信号的P202测试点,看是否有与TX1310测试点一样或类似的信号波形。
5.按“返回”键,选择“码型变换实验—CMI码设置”并确认。
改变SW101拨码器设置(往上为1,往下为0),以同样的方法测试,验证P202和TX1310测试点波形是否跟着变化。
6.轻轻拧下TX1310或RX1310法兰接口的光跳线,观测P202测试点的示波器B通道是否还有信号波形?
重新接好,此时是否出现信号波形。
7.以上实验都是在同一台实验箱上自环测试,如果要求两实验箱间进行双工通信,如何设计连接关系,设计出实验方案,并进行实验。
8.关闭系统电源,拆除各光器件并套好防尘帽。
注:
本实验也可选择选择工作波长为1550nm和扩展模块的光信道
五、实验结果
1.画出实验过程中测试波形,标上必要的实验说明。
2.结合实验步骤,叙述光通信的信号变换、传输过程。
3.画出两实验箱间进行双工通信的连接示意图,标上必要的实验说明。
4.如果将光跳线分别连接TX1310、RX1550两法兰接口,P204测试点是否有信号,信号与TX1310是否一样,写出你的答案,通过实验验证你的答案。
第二章光发射端机指标测试实验
在光纤通信中,首先要将电信号转变为光信号,最常用的光源是半导体激光器和发光二极管。
之所以用半导体光源,是因为:
1半导体光源体积小,发光面积可以与光纤芯径相比较,从而有较高的偶合效率;
2发射光波长适合在光纤中低损耗传输;
3可以直接进行强度调制,即只要将信号电流注入半导体光源,就可以得到相应的光信号输
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