5123通信一体化综合实训系统使用指导(第三篇：光纤传输部分)

第三篇 光纤传输原理实训部分

目 录

第一章 光纤传输实验系统概述 第二章 光纤传输系统实验

第一节 激光器P-I特性曲线绘制实验 第二节 自动功率控制（APD）原理实验 第三节 光器件寿命检测及无光检测报警实验 第四节 数字光发送接口指标测试实验 第五节 光接收机电路原理测试实验 第六节 光可变衰减器性能测试实验 第七节 无源光耦合器的特性测试

第八节 光纤连接器和光跳线性能测试实验 第九节 光波分复用器特性测试实验

第十节 光纤传输特性测量实验（扰模器的使用） 第十一节 在光链路中调整与匹配光功率的实验 第十二节 数字信号电—光、光—电转换传输实验 第十三节 模拟信号电—光、光—电传输实验 第十四节 数字光接收机接口指标测试实验 第十五节 图像基带信号光纤传输系统实验 第十六节 波分复用（WDM）光纤通信系统实验 第十七节 语音、图像的单/双光纤传输系统实验 第十八节 TDM数据、模拟图像双/单光纤传输实验

第三篇 光纤传输原理实训部分

第一章 光纤传输实验系统概述

一、本实验系统的结构特色

1、 根据目前大专院校中光纤通信专业实际应用的课程教材各章节内容定制。在基础实验方面，设置的各类信号观察点和测试点远多于其他公司目前类似产品；还设置了较多的调节旋钮，使学生可以灵活而安全地改变系统主要参数，观察参数变化对系统性能的影响。光接收部分的线性通道输出采用信号基线和判决电平分别独立可调的结构，很好的兼顾了模拟和数字信号接收。输出接口采用多通道热备份形式，大大提高了设备的可靠性。

2、妥善解决了基本结构、基本工作原理等基础实验与实际综合应用系统实验之间的矛盾。在同一系统中安排了两套不同波长的标配基本光纤综合传输（包括收发）系统，另扩充一对计算机数据传输光纤收发系统，用于在光纤上支持双向局间信令数据信息的传输。因此综合性实验涵盖面广，实验范围大于类似的实验设备。

3、系统不采用一般常用的大平板结构，而采用各部分独立的模块化小板结构，可采用不同搭配满足用户需求；不但便于维修更换，减少用户维修周期和成本，而且十分有利于系统的平滑扩充和升级。

4、在JH5123通信一体化综合实训系统中，本光纤传输原理实训部分可以与程控交换部分和通信原理部分紧密配合，方便的插入模拟话音、数字话音、复接数据、图像基带信号等传输通道中，实现上述各类信号的长距离低损耗传输，使学生通过实验对光纤通信系统的的主要优点、光纤通信系统的基本概念、基本构成、基本应用与测试技术有一个全面的了解，以开阔学生眼界，提高学习光通信技术的兴趣。

二、电路组成概述

光纤通信传输实验部分包含有两套综合型光通信实验收/发端机、两套计算机数据光收/发端机以及DDS函数信号发生器等组成部分。为体现各个组成部分在实际应用中的相对独立性，各部分电路在该硬件平台均采用独立的PCB制版，板上以清晰的白色字体标明功能。对

各部分电路功能的进一步细化则在板上按模块划分，对于每一个电路测试模块都能单独开设实验，便于教学、实验和实验内容的组织、划分。

综合型基本光通信实验收发端机主要由下列功能模块组成：

1、 1310nm波长光发送/接收机模块，以下又称“光纤综合传输模块A”（单模，FC型光接口）。

2、 1550nm波长光发送/接收机模块，以下又称“光纤综合传输模块B”（单模，FC型光接口）。

不同的波长配置使系统既可采用双光纤空分结构，也可采用单纤WDM波分复用结构。

计算机通信光收发端机主要由下列功能模块组成：

1310nm波长光发送/接收模块（两套，FC型光接口，采用双光纤空分结构） DDS函数信号发生器模块用于产生作为测试信号的函数波形，包括正弦波、三角波、方波等，各信号的频率、输出幅度均可调整。

在本光纤通信综合实验系统中，电源均由机柜统一供电，电源模块在该实验平台机柜内，主要完成交流?220V到+5V、-5V、+12V、-12V、-48V的直流变换，给整个硬件平台供电。

光纤通信原理综合实验系统通过下面几个端口与外部通信终端或测量设备进行连接： 1. 光发送模块的“模拟输入”接口：连接电话程控交换部分的模拟话音输出接口，进行通话实验及测量；也可接入基带视频信号源（如摄像头）进行视频光纤传输。

2. 光发送模块的“ 数字输入”接口：用于接入准备通过光纤发送的复用数字话音信号。

3. 光接收模块的“模拟输出”接口：用于将光纤接收并恢复的基带模拟话音信号送到电话程控交换部分的模拟话音输入接口；也可接入视频监视器进行光纤传输后视频的接收。

4. 光接收模块的 “ 数字输出”接口：用于将光纤接收并恢复的复用数字话音信号送到本端数字解复用与解码电路。

5. 尾纤FC型（或SC型）光端口（包括转接法兰盘）：用该端口连接外部单模光纤。若是光发送端口，可通过光纤与接收模块的光接口连接，或与波分复用器相连构建WDM光纤通信系统；也可通过该端口为光无源器件实验提供测量光源。

6. 一对计算机数据光收发模块的FC型光路收发接口，用于通过光纤建立局间信令传输通道。

第二章 光纤传输系统实验

第一节 激光器P-I特性曲线绘制实验

一、 实验目的与要求

1、 学习半导体激光器发光原理

2、 了解半导体激光器平均输出光功率与注入电流的关系 3、 掌握半导体激光器P-I曲线的测试及绘制方法

二、 实验内容

测量半导体激光器功率和注入电流，并画出P-I关系曲线。

三、 实验仪器

光纤综合传输模块（A或B），光功率计，万用表。

四、 基本原理

1、 半导体激光器的功率特性及伏安特性

图1-1 激光器的功率特性

半导体激光器的输出光功率与驱动电流的关系如图1-1所示，该特性有一个转折点，相应的驱动电流称为门限电流(或称阈值电流)，用Ith表示。在门限电流以下，激光器工作于自发发射，输出荧光功率很小，通常小于1nW；在门限电流以上，激光器工作于受激发射，输出激光，功率随电流迅速上升，基本上成直线关系。激光器的电流与电压的关系相似于正

向二极管的特性，如图1-2所示，但由于双异质结包含两个P-N结，所以在正常工作电流下激光器两极间的电压约为1．2V。

图1-2 激光器的伏安特性

阈值条件就是光谐振腔中维持光振荡的条件。设受激发射所产生的光介质的平均增益系 数(单位长度上的增益)为g，光介质的平均损耗系数为a，则光谐振腔产生和维持光振荡的条件为光子在光谐振腔中来回反射一次所产生的光能增益大于或等于光能的损耗，用公式表示为：

（1-1）

式中L为光谐振腔的长度，r1，r2分别为光谐振腔两端镜面的反射系数(O

（1-2）

Jth为门限状态下注入有源区的电流密度。?为平均增益因子，其值取决于激光器的材料与结构。根据电流密度Jth可按下式计算出门限电流Ith

式中b为有源区宽度，ξ（>1）为电流侧向扩展因子。采用BH、DC—PBH和RWG激光器结构，可使ξ接近于1，故能获得较小的门限电流。激光器功率特性的线性程度对模拟光纤传输系统的非线性失真指标影响很大。

半导体激光二极管(LD)或简称半导体激光器与发光二极管LED不同，它通过受激辐射发光，是一种阈值器件。由于受激辐射与自发辐射的本质不同，导致了半导体激光器不仅能产生高功率(≥10mW)辐射，而且输出光发散角窄(垂直发散角为30—50°，水平发散角为0～30°)，与单模光纤的耦合效率高(约30％～50％)，辐射光谱线窄(A入=0．1—1,0nm)，适用于高比特工作，载流子复合寿命短，能进行高速(>20GHz)直接调制，非常适合于作高速长距离光纤通信系统的光源。

对于线性度良好的半导体激光器，输出功率可以表示为

（1-3）

其中

（1-4）

这里的量子效率η

int

表征注入电子通过受激辐射转化为光子的比例。在高于阈值区域，

int

大多数半导体激光器的η近于1。

（1-3）式表明，激光输出功率决定于内量子效率和光腔损耗，并随着电流而增大，当注入电流I>Ith时，输出功率与I成线性关系。其增大的速率即P-I曲线的斜率，称为“斜率效率”：

dPeh???D （1-5） dI2q P-I特性是选择半导体激光器的重要依据。在选择时，应选阈值电流Ith尽可能小， Ith对应P值小，而且没有扭折点的半导体激光器，这样的激光器工作电流小，工作稳定性高，消光比大，而且不易产生光信号失真。且要求P-I曲线的斜率适当。斜率太小，则要求驱动信号太大，给驱动电路带来麻烦：斜率太大，则会出现光反射噪声及使自动光功率控制环路调整困难。

图1-3 LD半导体激光器P-I曲线示意图

半导体激光器具有高功率密度和极高量子效率的特点，微小的电流变化会导致光功率输出变化，是光纤通信中最重要的一种光源，激光二极管可以看作为一种光学振荡器，要形成光的振荡，就必须要有光放人机制，也即激活介质处于粒子数反转分布，而且产生的增益足以抵消所有的损耗。将开始出现净增益的条什称为阈值条件。一般用注入电流值来标定阈值条件，也即阈值电流Ith，当输入电流小于Ith时，其输出光为非相干的荧光，类似于LED发出光，当电流大于Ith时，则输出光为激光，且输入电流和输出光功率成线性关系，该实验就是对该线性关系进行测量，以验证P-I的线性关系．

在实验中所用到半导体激光器，其输出波长分别为1310nm和1550nm，带有尾纤及FC型接口活动连接器，通过FC-FC法兰盘与外部光跳线相连。实验中半导体激光器工作于模拟信号方式，电流的确定通过串联在电路中的电流表测量。

五、 实验步骤

（以下实验步骤可在光纤综合传输模块A的1310nm光端机发送模块或光纤综合传输模块B的1550nm光端机发送模块上各自独立进行。） 1、电路部分操作： 1)

关闭系统电源，将激光器工作模式选择开关（跳线块SS01）置于“模拟”位置，使光发模块中LD连接于传输模拟信号状态。 2)

将光发送模块中模拟发送部分的WS04“幅度” 旋钮和WS05“偏流”旋钮分别反时针旋至最左端，使无模拟驱动信号输入，直流偏置电流达到最小值。 3)

将跳线开关（KS02）的跳线帽拨出，使其处于断开状态，在“模拟电流”测量插孔（TPS07、TPS08）上串接一只电流表。

2、光路部分操作：

1) 2)

在光发送模块的LD尾纤法兰盘处，小心插入一根光跳线的活动连接器。 光跳线另一端的活动连接器连接到光功率计（注意操作要小心），同时打开光功率计电源开关，并将波长选择到与所测试的LD波长一致。

3、打开光纤综合传输模块交流电源开关。

4、将“模拟偏置”电位器WS05从最左端位置开始，顺时针缓慢调节，使送入激光器的直流偏置电流逐渐增大，在可调全范围内观察电流表的电流值变化和光功率计的读数变化过程。

5、更缓慢细致地从头调节电位器WS05，使所测得的电流从最小值开始，以1mA为间隔取整数值填入下表，依次测量对应的光功率值。并将测得的数据填入表中。 序号 I（mA） P（uW） P（dBm）

6、 完实验后关掉交流电开关。将跳线开关（KS02）的跳线帽还原。拆下光跳线及

光功率计，将尾纤法兰盘套帽盖好，将光纤综合传输模块还原，并将各仪器摆放整齐。

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 六、 实验结果分析与处理

1、 分别画出1310nm激光器和1550激光器的P-I曲线，并比较其异同处。 2、 整理所有实验数据，参考图1-1画出P-I曲线。 3、 说明所测试的激光器的阈值电流大约数值。

第二节 自动功率控制（APD）原理实验

一、 实验目的与要求

1、 学习光发送模块的电路原理

2、 学习光发送模拟各组成模块的电路原理 3、 掌握自动功率控制电路的工作原理

二、 实验内容

1、 学习自动功率控制电路的工作原理 2、 测量相关特征测试点的参数

三、 实验仪器

20MHz及以上的双踪示波器，光纤综合传输模块（A或B），光功率计，万用表。

四、 基本原理

1、数字接口主要技术性能：

1. 速率：0～4096kb／s。

2. 光调制方式：直接光强度调制。 3. 输入数据信号：TTL单极性NRZ码。 4. 光源：LD(1310nm或1550nm)。 5. 平均输出光功率；0～-3dBm。 2、方框组成

LD数字光发送电路方框图如图2-1所示。它由功能部件M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7几部分组成。Ml是接口及电平移动电路，由集成电路US01等组成。M2是驱动电路，由三极管TS01、TS02等组成。M3是LD1激光器，它把码型速率为0～4096kb／s的电信息码流变换为光信号后送入光纤。M5为监测电路，采用与激光器封装于一体的光敏二极管PD对激光器的工作情况进行监测，并通过M4自动功率控制电路(APC)反馈处理控制激光器的光信号强度，使之保持稳定。（有的发送电路还设有ATC电路）。APC由US03组合运算放大器中的三只运放及相关电路组成。无光告警电路M6由US03、TS05及红色发光二极管DS04组成。寿命告警电路M7由US04、TS06和红色发光二极管DS05组成。

LD光发送模块电原理图如图2- 6所示。

3、电路原理

1．接口及电平移动电路

由相应电路送来的NRZ信码于数字信号输入端口加入本模块。

接口及电平移动电路由US01等组成。US01是TTL-ECL的电平转换芯片，将输入的标准TTL电平转换成适合LD驱动电路工作的ECL电平。电阻RS04、RS05和RS09、RS10是US01的负载电阻，同时起到电平移位的作用，将US01输出的ECL电平向负方向移动，以保证驱动电路工作在线性开关状态。

图9-1 LD数字光发电路原理框图

为把噪声干扰降至最低，LD的正极采用接地(外壳)方式，因此驱动电路必须采用负电源，而输入信码是TTL电平不适宜直接驱动，需要设置TTL／ECL电平转换电路使信号转换成ECL电平，即转换成以－0.8V为逻辑“1”，－1.6V为逻辑“0”的电平，再经过电阻RS04、RS05和RS09、RS10进行负向电平移动，将逻辑“1”移到－2.56V，逻辑“0”移到－3.04V，作为TS01、TS02的基极电平，而TS01、TS02的射极电平为－3.25V，这样就可以使TS01、TS02在进行高速开关转换时不致进入饱和状态，保证对高码速应用的适应性。 2．LD驱动电路

LD驱动电路由晶体管TS01、TS02组成的射极耦合电流开关电路构成。激光器LD的正极接地，负极经电阻RS12接到TS02的集电极。RS30、RS31及TS04为LD提供偏流。

设加入US01输入端的信码流为Vin，US01的同相输出端(1)经电阻RS05连接到TS02的基极，电压设为Vsc，反相端(2)经电阻RS04连接到TS01基极，电压设为VO。当输入Vin为高电平“1”时，V O 为低电平“0”，而V O为高电平“1”，这样TS01基极电位低于TS02的基极电位， TS01截止，TS02导通，有集电极电流输出，集电极输出的数字脉冲电流注入LD，直接驱动LD发出激光；反之，当输入Vin为低电平“0”时，V O为高电平“1”；而V O为低电平“0”，这样TS02基极电位低于TS01的基极电位，TS01导通，TS02截止，LD的Im通路被阻断而不发出激光。

3．偏置电路

因为LD是阈值元件，阈值为Ith，如图2-2所示。

图2-2 LD的调制原理

当注入电流较低时，只有自发幅射存在，这时半导体激光器发射的是荧光，相当于发光二极管的情况。当注入电流达到Ith时，输出功率急增，这时LD发射的是激光。通常设置预偏置电流Ib(Ib略小于Ith)。设置Ib的原因是：如果不设置Ib，而直接用调制信号Im来进行调制的话，则需要提供幅度变化较大的电流；有了Ib后，相当于减小了Im的变化范围，这样有利于提高调制速度。

实际上是在LD的负端设置两套电流通路，一套是预偏置电流Ib通路，一套是调制电流Im通路，两部分电流叠加在LD上，即用I=Ib+Im进行调制。

LD的预偏置电路如图2-3所示。

图2-3 LD的预偏置电路

预偏置电路由RS30、RS31、CS12、TS04、TS03、RS33、RS34组成。RS30、RS31用于限制Ib的最大值，CS12为滤波电容，用来滤除交流分量。TS04的基极受APC电路控制，并通过TS04完成对LD偏置电流的自动控制。 4．自动光功率控制电路(APC)

设置自动功率控制APC（Automatic Power Control）的原因有两个：一是因为LD的阈值电流随温度的影响变化很大，典型温度特性曲线如图2-4所示。

图2-4 LD的P-I特性及阈值受温度影响发生的变化

由图看出，当温度从20℃升高到50℃时，由于Ith增大得过多，LD根本不能工作，此时无激光发出；二是因为P-I曲线的斜率随使用时间的增长而减小，即电光转换效率降低。

典型的LD寿命试验的P-I曲线如图2-5所示，每隔100～200h测一条曲线，当使用时间达1700h时，LD已不能提供连续工作。为了稳定输出光功率，必须设置APC电路。

图2-5 寿命(老化)对激光器P-I特性的影响

本实验系统设有自动功率控制电路，采用LD的背向光反馈自动控制偏置电流的方式，即用半导体激光器组件中的PD光电二极管监测激光器背向输出光功率。由于背向输出光功率与前向输出光功率是等比例变化的，所以通过闭环控制系统，就可自动调节激光器的电流，达到稳定输出光功率的目的。

自动功率控制电路如图2-6所示。由运算放大器US03A、US03C、US03D和三极管TS04等组成控制环路。反馈取自LD的背向光，由PD检出并转换成相应的电流，经CS09滤波后加于US03A运算放大器，US03A是一个并联反馈放大器，电位器WS02用来调节该放大器的增益，以适应灵敏度不同的PD管，使得在相同光功率输出时，US03A的直流输出电压基本不变。此输出电压加于US03D的反相输入端，US03D是比例积分放大器，在理想情况下，积分器的输出电压与积分器的时间常数即RS27和CS10的乘积有关。

US03D的输出电压经二极管DS03和电阻RS32加于TS04的基极，进而控制其集电极电流，也就是LD的偏置电流Ib。这样，由背向光反映LD的输出光功率，并通过运算放大器和三极管的逐级放大，最终控制Ib，构成了完整的反馈控制环路。

控制的大致过程如下：当某种原因使LD输出光功率降低时，背向光减弱，使PD流过的反向电流减小，导致US03A的反向输入端电位升高，进而使运放输出端电位降低，这使得下一级运放US03D的输出电压升高，三极管TS04基极电流因而增大，并导致集电极电流增加，即LD的偏置电流Ib增大，使LD的输出光功率增大，从而维持了输出光功率基本不变。

运算放大器US03C用来引入参考信号，以便于对LD的偏置电流Ib进行人工调节。直流参考电压由-5V电源VEE经RS06和电位器WS01分压后取得，该直流参考电压由US03C的同相输入端引入运算放大器。调节电位器RS01，即可实现人工调节偏流。

在运算放大器US03C的反相输入端引入数字信号作另一个参考信号。引入这个数字参考信号的作用，是防止控制电路在无信号输入或输入信号为长连“0”时，偏流在基本APC电路作用下自动增大，白白消耗光能量并造成误码，甚至因发出过高的直流光而烧毁LD。 由图中可以看出，加于驱动电路TS01基极的是来自US01反相输出端的/U O，加于TS02基极的是来自US01同相输出端的U O，加于运放US03C反相端的数字参考信号取US01的另一个反相输出端（第4脚），电平也为/U O。

当输入信号消失或送入长连“0”时，如果没有引入这个数字参考信号，因U O为“0”，Id减小并实施负反馈调节的结果，使Ib上升；当引入数字参考信号后，U O为低电平，而/U

O则为高电平，APC

反馈环的调节使Ib增大；而/U O的高电平却使US03C的输出电平降低，

使US03D的同相输入端的电平也随着降低，部分抵消了基本APC电路的作用，结果保持Ib不会产生明显的变化。

TS03用于偏流的限流保护。当Ib达到一定值时，RS33和RS34上的电压加大，TS03的B-E极间电压升高，使得TS03导通；分流了一部分TS04的基极电流，从而限制了Ib的增加。（接下页）

图2-6 APD控制电路原理图

第四节 数字光发送接口指标测试实验

一、 实验目的与要求

1、 了解数字光发端机平均发送光功率的指标要求，并掌握测试方法 2、 了解数字光发端机的消光比的指标要求，并掌握测试方法

二、 实验内容

1、 测试数字光发端机的平均光功率 2、 测试数字光发端机的消光比

三、 实验仪器

光纤综合传输模块（A或B）、光功率计、FC-FC光跳线、万用表。

四、 基本原理

平均发送光功率是指在外加伪随机二进制序列作为测试信号的情况下，用光功率计在数字光发送机输出光接口处直接测试得到的光功率，此数值即为数字光发送机的平均发送光功率。采用伪随机码型可使发送数码具有“1”、“0”等概率的特点。

平均发送光功率与输入的码型有关，NRZ码与RZ码相比，其占空比分别为100％、50％，因而NRZ码的平均光功率比RZ码大一倍，即3dB。另外，平均发送光功率是在额定偏置电流和调制电流条件之下测得的，否则结果会有偏差。

消光比是指数字驱动电路输入为全“1”码时光发送机的平均发送光功率P1，与数字驱动电路输入为全“0”码时光发送机的平均发送光功率P0之比的对数表达值，将测得的光功率P1，P0代入公式；

EXT?10lg即得到光发送机的消光比。

P1 式4-1 P2光通信系统消光比太大，即预偏置电流太小或没有，调制电流的增大要先经过低于LD阈值的一段区域才能进入激射区，出现较大的时延，影响光通信系统的传输速率；消光比太小，则调制深度浅，这时会出现平均发送光功率很大而“1”、“0”码对应的光功率差值却不大的情况，使接收端有用的光功率摆幅减小，因而影响系统的接收灵敏度。

五、 实验步骤

A、 数字光发送机的平均发送光功率的测试

1、 确保光纤综合传输模块交流电源开关处于关闭状态，将跳线开关SS01插向“数字”

端，使光发送模块处于数字传输状态。

2、 将光跳线的一端的金属活动连接器与光发送端口的法兰盘对接，（注意双手操作，一

手保持器件间的同轴性，一手小心地推动活动连接器插入法兰盘，并保证活动连接器的凸起部分与法兰盘凹槽完全吻合，然后微微拧紧固定帽即可）；

3、 将光跳线的另一端与光功率计的法兰盘端口对接，方法同上。并将光功率计根据实

际测试的波长调到1310nm或1550nm档。

4、 连接导线：取实验导线一根，一端连接数字电路模块（数字传输系统一）板上 “加

扰模块”中的“加扰输出”，或“CMI编码模块”中的“输出数据”，另一端连接1310nm或1550nm光发送机的“数字输入”接口，向光发送机送入“1”、“0”等概率的数字信号。

5、 打开光纤综合传输模块交流电源开关，使系统正常工作。

6、 用光功率计测量此时光发端机的光功率，即为光发端机的平均发送光功率。 7、 做完实验后关掉交流电开关。

B、数字光发送机的消光比测试

1． 保持A实验部分的所有实验导线。

2． 将光发送机“数字输入”旋钮上方的输入选择跳线开关上的跳块置于“ALL 0”位置， 此时将直流低电平送入光发送机，激光器所得到的码型为全“0”码，测得此时光发送机输出的光功率为P0。

3． 将光发送机“数字输入”旋钮上方的输入选择跳线开关上的跳块置于“ALL 1”位置， 此时将直流高电平送入光发送机，激光器所得到的码型为全“1”码，测得此时光发端机输出的光功率为P1。

4． 代入式11-1即得光发送机的消光比。

5． 做完实验后关闭交流电源开关，拆除实验导线。 6． 拆下光功率计，将光纤综合传输模块还原。 7． 将各实验仪器摆放整齐。

六、 实验结果分析与处理

1、 记录光发端机的平均光功率5次，取平均值并填入表中。 2、 通过实验数据计算光发端机的消光比。 思考问题：

1． 光纤通信系统中的消光比的大小对系统传输特性有何影响?为什么? 2． 设计一种实验方法，测出光收发一体化模块的平均输出光功率。

第五节 光接收机电路原理测试实验

一、 实验目的

1、 熟悉光接收机的基本概念和组成 2、 掌握光接收机电路的基本工作原理

二、 实验内容与要求

光接收机电路组成原理

三、 实验仪器

1、 光纤综合传输模块（A或B）、 2、 光功率计

3、 20M以上双踪示波器 4、 FC-FC光跳线一根

四、 基本原理

光接收机用于把光纤送来的光信号变换为电信号，经过前置放大、主放、电平箝位后恢复出原始模拟电信号；在数字光接收机中，还要在主放及电平箝位后加入判决整形电路，恢复出原始数字信号。判决整形电路一般分为幅度判决和再定时（时间判决），幅度判决用于消除幅度畸变及叠加的噪声，再定时则用于消除抖动的影响。在抖动影响较小的传输系统中，往往可省略再定时功能，简化设备，即成为所谓“2R”系统。

图5-1 数字光接收机方框图

光接收机的电路组成方框图如图5-1所示。前置放大器盘电原理图如图5-2所示。 在数字光通信系统中，数字光接收机的功能是把来自光纤的光脉冲信号转换为电脉冲信号，并给予足够的放大，输出一个适合定时判决的脉冲信号到判决电路，还原原始电脉冲信号。

光电检测前置放大级：

光电检测器的功能是把光信号转换为电信号，以实现电的放大。前置放大器是光接收 机的关键器件之一，光接收机的主要质量指标之一是接收机的灵敏度，而前置放大器对接收机的灵敏度有直接的影响。所谓接收机灵敏度，是指接收机在保证特定误码率(如10-9) 的条件下，所需要的最小输入光功率。一般输入光功率(即接收光功率)是指整个码流平均的光功率。前置放大设计的重点是保持优良的信噪比，将来自光电检测器的微弱电信号进行放大。由M1、M2、M3组成。

Ml为光电检测器，采用光探测二极管PIN，对应于电原理图（图5-2）中的PIN器件。 M2和M3组成前置放大器电路。其中M2为前置放大器一，用于进行缓冲和阻抗变换，由一只高频三极管及周边元件组成。对应于电原理图的TR01等部件。

M3为前置放大器二，由线性宽带集成放大器AD8002及周边元件组成组成，对应于电原理图中的UR03A。

M4是由高频三极管放大器和射极跟随器以及相关元件组成的宽频主放大电路，对应于电路原理图中的 TR02、TR03；

M5为箝位电路：由宽频放大器送来的放大后的信号加于本电路的输入端，经射级跟随器TR05进行隔离和阻抗变换后，送到由电容CR21、二极管DR04、电位器WR02、电阻RR22和三极管TR06输入端等组成的二极管箝位电路。箝位电路的作用是将判决前信号的基线箝位在由电位器WR02调定的电位上，以消除输入信号基线漂移并使接收的数据信号处于最适合判决的纵向位置上。

M6为幅度判决电路：幅度判决电路的作用是根据主放输出信号的幅度与门限的相对关系，识别信号当前值是“1”还是“0”，并恢复正确的数字信号电平。 判决过程如下：

①确定判决电平，即确定阈值Ud。 ②对输入信号进行抽样，得到样值A。 ③将样值A与阈值Uf进行比较： 若 A>Ud，判为“1”；

若 A

在实际电路中，幅度判决由精密电压比较器UR05来完成，幅度判决也可称为“整形”。波形如图5-3所示。其中：(a)为比较器UR05输入的判决前波形，可通过示波器在TPR03测试孔处观察，理想波形应为升余弦波。(b)是经幅度判决后的数字脉冲波形，可通过示波器在TPR05测试孔处观察。

图5-2 光接收机电路原理图

判决电平可由电位器WR03来调定。方法如下：

调整信号基线位置：首先调整判决前波形的基线位置（这一步最好由教师在实验前准备过程中进行）。在输入光功率强弱适度时，用示波器（注意一定要用直流“DC”档）在“模拟出”测试孔处观察判决前波形，然后调整小型电位器WR02，使图形上、下移动，将其中间的基线位置调整于直流1.3V左右。

然后调整判决门限，用示波器在“判决电平”测试孔处观察（注意一定要用直流“DC”

档，而且幅度旋钮维持上一步的状态不变），然后调整“判决电平”控制电位器WR03， 正好使观察到的直流判决电平落在上一步观察波形的基线附近，即在判决前波形的腰部附近即可。

图5-3 幅度判决波形示意图

(a)“模拟出”测试孔的波形，(b)“数字出” 测试孔的波形

五、

实验步骤

（以下实验步骤可在光纤综合传输模块A的1310nm光端机接收模块或光纤综合传输模块B的1550nm光端机接收模块上各自独立进行。）

1. 复习光发送模块使用方法： a) 模拟信号的发送准备：

关闭系统电源，将光发送模块工作方式选择跳线块SS01插在“模拟”端（下边）。用实验导线将模拟信号源模块的正弦波输出端口与光发模块的模拟输入端口（TPS02）连接，并将跳线开关TPS08短接。

b) 数字信号的发送准备：

关闭系统电源，将光发送模块工作方式选择跳线块SS01插在“数字”端（上边）。用实验导线连接数字电路模块（数字传输系统一）板上的任意数字输出信号（如“复接模块”中的“复接数据”、“加扰模块”中的“加扰输出”、 “CMI编码模块”中的“输出数据”、“5B6B编码模块”中的“输出数据”等）与光发送模块的“数字输入”端口。

2. 熟悉光接收模块，进行光路部分的连接：

取下光发/光收端口上的红色橡胶保护套及FC-PC的光跳线两端的保护套，将光跳线的一端与光发送机光输出端口的法兰盘对接，（注意双手操作，一手保持器件间的同轴性，一手小心地推动活动连接器插入法兰盘，并保证活动连接器的凸起部分与法兰盘凹槽完全吻合，然后微微拧紧固定帽即可），将光跳线的另一端与光接收机光输入端口的法兰盘对接，方法同上。

3. 用双踪示波器同时观察对比发送信号和接收信号的波形（注意保证示波器探头地线与光纤综合传输模块地线的良好连接）：

进行模拟传输时，将示波器的A通道探头接在光发送模块的模拟输入端口TPS02，B通道探头接在光接收模块的模拟输出端口TPR04。

1. 调节光发送机模块上模拟部分的电位器WS04（输入信号“模拟幅度”调节）、WS05（激光器“模拟偏流”调节），观察光接收端输出波形的变化。

2. 调节光接收机模块上的电位器WR01（线性放大“通道增益”调节）、WR02（用于调节线性放大通道输出信号的基线位置），观察光接收端输出波形的变化。

进行数字传输时，将示波器的A通道探头接在光发送模块的数字输入端口TPS01，B通道探头根据测试顺序分别接在光接收机模块的“模拟出”测试孔TPR03处，或数字输出端口TPR05处。（注意：“模拟出”测试点也就是数据传输时判决前信号的测试点）。

1. 调节光接收模块的电位器WR01（线性放大“通道增益”调节），观察光接收机主放输出信号波形的变化情况。

2. 调节光接收模块的电位器WR03（“判决电平”调节），观察光接收机数字输出端口输出波形的变化过程。特别注意观察判决电平在信号上下摆幅之间、高于上摆幅和低于下摆幅三种不同情况下，经判决后的数字信号是何种形态。

六、 实验结果分析处理

1. 2.

画出本实验系统的组成方框图，并在图中标出各个测试孔名称及所在的位置。 记录并画出光接收机各个关键测试部位所得到的波形。

第六节 光可变衰减器性能测试实验

一、实验目的与要求

1、 使学生深入了解光可变衰减器的各种特性 2、 熟悉光可变衰减器的应用方法

二、实验内容

a) 用小型法兰式光可调衰减器构建光传输通路 b) 衰减调节范围测量和回波损耗测量

三、实验仪器

1、 光纤综合传输模块（A或B） 2、 光无源器件 3、 光功率计

1台 1套 1台

四、基本原理

光衰减器

能够使传输线路中的光信号产生定量衰减的器件称为光衰减器。光衰减器可大致分为固定和可变两类。固定衰减器和可变衰减器的主要指标是其衰减量的准确度、精度和稳定性或重复性，以及适用的波长区域。

使光纤中的光信号功率衰减的办法很多，因此衰减器的原理和结构形式也多种多样。图6-1 是一种小型法兰式光可调衰减器（FC标准适配器形式），应用于光纤传输线路中，可对光强进行0～25dB连续可变的衰减，对衰减量进行在线式调整与锁定，使用比较方便。表6-1 列出的是该光可调衰减器技术性能参数。

图6-1 小型法兰式光可调衰减器

表6-1 法兰式光可调衰减器技术性能参数

参数 工作波长 附加损耗 衰减量 输入/输出形式 外形尺寸 温度范围

mm ℃

单位 nm dB dB

指标 1310或1550 ≤0.3 0～25 FC Ф19×18.5 -40～＋80

五、实验步骤

（以下实验步骤可在光纤综合传输模块A的1310nm光端机收发模块或光纤综合传输模块B的1550nm光端机收发模块上各自独立进行。）

a) 关闭系统电源，将工作方式选择跳线块SS01插在“数字”端（上边），使光发送模

块处于传输数字信号状态；

b) 数字信号的发送准备：将光发送模块“工作方式选择跳线块”SS01插在“数字”

端（上边），用实验导线把数字电路模块（数字传输系统一）板上的5B6B编码模块中的“输出数据”与光发送模块的“数字输入”端口；

c) 按图13-2连接好测试设备，连接时取下光发/光收端口上的红色橡胶保护套及

FC-PC的光跳线两端的保护套，将光跳线的一端与光发送机光输出端口的法兰盘对接，（注意双手操作，一手保持器件间的同轴性，一手小心地推动活动连接器插入法兰盘，并保证活动连接器的凸起部分与法兰盘凹槽完全吻合，然后微微拧紧固定帽即可），将光跳线的另一端与光接收机光输入端口的法兰盘对接，方法同上。 光功率计 1310/1550nm LD 跳线1 a b 光可变衰减器 跳线2

图6-2 光可变衰减器性能测试连接示意图

1、最小插入衰减测量

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