近代物理实验八光纤通信原理.docx
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近代物理实验八光纤通信原理
实验八光纤通信原理
一、前言
光纤通信已经成为通信网络中主要的传输方式,光纤通信技术是现代通信技术的主要技术之一,它具有通信容量大、传输质量高、抗电磁干扰能力强、体积小等优点,对国民经济的发展有着很大的影响。
为使通信专业的学生对此有一个深入的认识,我们研制了光纤通信实验系统。
二、实验目的
该系统是一套较为完整的实验教学系统,包含了现代通信的主要环节。
通过该实验教学演示以了解光纤通信所涉及的基本内容,深入理解光纤通信中的基本概念;通过对典型通信网(系统)光纤通信网络中所涉及到的新技术应用,如当今光通信领域最流行的两个窗口波长1310nm/1550nm,以让同学们掌握光纤通信网(系统)的设计及相关技术。
由此,同学们会对现代通信有一个较为全面的理解,对光纤在现代通信中的地位和作用有一个深刻的认识。
三、实验内容
1.语音信号光纤传输实验:
语音信号光纤传输主要通过MIC接收声音信号,声音信号经过数字编码送入光纤传输;接收端,对接收的信号译码还原,通过D/A变换输出模拟信号。
2.图像信号光纤传输系统实验:
实验主要由摄像头摄取图像信号,并对图像信号进行JPEG压缩以及编码,编码后的信号送入光纤传输;接收端,对接收的信号编码信号进行译码,并解压缩还原,在320*240点阵的液晶显示器显示。
3.任意波形信号光纤传输系统实验:
将各种模拟信号(如三角波、正弦波、外输入模拟信号等)进行光纤传输,用示波器观察输入信号波形和通过光纤传输后的输出波形,并进行比较。
四、实验仪器
DH2003型光纤通信实验仪示波器和波形发生器(自备)
五.性能指标
1、仪器采用1310nm/1550nm光纤。
2、语音传输无失真;数据传输编码和解码。
3、图象压缩传输信息无太大损失;图象数据采集用30万像素的彩色摄像头,数据用JPEG格式压缩编码,光纤传输,解压缩。
液晶显示器:
320×240,单色。
4、对任意波形,通过光纤传输能还原。
六、基本原理:
1、仪器组成
此系统由光纤数据发送和接收两部分组成。
发送端分成数据采集、数据压缩、数据编码、数据光纤发送等,接收端分成数据光纤接收、数据解码、解压缩、输出等。
2、光纤传输原理框图
图1.1数据光纤发送框图
图1.2数据光纤接收框图
七、仪器操作和显示
1、按键操作部分
按键为四个键,分别为选择键、确认键、转换键、复位键。
他们的功能如下。
选择键:
用于选择图像、声音、任意波形中的一种方式进行光纤传输操作。
确认键:
用于对所选择的一种功能确认,选择了一种传输方式后,按确认键后对所选的传输方式(操作)即开始。
转换键:
用于进入图片预览功能。
复位键:
用于系统重新启动。
2、液晶显示屏
开机时,液晶显示器显示图像、声音、波形。
按选择键,依次选择图象功能、语音功能、任意波形功能,选中的功能反色显示。
按确认键,选中的相应功能进入操作。
八、实验步骤
1、把黄色光纤带的两头分别插在实验箱上黑色光纤接发模块中,没有方向要求,注意别损坏光纤头,确保光纤连接正常。
(一般情况下不要经常拔下光纤以免造成接触不良。
若长期不做实验,可以把光纤移下来妥善保存,光纤接发模块的插孔也要封好。
)
2、确认以上操作已无误后,打开电源,实验箱上的红色指示灯点亮,液晶显示器显示图象声音波形的显示界面,按选择键,依次选择图象功能、语音功能、任意波形功能,选中的功能呈反色显示,若按下复位键仍无法进行选择则检查光纤连接是否正常。
按确认键,选中相应功能进入操作。
4、进行声音传输实验
首先把麦克风插在实验箱面板左边芯片旁的插孔中,接着按选择键选中声音功能,液晶显示器显示图象声音波形,再按下确定键进入声音功能;若选择功能无效先按复位键再重复进行以上操作。
对准麦克风讲话或吹气,从实验箱侧面的扬声器将会有相同的声音输出,声音的大小可以通过实验箱上的调节旋纽进行调节。
同时,把实验箱上波形输出端接到示波器上可以观察到声音波形。
*注意麦克风不要离扬声器太近,同时输出调节旋纽也不要加到太大,以免输入信号和扬声器的输出信号相互干扰,对系统形成正反馈,发出刺耳声音,影响输出声音效果。
5、任意波形传输实验
首先让信号发生器的波形输出为正弦波并且波形的幅值预先置为0.2V左右,可用示波器先观察好;接着把信号发生器的波形输出端接到实验箱的波形信号输入端,示波器连接到实验箱的波形信号输出端。
先按复位键使系统复位,再按选择键选中波形功能,液晶显示器显示图象声音波形,然后按下确定键进入此功能。
这时示波器可以看见相应的波形,扬声器也可听到单频声音(声音的大小可以通过实验箱上的调节旋纽进行调节),若改变信号的幅值和频率,示波器和扬声器的输出将随之改变。
(*注意波形信号的幅值不要太大,最好不要超过1V,实验时可以逐渐加大信号幅值;同时输入信号及探头的阻抗要与实验系统相匹配,不然可能会造成波形失真)。
6、预存图片传输实验
按复位键使系统复位,按选择键选中图象功能,液晶显示器显示图象声音波形,然后按返回键,选中图象预览,按确认键后液晶显示器上可以看到预存的图象显示;接着按一下选择键,再按确认键可以看到另一幅图象在液晶显示器上显示;再按选择键,确认键可以看见又一副图片;循环上步,可以看到多幅预存的图象。
7、摄像图片的传输功能
按复位键使系统复位,按选择键选中图象功能,液晶显示器显示图象声音波形,在摄像头前方适当位置(3~6厘米左右,正对摄像头)放一幅黑白对比度大的图片(见附页或自制),按确认键,看见对应图象在液晶显示器显示出来。
(显示要花好几秒时间,请耐心等待;图片的显示质量与焦距和光线强弱存在很大关系)
九、思考题
1、在光纤多媒体通讯过程中,有哪些因数影响通讯的准确性?
2、在进行波形实验时,当给定的信号频率很高时输出会出现失真,试分析原因以及对微控制器的要求?
3、在进行图象实验时,我们会发现图象显示的速度不是很快,它与微控制器速度和数码摄像模块有什么关系?
4、您觉得实验中有哪些地方需要改进?
请提出您宝贵的意见。
附:
软件框图
1.数据发送
图1.3数据发送框图
2.数据接收
显示初始状态
数据解压
数据解码
数据解码
数据解码
接收任意波形
接收声音数据
接收图象数据
任意波形
图象
声音
等待命令
初始化
数据送扬声器
数据送示波器
数据送显示
传送结束
图1.4数据接收框图
二、光纤传感器的位移特性实验
一、实验目的:
了解和掌握光纤位移传感器的工作原理和性能。
二、基本原理:
本实验采用的是传光型光纤,它由两束光纤混合后,组成Y型光纤,半圆分布即双D型。
其中一束光纤端部与光源相接发射光束,另一束端部与光电转换器相接接收光束。
两光束混合后的端部是工作端,亦称探头,它与被测体相距X,由光源发出的光传到端部发射后再经被测体反射回来,另一束光纤接收光信号,接收到的光信号由光电转换器转换成电量。
光电转换器转换的电量大小与接收到的光信号的大小有关,接收到的光信号的大小与发端射到被测物体之间的间距X有关,因此测量由光电转换器转换成的电量就可用于测量位移。
三、实验仪器:
DH2003型光纤传感实验仪
使用的部件有:
光纤传感器、光纤传感器实验模板、电压表、测微尺等。
四、实验步骤:
1、按图2.1将光纤传感器装于传感器支架的前一个安装孔上,二束光纤分别插入光纤变换座的发射和接收孔中。
光纤变换座的内部已和发光管D及光电转换管T相接。
图2.1光纤传感器位移特性实验安装示意图
2、将光纤实验模板输出端uo与电压表相连,见图2.2。
3、调节测微尺安装座上的紧固螺钉,固定测微尺。
检查反射面圆平板是否正确安装,调节测微头,使探头与反射面圆平板接触。
4、打开电源开关,数显表选择20V档,调节RW使数显表显示为零;再将数显表的切换开关选择2V档,调节RW使数显表显示接近零。
5、旋转测微头,被测体离开探头。
选择合适的测量量程,每隔0.1mm读出数显表值,将其填入表2-1。
表2-1光纤位移传感器输出电压与位移数据
X(mm)
……
U(V)
……
6、根据表2-1数据,作光纤位移传感器的位移特性,计算在量程1mm时灵敏度和非线性误差。
图2.2光纤传感器位移实验接线图
五、思考题:
光纤位移传感器测位移时对被测体的表面有些什么要求?
三光纤传感器测速实验
一、实验目的:
了解和掌握光纤位移传感器用于测量转速的方法。
二、基本原理:
本实验采用的是传光型光纤,它由两束光纤混合后,组成Y型光纤,半圆分布即双D型。
其中一束光纤端部与光源相接发射光束,另一束端部与光电转换器相接接收光束。
两光束混合后的端部是工作端,亦称探头,它与被测物体相距X,由光源发出的光传到端部发射后再经被测体反射回来,另一束光纤接收光信号,接收到的光信号由光电转换器转换成电量。
光电转换器转换的电量大小与接收到的光信号的大小有关,接收到的光信号的大小与被测物体的反射量有关。
本实验中被测物体是一个可以转动的转盘,转盘上设有2个白色反射圆点,它能对照射到其上的光束较好的反射。
转盘的其它部分为黑色,对照射到其上的光束的反射很小。
当转盘转动时,光束周期性地照射到转动的反射圆点,光纤传感器周期性地接收到的光信号,因此光电转换器输出周期性变化的电信号。
由频率计测出该周期性变化的电信号频率,再根据转盘上的测速点数,就可折算成转速值n。
三、需用器件与单元:
DH2003型光纤传感实验仪,示波器等。
使用的部件有:
光纤传感器、光纤传感器实验模板、频率表、电压表、转速调节电位器、电机等。
四、实验步骤:
将光纤传感器按图3.1装于传感器支架的后一个安装孔上,使光纤探头与电机转盘的反射圆点对准,距离正好在光纤线性区域内(利用实验二的结论目测距离大致为线性区域)。
打开电源开关,按图2.2,将光纤传感器实验模板输出uo与电压表+端相接,数显表的切换开关选择20V档。
电机的转速调节电位器逆时针打到底,电机停止,转动用手转动圆盘,使探头避开反射面,因为反射的光较小,光电转换器输出的电信号很小(暗电流),此时uo的输出较小。
调节RW使数显表显示为零。
将uo与频率表+端相接,实验模板的地与频率表-端相接。
图3.1光纤传感器测速实验安装示意图
顺时针调节转速电位器,使电机开始转动,用示波器在信号输出端观察输出波形,调节光纤与电机反射圆点的距离和位置,再适当调节示波器的通道增益和扫描时间,就可观察到uo的波形,可以看到该波形是一串随转速变化的脉冲波,注意该波形的有何特点。
频率表就是根据该脉冲测得uo频率的,记下频率表的读数,根据转盘上的测速点数折算成转速值n。
计算公式为:
n=60×频率表显示值÷转盘上测速点数(n/min),本实验转盘测速点数为2。
五、思考题:
1、测量转速时,转速盘上反射点(或吸收点)的多少是否影响测速精度?
2、频率表的采样频率对测速精度有何影响?
由于频率表的采样频率已经固化,所以同学们可以用实验来验证比较转盘上只有一个反射点时的情况。
3、示波器观察到的uo波形的幅度有什么特点?
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