数字信号光纤传输技术实验

数字信号光纤传输技术实验

光纤传输技术是现代科学技术发展的一项最新成就，光纤通讯是这项技术应用的重要领域。随着科学技术的不断发展，这一科学技术的应用范围会越来越广。本实验采用微型计算机控制的数字信号的光纤传输技术实验系统，由于该实验系统是集光电子技术、光纤传输技术、模数、数模转换技术及计算机通讯与接口技术等多种技术于一体，所以通过这一实验系统进行的各种实验，对于扩大学生知识面和增强他们综合运用多种知识解决实际问题的能力均具有十分重要的作用。

一实验目的

1．了解数字光纤通讯的基本原理

2．测量电光特性和光电特性，对误码现象及收、发时钟的同步, 数字式光信号发送和接收等问题进行实验研究和观测。

3．利用单台计算机进行光纤通讯技术实验。

二实验原理

图1中表示了一个目前实用的光纤通讯系统的结构框图（图中仅画出一个方向的信道），该系统由以下四部分组成：光信号发送器、传输光缆、光信号接收器和收、发端的电端机。

图1 光纤通讯系统的结构框图

光信号发送器实质上是一电光调制器，它用电端机（发）送来的电信号对光源进行调制，光源一般是半导体激光器和发光二极管，调制方式在目前实用系统中大都采用光强直接调方式，光源器件经调制的光功率耦合到光纤中后把光信号传输到接收端，接收端的光电子检测器件（一般为半导体PIN管和雪崩管）把光信号变成电信号，再经放大、整形处理后送至电端机（收）。

以上的系统结构框图对模拟信号和数字信号系统均适用。对模拟信号而言，由电端机（发）送来的是话音或图像信号，要求光信号发送器中的光源器件应具有线性度良好的电光特性，对于数字信号的光纤通讯系统，光源器件的非线性对系统性能影响不大。图2示出了数字信号光纤通讯系统中的光端机（即光信号）的发送器和接收器）的结构示意图。该图中各单元的功能如下：

图2 数字信号光纤通讯系统结构示意图

极性双单变换单元是把来自电端机的双极性信号变换成单极性码，以便实施对光功率的调制；扰码及线路码变换是为了避免在光纤信道中出现长连的“0”码或长连的“1”码，以利接收端时钟信号的提取和误码率的监测；光发送单元的作用是把数字信号的电脉冲调制成光脉冲，并把光脉冲耦合到光纤信道中去，在接收端经光电检测器和低噪声放大器组成的光信号接收单元是把来自光纤输出端的光脉冲转变成电脉冲，经放大后输出。

在长距离高速率的光纤通讯系统中，由于光纤的各种“色散”效应可能使传至接收端的光脉冲波形产生严重的畸变而引起码间干扰，接收端的均衡器就是为克服这一影响而设置的一个单元；再生单元的作用是把经过判决之后的数字信号进行再生。接收端再生单元以后的各单元与发送端它们所对应的单元相比，具有相反的功能。

光纤通讯系统中所用的光纤分多模光纤和单模光纤两种，多模光纤主要用于模拟信号传输系统或传输距离不太远、传输数码率不高的数字信号光纤传输系统中；单模光纤用于高速的光纤通讯系统中，有关以上两类光纤的结构、性能的详细论述见参考文献[1]。

光纤通讯系统中常用光源器件，主要是半导体发光二极管LED（发光中心波长0.86μm）和半导体激光器LD（波长1.3~1.5μm），前者具有线性度良好的电光特性，适用于模拟信号光纤传输系统中或传输码率不高的小容量的数字光纤通讯系统中；后者出光功率较大，波谱窄，发光中心波长能与光纤信道理论上的“零色散”所要求的波长匹配，故常用于以单模光纤作为信道的高速系统中。

光纤通讯系统中常用的光电探测器件，主要有PIN光电二极管和雪崩光电二极管，PIN 光电二极管与普通的PN结光电二极管相比，不同之处就在于在普通光电二极管P层和N层之间有一层低掺杂的N型半导体，且尺寸较宽，增加的中间层掺杂浓度之低以致可把该层近似为本征半导体，故用“I”表示，在结构上的以上改进就使得PIN结构的光电二极管具有较宽的耗尽区和较小的结电容，从而提高了它的光电转换效率和对高速码率数字信号的响应能力，由硅材料制做的PIN光电二极管响应波谱为0.5~1.0μm范围，中心响应波长为0.9μm，这与光纤的一个低损耗波长对应。

雪崩光电二极管APD在结构上使它所用的偏压能够达到较高的值，在这一高反压作用下，使APD内形成一个高电场区，当光信号照射在APD上，光子激发出电子空穴对之后，受高电场区内的电场加速，可以碰撞出二次电子空穴对，形成光电流的倍增，提高了器件的灵敏度，以利于实现远距离的光纤通讯。有关光纤通讯中采用的上述电光和光电器件的结构、工作原理及性能的详细论述见参考文献[2]。

三 实验装置

实验系统的基本结构如图3所示，它包括了以下几个主要部分：

1．光讯号发送部分；

2．传输光纤；

3．光讯号的接收和再生部分；

4．计算机和模数、数模转换及数字信号的并串，串并转换接口电路；

5．时钟系统；

6．模拟信号源。

其中光讯号发送部分采用中心波

长为0.85μm 的半导体发光二极管作

光源器件，传输光纤采用芯径50μm ，

包层125μm 的多模光纤、光讯号接收

部分采用硅光电二极管作光电检测元

件，计算机接口卡采用ADC0809和

DAC0832集成电路分别完成A/D 和

D/A 转换，用8251集成芯片按异步方

式进行数字信号的并/串和串/并转换。

以上器件和集成电路工作原理及性能

的详细说明见文献[3，4] 整个实验系统的工作过程如下：

被传输的数字信号可以是经键盘输入的数字信号，也可是模拟量经A/D 转换后的数字信号，这些数字信号经计算机CPU 和8251A 的数据发送端（TxD 端）输出，对半导体发光二极管LED 的光强进行调制，产生数字式的光信号经传输光纤传至接收端。在接收端经光—电转换和再生电路把光信号变换成电信号，并经8251A 进行数字信号的串/并转换后送入接收端的计算机进行处理，最后根据被传输的数字信号所代表的信息的不同含义，或在屏幕上显示，或经D/A 转换后恢复成模拟电压对其他外设实行控制。

四 实验内容

１．系统单机连接

a. 打开PC 机并把本实验系统提供的通讯接口板插入计算机内任一空闲的ISA 扩展槽内。

b. 把20线扁平电缆的两端插入（I ）号光端机后面板和计算机通讯接口板的牛角式插座内。

c. 用两端带香蕉插头的导线接通（I ）号光端机前面板上“TxC ”和“RxC ”端，使8251芯片的接收时钟和发送时钟具有同一值（注意：如果未接这条导线，8251的接收器因无时钟脉冲而不能正常工作！）。

d. 把两端带拾音插头的电缆线的一端插入光纤绕线盘端面上LED 的电流插孔内，而电缆线另一端的拾音插头插入（I ）号光端机前面板上“LED ”的插孔内。

e. 把光电探头插入光纤绕线盘端面上的同轴插孔中，并把光电探头的两条引线接入（I ）号光端机前面板标有“SPD ”标记的插孔内。

f. 把音频信号源和小音箱分别插入（I

）号光端机后面板的“调制输入”和带喇叭标志图3 数字信号光纤传输系统硬件结 构的基本框图