《光纤通信技术》实验教学大纲

一、实验课程性质、目的与任务

《光纤通信技术》课程实验与《光纤通信技术》理论课程密切结合.是光纤通信技术是信息产业的主要支柱技术之一，光纤网络已经遍布全球。由于光纤通信是一门实验性很强的技术，除了课堂理论学习外，还需要实验性环节与之配合，否则学习效果会受到很大的影响。

通过本实验课程，应达到以下几个教学目的

1. 理解光纤的损耗原理，学会用插入法进行测试试验

2. 了解半导体光源特性，P-I曲线测试方法，以及学会使用光功率计

3. 学会使用光纤熔接机，手动熔接光纤。

4. 了解常用的光纤线路码型如NRZ、CMI、5B6B等，掌握CMI编解码的规则

5. 理解光接收机灵敏度的概念，掌握光接收机灵敏度的测试方法。

6. 了解模拟电话的光纤传输系统

7. 了解2M光纤传输特点。

二、实验教学基本要求

要求学会使用便携式光纤通信试验箱，通过常见信号源，示波器，和常见的光纤通信仪表完成光纤通信系统的相关实验。

上机实验要求：

1、熟读实验指导书，熟悉实验操作步骤

2、理解实验原理

3、实验结束后，应整理出实验报告，实验报告应包括以下内容：实验项目名称；实验原理；实验步骤；运行结果；对实验结果进行分析。

三、实验项目与类型：

四、实验教学内容

实验一：光纤损耗特性测量

1、实验目的

理解光纤的损耗、光纤损耗的常用测试方法、插入法测试实验

2、方法原理

3、主要实验仪器及材料

光纤通信实验系统及附件，光功率计，光衰减器，光纤。

4、实验内容

插入法原理上类似于截断法，只不过用带活接头的连接软线代替短纤进行参考测量，

计算在预先相互连接的注入系统和接收系统之间(参考条件)由于插入被测光纤引起的功率损耗。显然，功率P₁、P₂的测量没有截断法直接，而且由于连接的损耗会给测量带来误差，精度比截断法差一些。所以该方法不适用于光纤光缆制造长度衰减的测量。但由于它具有非破坏性不需剪断和操作简便的优点，用该方法做成的便携式仪表，非常适用于中继段长总衰减的测量。图2.13示出了两种参考条件下的测试原理框图。

图2.13 (a)情况下，首先将注入系统的光纤与接收系统的光纤相连，测出功率P₁然后将待测光纤连到注入系统和接收系统之间，测出功率P₂，则被测光纤段的总衰减A可由下式给出

(dB) (2.11)

式中C_r、C₁、C₂分别是在参考条件、试验条件下光纤输入端、输出端连接器的标称平均损耗值(dB)。

图2.13 (b)情况下，首先将参考系统连在注入系统和接收系统之间，测出功率P₁；然后，同图(a)一样，测出功率P₂，则被测光纤段的总衰减由下式给出

(dB) (2.12)

情形(a)中，由于连接器的质量可能会影响测试精度；情形(b)中，采用了光学系统进行精密耦合，代替了连接器的耦合，可以得到精确的测量结果，当只需要知道光纤的实际衰减时，它比较合适。当被测光纤段带有半个连接器而且需要和其它元件串在一起时，情形(a)的测试结果更有意义。

实验二：光纤P-I曲线测试

1、实验目的

了解半导体光源的特性。掌握光源P（平均发送光功率）-I（注入电流）特性曲线的测试方法。掌握光功率计的使用方法。

2、方法原理

3、主要实验仪器及材料

光纤通信实验系统及附件，光功率计，光源，光衰减器，光纤。

4、实验内容

测试框图如图1.2所示。其中S、R为活动连接器（ST型），RP501为可变电阻位于数字光发电路的上方。P-I曲线测试步骤为：

码型发生器自A点（对应实验平台测试点TP501）给光发送机送方波信号作为测试信号。大家可以借助键盘和液晶来选择方波信号（实验平台加电后，先按复位键复位系统，屏幕出现“请选择”提示后，按键选择“方波”），此时，TP501点应能测试到方波信号。参考附录B中光发模块甲的原理框图可知，为了把数字信号发往线路，除了用短接帽将跳线XP500的1-2脚相连外，还需要通过双刀双掷开关KS501选通模拟光源驱动电路和数字光源驱动电路。本实验中选择数字光源驱动电路（按键KS501抬起即可）。

从发送模块甲的光源组件（如1414T/1312T）的连接器S中取出保护塑料套，用光纤跳线分别插入发送端连接器S与光功率计的输入连接器插头，连接光发送端的光输出与光功率计，此时从光功率计读出的功率就是光端机的平均发送光功率P。

3、用数字万用表测量两点之间电压(红色表笔接电源VCC，附近找不到电源可以将红色表笔接触SN75452的8脚或2脚；黑色表笔接触测试点TP502)。测得的电压值除以电阻值R=R501+RP501（测RP501的电阻值时应该将实验平台的供电切断），其中R501是51Ω的固定电阻，即可得到注入电流I。改变RP501的阻值，将得到一组测得的P、I的值记录下来，我们便可以描绘P-I曲线。这里需说明的是这里测得的是P-I曲线的一段（功率调节范围约4个dB），为了防止烧坏光发送组件，电流I的调节范围有限（电流调节范围约为20mA），但不妨碍整个P-I曲线的测量，因为测试方法是一样的，只是多测几组值而已。

4、在调节电位器的过程中，最好让光功率值在-18dB～-22dB变化，以免损坏器件。

实验三：光纤机械续接与熔接

1、实验目的

掌握光纤切割与熔接技术

2、方法原理

接合技术分为熔接和机械拼接（固定连接器）两种。下面我们便分别来看看怎样才能将两段光纤连接起来。

不论采用何种技术，接合过程中的第一步都是末端预处理。包括剥离光缆的护套、缓冲管和涂敷层。这些剥离步骤的每一步都需要专用的工具。不过，大家不用担心，所有用来进行末端处

		图2.2

理的工具都可以买到。其种类的繁多令人惊讶，从简单的仅能完成一种操作（例如剥离涂层）的手工操作便携式剥离器到一步就可以完成所有操作的全自动仪器――插入一根完整的光缆即可得到准备接合的裸光纤。剥离器可以用来剥除所有型号的光缆。剥离暴露了裸光纤，当把两根光纤连接起来之前，必须先制备光纤的端面，否则会有可能带来很大的连接损耗。为了使光线在连接点处不发生偏转或散射，光纤端面必须平整光滑并与轴线垂直。一般使用的方法有：研磨、抛光与有控制的折断。研磨和抛光可以得到与光纤轴线垂直的光滑端面。但研磨工艺费时费事，不易用于现场。可控制的折断法或称“划痕折断”法，首先在待折断的光纤上刻一道划痕，然后如图2.2 (a)所示进行操作，以使表面产生应力集中而折断，由此获得良好的端面。如果折痕不合适、应力控制不好，会使光纤中的裂纹分叉，成为若干条裂纹，叉形裂纹会在光纤端面上产生唇形或锯齿部分，见图2.2 (b)。为了去除光纤末端表面上的外来微粒，必须用专门的方法和布料来清洁光纤。经过剥离、切割和清洁后的两根光纤便可以用来接合了。

图2.4

固定连接器的种类很多，图2.3给出了常见的几种固定连接器的外形图。图2.3 (a)是依靠毛细管定位的固定连接器，图2.3 (b)、(c)和(d)所示固定连接器的关键部位是V型槽，它能保持发射光纤与接收光纤相互对准。V型槽可以用铅板作主要材料，用冲模冲出V型槽，也可以用单晶硅材料以化学腐蚀法刻蚀出V型槽。V型槽对准基于外固定位，在切点A、B处保持接触，如图2.4 (b)所示，角度θ的选择有一定的要求。如果发射光纤与接收光纤的包层圆与纤芯圆均处于理想状态，则切点A、B可以保证发射纤芯与接收纤芯对准而实现低衰耗连接。如果发射光纤与接收光纤外径不一致，即使在切点A、B保持接触，纤芯也不可能对准，因此必然引入损耗。适当选择θ值，可以把这类损耗降低，又考虑到V型槽加工条件，θ值一般选在60o左右。机械拼接通常用于快速维修且只需少量接合的场合。

对单模光纤进行熔接，主要包括光纤端面制备、纤芯对准、熔接与接头增强等几个步骤。其中光纤端面制备已在上文讨论过。纤芯对准是关键内容，要求有非常高的精度。多模光纤可以采用外径对合法，而单模光纤必须采用芯轴对合（见图2.5）。外径对合可以由普通的显微镜肉眼观察来确定，而芯轴对合则必须用功率法或折射率差透镜效果法来确定。

熔接的过程首先让发射光纤和接收光纤的间隙维持几十微米，然后进行预热，最后使间隙逐渐缩小而熔合在一起。图2.6表示安置光纤预热、压入和整形各个阶段示意图，最后是光纤接头的增强。光纤之间的接续增强是不可缺少的环节。电弧熔接后光纤用玻璃毛细管或不锈钢管增强，也可以用热缩塑料管增强。具体的实验步骤，要视所拥有的熔接机类型而定。

3、主要实验仪器及材料

光纤，光纤熔接机，光纤切割机，酒精，纸巾。

4、实验内容

光纤切割、熔接

实验四：线路码型实验

1、实验目的

了解常用的光纤线路码型如NRZ、CMI、5B6B等，掌握CMI编解码的规则。了解线路码的传输特性。

2、方法原理

解码采用的思想很简单：当时钟和信码对齐时，如果输入的是11或00，则输出为1；如果输入为01，则输出为0。但是问题的关键在于怎样才可将一序列的码元正确地两个两个分组。经过传输处理后的CMI码首先要提取位同步时钟，接着抽样判决。此时CMI码流和发送的码流在波形上没有区别（暂时忽略误码的情况），但将其两个两个分组，却有两种不同的情况。当然，其一是正确的，可以得到正确的译码结果，如果接下来的工作亦是正确的话；而另一种在绝大多数的情况下将导致译码工作的失败。

结合CMI码流的特点，这里提供了两种可以正确分组的方法：如果在码流中检测到了0101的话，那么就可以将紧接着它们的两个码元分为一组，以此类推；另一种方法更为简单易行，那就是在码流中检测1到0的跳变后，就可以将下降沿后的两个码元分为一组了。一般情况下，第二种方法可以尽快地实现正确的分组。下面的例子具体说明了这两种方法的使用。如图4-4所示：

接下来就是依据编码规则进行译码了。这里列举了三种具体的解决方案：

第一种方案：其原理框图如图4-57所示，原理电路如图4-6所示。从位同步时钟中分

图5.8 方案一的原理电路

离出两路时钟，它们和位同步时钟同频，但是占空比不一样，两路时钟信号的占空比都是25％。其区别在于它们的相位相差半个周期。将每组中的两个码元分开，从而形成了第一路信号和第二路信号，在两路时钟的正确作用下比较这两路信号，便可以将CMI码解译出来。这种方案电路结构简单，各部分功能清晰，易于理解和操作。

图4-6

第二种方案：解码方法的本质和第一种相似，差别主要在于找到正确分组的方法不同，它分别用二分频后的时钟的上升沿和下降沿来读取两路信号，其原理框图如图4-7所示。

第三种方案：这里的译码思路稍有变化。CMI码流经过串并转换后，在二分频后的位同步时钟作用下读出，进行比较译码，其原理框图如图4-8所示。

3、主要实验仪器及材料

光纤实验箱、低值易耗品等。

4、实验内容

图4-9

图1.11

首先要做的是：在断开电源的情况下，通过正确的跳线来建立一个数字光纤通信系统，这个系统在本实验中传输的是CMI码（速率为64kbit/s），所要完成的功能是对CMI的编译码。由附录B中的原理电路图集，可以知道：光发模块甲中，首先通过短接帽将跳线XP500的1、2脚相连，开关KS501要选择为传输数字信号（按键抬起即选中数字光源驱动电路）；光收发模块甲之间用光纤跳线连接；光收模块甲中，通过短接帽将跳线XP503的5、6脚相连、XP504的2、3脚相连（选择主放大器MAX435放大信号）以及XP505的“CMI”传输，放大后的信号流向误码检测模块译码。

数字光纤通信系统建立起来后，同学们可以通过键盘和液晶来选择所要传输的码型，本实验中选择CMI码（同样，实验平台加电后，先按复位键，再选择所要传输的码型）。此时，测试点TP501、TP502应该能测到编好的CMI码的波形。此时应注意的是：PLD对输入信号的幅度有一定要求，必须调节光发模块甲的可调电阻RP501、光收模块甲的可调电阻RP505、RP506和RP508，充分放大接收信号。

我们可以在测试点TP504、TP505测试到经过光纤跳线传输后的CMI码波形；跳线后，可在TP507测试到放大后的CMI码，可在TP601探测到译码后的PN（伪随机）序列；在测试点TP602我们可以探测到用来译码的64KHz位同步时钟（此时钟由误码检测模块中的数字锁相环提供，因为锁相环会带来抖动，所以比较TP602与TP401的波形时同学们会观察到抖动现象）。测试点TP401输出的信号是发送端的PN伪随机序列，系统正是对这个序列进行CMI编译码的。读者可以比较TP601与TP401的信号（想想为什么两个波形会有时延），也可以比较TP501和TP401的信号，从而验证自己所编写的CMI编译码程序是否正确。各点的参考小型如下：

的“CMI”传输，放大后的信号流向误码检测模块译码。

数字光纤通信系统建立起来后，同学们可以通过键盘和液晶来选择所要传输的码型，本实验中选择CMI码（同样，实验平台加电后，先按复位键，再选择所要传输的码型）。此时，测试点TP501、TP502应该能测到编好的CMI码的波形。此时应注意的是：PLD对输入信号的幅度有一定要求，必须调节光发模块甲的可调电阻RP501、光收模块甲的可调电阻RP505、RP506和RP508，充分放大接收信号。

我们可以在测试点TP504、TP505测试到经过光纤跳线传输后的CMI码波形；跳线后，可在TP507测试到放大后的CMI码，可在TP601探测到译码后的PN（伪随机）序列；在测试点TP602我们可以探测到用来译码的64KHz位同步时钟（此时钟由误码检测模块中的数字锁相环提供，因为锁相环会带来抖动，所以比较TP602与TP401的波形时同学们会观察到抖动现象）。测试点TP401输出的信号是发送端的PN伪随机序列，系统正是对这个序列进行CMI编译码的。读者可以比较TP601与TP401的信号（想想为什么两个波形会有时延），也可以比较TP501和TP401的信号，从而验证自己所编写的CMI编译码程序是否正确。各点的参考小型如下：

实验五：光接收机灵敏度测试

1、实验目的

理解光接收机灵敏度的概念，掌握光接收机灵敏度的测试方法

2、方法原理

计算用dBm表示的灵敏度P_R。例如，测得P_min=9.3nW，则。

在灵敏度测试时，一定要注意测试时间的长短。误码率是一个统计平均的参数，为了确定测试时间，我们将之写成为：

（5.1）

式中m是误码个数，f_b是系统码速，t是测试时间。由上式可知，在码速确定的情况下，只要在某一定的测试时间内所记录的误码个数少于某一数值，就可以表示出要求的误码率。其最小测试时间应是能检测到误码个数为1（无误码的情况除外）的时间，即(3.1)式中m=1时所得到的测试时间，它可以表示为：

(5.2)

由上式可见，最小测试时间与码速和误码率有关。各类系统误码率不同时，光接收机灵敏度测试的最小时间t如表3-1所示。

表5-1灵敏度测量的最小时间

码速 t 误码率	2M	8M	34M	140M
≤10-9	8分钟	2分钟	29.1分钟
≤10-10			5分钟	1.2分钟
≤10-11			50分钟	12分钟

应该指出，t是要求某一误码率时，光接收机灵敏度测试的最小时间。但实际上，测试的时间应大于此时间，才能使测试的结果更为准确。

光接收机灵敏度测试框图如图5.1所示。：

3、主要实验仪器及材料

光纤实验系统，光功率计，光衰减器，示波器，信号发生器，误码仪。

4、实验内容

按图3.1要求将误码测试仪和光可变衰减器与光纤数字通信系统连接。

误码测试仪向光端机送入测试信号，PCM测试信号为伪随机码，长度为（2^N-1），N的选择与平均发送光功率测试相同。

调整光衰减器，逐步增大光衰减，使输入光接收机的光功率逐步减小，使系统处于误码状态。然后，逐步减小光衰减器的衰减，逐渐增加光接收机的输入光功率，使误码逐渐减少，当在一定的观察时间内，使误码个数少于某一要求时，即达到系统所要求的误码率。

在稳定工作一段时间后，从R点断开光端机的连接器，用光纤测试线连接R点与光功率计，此时测得光功率为P_min，即为光接收机的最小可接收光功率。

㈠实验平台中，光接收机甲灵敏度测试步骤如下：

跳线XP401应将1、2两脚连接，这样选择传输的是系统内部产生的2M伪随机序列，N的取值为4。

选择光发模块甲，将XP500的1、2两脚相连，开关KS501选择传输数字信号。光收模块甲中，选择MAX435作为主放大器，AD603作为配合主放大器的AGC放大器。通过跳线XP503的5、6脚相连，XP504的1、2脚相连、XP505将AD603的输出（原理图中对应为：“PNOUT”）送往误码检测模块。

系统搭建好后，实验平台加电并复位液晶屏，从键盘输入PN，系统进入误码检测状态，此时可能会发现屏幕上误码不断，不要着急，这是光接收机工作还不正常。

在“PNOUT”处测试AD603的输出波形，调节可变电阻RP505、RP506使AD603的输出信号为最佳（幅度适中，波形平滑），然后再通过跳线XP505将AD603的输出送往误码检测模块，即把跳线的21、22两脚连接起来。

调节可变电容C817和C823使锁相环正常工作，即进入锁定状态；此时可以调节变阻器RP802减小位同步时钟的抖动，现在你将发现液晶屏幕上的误码计数变得缓慢，或停止计数。通过键盘KS214（最后一排顺数第2个）清零误码计数。

如果实验室没有配备光衰减器，我们可以通过实验平台中的电路衰减来模拟光路衰减。调节光收模块甲的可调电阻RP506，降低MAX435的放大倍数来模拟线路上的衰减。当衰减足够大时，将超出AD603的自动增益控制范围，致使其输出信号幅度锐减，误码计数渐增。实验平台的误码测试功能虽然不像误码分析仪那样齐全，但读者可以通过液晶屏幕显示的误码个数来自定义误码率，比如说1分钟出现了10个误码。调节上述可调电阻，减少电路中衰减，直到误码符合我们刚自定义过的标准，可以测试MAX435的输出波动很小，模拟了输入光功率也很小。

实验六：模拟光话音试验

1、实验目的

了解模拟电话的光纤传输系统

2、方法原理

在实验平台上，通过正确连线，模拟语音信号既可以直接通过光纤传输，又可以先进行数字化后再上光路传输。

3、主要实验仪器及材料

光纤通信实验系统，电话机，连接线

4、实验内容

1、调试光收发模块，使其工作正常。方法：以光收发模块甲为例，跳线XP501的2、3两脚相连，跳线XP502的2、3两脚相连，按键KS501选通模拟光源驱动电路，用一段光纤将光收发模块甲连接；利用跳线XP503选择OP07作为主放大器，并将XP505的1、2两脚相连；加电后复位系统，通过键盘输入传输正弦波或三角波或锯齿波等模拟波形；通过调节可变电阻RP301、RP502、RP504和RP503使得模拟光源驱动电路工作稳定，由于晶体管V501、V502工作在线性放大区，读者调节时应注意其直流偏置电压，测试点TP503可以测得送入驱动电路的模拟信号波形，TP502可以测得从驱动电路输出的波形；通过可变电阻RP505、RP509可以调节接收到的模拟信号波形，测试点TP504可以测得接收到的模拟信号波形，TP506可以测得放大后的模拟信号波形；依照这种思路调节光收发模块乙（乙中同样选择OP07作为主放大器）。如果模拟信号能够通过光收发模块正常传输，我们可以开始模拟语音光纤传输实验。

2、正确连线：将两台电话机的RJ11插头插入实验平台中的RJ11插座；将跳线XP701的2、3两脚相连（模拟语音信号被送往模拟开关），光收发模块甲按上述步骤1连接，不过此时应将跳线XP505的25、26两脚相连，使信号传输到XP704的1脚，将跳线XP704的1、2两脚相连，这样发送端说话接收端即能听见。我们还需要连接回路使得接收端说话发送端能听到，此时利用光收发模块乙和跳线XP702（1、2相连）、XP703（2、3相连），连线思路同上。

图6.2

3、正确连线后，加电，复位后选择模拟电话，我们即能实现收发双方互通语音信息了。用示波器在线路中跳线处观察模拟话音的波形变化，比较讲话声音大或小时所测得的波形的变化。（注：话音通信为双工通信，如果所购的实验系统为单工方式，只有一对光收发模块，就可一个方向采用光收发对进行光纤传输，另一个方向采用电缆如导线直接传输，同样达到实验的目的。）如果是正弦波或三角波或锯齿波等模拟波形，观察模拟信号经过传输后的波形变化。

实验七：2M数字光纤通信系统

1、实验目的

掌握2M光传输的特点。

2、方法原理

外接信号源从同轴XS801输入，此时跳线XP801和XP802的2、3两脚相连，分别将两路单极性码送往光发送模块，光发送模块甲中跳线XP500的2、3两脚相连，KS501选择数字光源驱动电路，将其中一路2M信号发往光纤；光发送乙模块中跳线XP506的9、10两脚相连，KS502选通数字光源驱动电路，将另一路2M信号发往光路；光接收模块均选择MAX435对信号进行放大，其输出通过跳线XP505和XP511选通至单双变换电路。此时将2M接口电路中，跳线XP803和XP804的1、2两脚相连，两路单极性的2M信号便合路成为HDB3码被送往外界。

3、主要实验仪器及材料

2M光纤，光纤通信系统，电话机

4、实验内容

实验平台加电并复位后，选择传输PN，将跳线XP401和XP500的1、2两脚连接起来，这样系统内部产生的本地2M伪随机序列将被送往数字光源驱动电路。用开关KS501选通数字光源驱动电路，这样2M信号将被发往光纤线路。光收模块甲选择MAX435作为主放大器或将之与AD603配合（可测试动态范围），放大输出后通过跳线器XP505选通至误码检测模块。

跳线XP601的1、2两脚连接时，经过同步提取和判决后的信号将被送往误码测试，2、3两脚连接时，信号将被编成HDB₃码输出。此时，应将跳线XP803和XP804的2、3两脚相连，这样编好的码字将经PE-64952合路输出。我们可以利用导线或同轴电缆将输出端XS802的信号送往2M电接口输入端XS801（注：即使跳线XP601的3脚空着，XS802仍能测试到编好的HDB₃码，这是因为系统默认当XP601的3脚没有信号输入时其电平为0，所以编码模块将对0电平进行编码，这一点从XS802的波形中也可以看出），这就是所谓的环回测试。将跳线XP801和XP802的1、2两脚相连，此时输入的2M信号将被送往HDB₃译码模块，读者可以在XP401的3脚测试到译码以后的PN伪随机序列，不妨将之与1、2两引脚所发送的PN伪随机序列比较，我们会发现它们相同。我们也可以比较XS802与XP401的信号，从而验证HDB₃码的编译码规则。

五、考核方法

1．教师对学生实验过程完成情况进行详细登记，记入实验成绩中。

2．学生完成实验后按要求撰写实验报告，根据实验报告确定每次实验的等级。

3．实验成绩按20%比例计入课程期评总成绩中。

六、实验指导书及主要参考书目

1、实验指导书

[1]自编《光纤通信实验指导书》

2、 主要参考书

[1]《光纤通信》，王辉，电子工业出版社，2004年版

[2]《光纤通信系统》，顾畹仪编著，北京邮电大学出版社，1999年版；

[3]《光纤通信技术》，北京邮电大学出版社，孙学康，2001年版

[4]《光纤通信》修订版，高炜烈，人民邮电出版社，2002年版

主 撰 人：张政

审 核 人：彭智朝

2012.6