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1、光通信实验系统的应用,理学院物理实验教学中心,关春颖 副教授,实验目的,了解光通信系统的基本构成和相关知识学习LED光源的结构及其特性掌握基带直接强度调制（DIM）的基本原理学习模拟信号的脉冲频率调制（PFM）基本原理了解数字光纤通信的编解码原理了解视频信号的传输过程,光纤通信发展简史,1966年 华裔科学家高锟博士等人提出从玻璃材料中去除杂质可以制成衰减为20dB/km的光导纤维。1970年 美国康宁玻璃公司根据高氏理论首先制造出衰减为20dB/km的光导纤维，使光导纤维的发展得到突破。1973年 美国贝尔研究所生产出衰减为1dB/km的低损耗光纤1976年 日本电报电话公司（NTT）制造出
2、0.5dB/km 的低损耗光纤1979 年是0.20 dB/km，1984年是0.157 dB/km，1986 年是0.154 dB/km，接近了光纤最低损耗的理论极限。1976年 在美国亚特兰大成功进行了码速率为44.7Mb/s的光通信系统性能试验,从此光通信技术进入实用化阶段。,一、光纤通信基本知识,光纤结构及导光原理光纤由纤芯、包层和涂敷层三部分组成。纤芯位于光纤的中心部位。它的主要成分是高纯度的二氧化硅。其余成分为掺入的极少量掺杂剂，如五氧化二磷和二氧化锗。掺杂剂的作用是提高纤芯的折射率。纤芯的直径2a一般为5-50m。包层也是含有少量掺杂剂的高纯度的二氧化硅。掺杂剂有氟或硼。这些掺杂
3、剂的作用是降低包层的折射率。包层的直径2b为125m。包层的外面涂敷一层很薄的 涂敷层。目前涂敷层的材料 一般为环氧树脂或硅橡胶。,一、光纤通信基本知识,光纤基本类型突变折射率型多模光纤（SIF）：纤芯直径5060m，光线以折射形状沿纤芯轴线方向传播，存在多条路径，并有较大的时延差，因而信号畸变大。渐变折射率型多模光纤（GIF）：纤芯直径50m，光线以曲线形状沿纤芯轴线方向传播，各条路径时延差较小，因而信号畸变较小。单模光纤（SMF）：纤芯很细，直径约10m，只有一种传播模式，信号畸变很小。光纤传输特性传输损耗色散,光纤通信优点,频带宽,通信容量大 理论上讲一根单模光纤可利用的带宽达20THz
4、(1THz=1012Hz)以上,现在最先进的光纤通信系统达400GHz,而一路电话带宽约占4KHz频带,一路彩色电视约占6MHz频带。损耗低,中继距离长 铜缆的损耗特性与缆的结构尺寸及所传输信号的频率有关,光缆的损耗特性仅与玻璃的纯度(或者说透明度)有关,高质量望远镜的镜头其损耗超过500dB/km,目前通信用光纤的最低损耗达0.2 dB/km。,光纤通信优点,具有抗电磁干扰能力光导纤维是绝缘体材料,不受输电线,电气化铁路及高压设备等电器干扰,可以与高压电线平行架设,还可制成复合光缆无串话,保密性好通信质量高线径细,重量轻,柔软可制成大芯数高密度光缆单芯光缆可安装在飞机,火箭,潜艇及航天飞机上
5、节约有色金属,原材料资源丰富可节约大量铜金属,光纤通信用途,传输网 接入网 有线电视系统CATV 大楼综合布线系统 校院网(局域网),光发射机,光源：发光二极管（LED）：自发辐射，输出光功率小，谱宽，稳定，长寿命（107），价低，适用于小容量、短距离传输系统。激光二极管（LD）：受激辐射，输出光功率大，谱窄，波长稳定，长寿命（105至106），价高，适用于大容量、长距离传输系统。光调制器：目前采用强度调制（由于光源频谱不纯，尚未实现相干光通信）；分内调制和外调制，对于数字调制，用光脉冲的有无代表数字信息（0和1）。,光接收机,光检测器的功能：光信号的解调（O/E）光检测器的类型：PIN光电二
6、极管、雪崩光电二极管（APD）光接收机的灵敏度取决于噪声特性（包括光检测器的噪声和电放大器的噪声）和误码率指标APD是有增益的光电二极管适用于灵敏度要求较高的场合，但需采用复杂的温度补偿电路，故成本高；在灵敏度要求不高的场合，宜采用PIN管。光接收机中还有电的放大器、自动增益控制电路、均衡再生电路等。,实验仪器,主机、显示器、摄像头、麦克风、信用多模光纤和数字示波器组成。,光发射机,光发射机前面板,光发射机后面板,光接收机,光接收机前面板,光接收机后面板,数字示波器,实验内容及操作步骤,实验一 LED光源I-P特性研究实验二 模拟信号的直接强度调制传输实验三 模拟信号的脉冲频率调制(PFM)传
7、输实验四 数字编码传输实验实验五 视频信号的光纤传输实验,实验一 LED光源I-P特性研究,在实验过程中，我们能否看到光源LED发出的光？,LED即发光二极管是靠PN 结附近的电子和空穴对的复合而进行自发辐射发光。,LED的发光机理：,本实验仪采用的LED光源，其中心波长为850nm。,1.LED光源I-P特性曲线数据表格,实验一 LED光源I-P特性研究,思考题：,为什么要获得光源的I-P特性曲线？,1.LED光源I-P特性曲线数据表格,实验二 模拟信号的直接强度调制,什么是直接强度调制？直接强度调制方式就是用基带信号直接对光源进行强度调制，也就是使光源的光强度直接随传输的信号变化。此时光纤
8、通信系统的传输带宽只要满足信号带宽就够了，其缺点是对光源的线性度要求高如用普通LD作光源则由于光源的非线性和模式噪声和模分配噪声的限制，难以实现达到较好的性能指标。在这种调制方式中，通常使用驱动电流光输出特性线性较好的LED作光源。,实验二 模拟信号的直接强度调制,思考题：,如果静态工作点没有在光源的线性区，会对传输结果产生怎样的影响？,偏置电流的变化,实验三 模拟信号的脉冲频率调制(PFM)传输,脉冲频率调制（PFM）方式是目前模拟信号传输中传输质量较高的一种方式，是信号进行光强度调制之前的一种预处理过程。信号经过脉冲频率调制以后，可以有效避免光源非线性带来的影响，并以此换取传输质量的提高。,脉冲频率调制示意图,实验三 模拟信号的脉冲频率调制(PFM)传输,实验数据记录 记录PFM调制的中心频率思考题 如果工作在静态工作点没有在光源的线性区，会对传输结果产生怎样的影响？,在光纤数字传输中，一般不直接传输由电端机送来的数字信号，而是经过码型变换，变换成适合在光纤数字传输系统中传输的光线路码型。为什么要用编码传输？,实验四 数字信号编码传输,实验四 数字信号编码传输,编码波形图,原始信号-编码-光传输-光检测-放大-整形-定时提取-解码-原始信号,实验五 视频信号的光纤传输实验,思考：哪些参数影响视频信号的传输质量？,
