光通信实验教材.doc

光纤通信原理实验目 录光纤通信系统简介2ZY12OFCOM13BG3光纤通信原理实验系统简介5光纤实验箱使用注意事项9实验一 半导体激光器P-I特性测试实验10实验二 发光二极管P-I特性测试实验14实验三 预失真补偿实验17实验四 数字发送单元指标测试实验21实验五 光电探测器特性测试实验25实验六 数字接收单元指标测试实验28实验七 多模光纤衰减测试实验32实验八 单模光纤损耗测试实验35实验九 光无源器件特性测试实验38实验十 光纤活动连接器损耗测试实验43实验十一 模拟信号光纤传输实验46实验十二 数字信号光纤传输实验49实验十三 电话光纤传输系统实验52实验十四 图像光纤传输系统实验56实验十五 数字光纤通信系统接口码型变换实验59实验十六 数字光纤通信系统线路编译码实验63实验十七 计算机数据光纤传输系统实验67实验十八 数字光纤通信系统综合实验71实验十九 数字光纤通信系统性能测试实验74实验二十 光纤通信系统的眼图测试实验77实验二十一 光纤通信网中的时分复用技术实验81实验二十二 光纤通信网中的光波分复用技术实验84实验二十三 光纤通信系统综合仿真实验87实验二十四 简易光功率计设计实验90实验二十五 CPLD电路设计实验93附录I 光纤通信系统常用仪表简介97附录 ZY12OFCOM13BG3型光纤通信实验箱各模块引脚说明107附录 无源器件简介114附录 英文缩写及文字符号对照表117附录 参考书目119光纤通信系统简介光纤是光导纤维的简称。光纤通信是以光波为载频，以光导纤维为传输媒质的一种通信方式。光纤通信使用的波长在近红外区，即波长8001800nm，可分为短波长波段（850nm）和长波长波段（1310nm和1550nm），这是目前所采用的三个通信窗口。光纤通信是人类通信史上一重大突破，现今的光纤通信已成为信息社会的神经系统，其主要优点是：1、光波频率很高，光纤传输频带很宽，故传输容量很大，理论上可通过上亿门话路或上万套电视，可进行图像、数据、传真、控制、打印等多种业务；2、不受电磁干扰，保密性好，且不怕雷击，可利用高压电缆架空敷设，用于国防、铁路、防爆等；3、耐高温、高压、抗腐蚀，不受潮，工作十分可靠；4、光纤材料来源丰富，可节约大量有色金属（如铜、铝），且直径小、重量轻、可挠性好。在20世纪70年代，光纤通信由起步到逐渐成熟，这首先表现为光纤的传输质量大大提高，光纤的传输损耗逐年下降。19721973年，在850nm波段，光纤的传输损耗已下降到2dB/km左右；与此同时，光纤的带宽不断增加。光纤的生产从带宽较窄的阶跃型折射率光纤转向带宽较大的渐变型折射率光纤；另外，光源的寿命不断增加，光源和光检测器件的性能也不断改善。光纤和光学器件的发展为光纤传输系统的诞生创造了有利条件。到1976年，第一条速率为44.7MB/s的光纤通信系统在美国亚特兰大的地下管道中诞生。80年代是光纤通信大发展的年代。在这个时期，光线通信迅速由850nm波段转向1310nm波段，由多模光纤传输系统转向单模光纤传输系统。通过理论分析和实践摸索，人们发现，在较长波段光纤的损耗可以达到更小的值。经过科学家和工程技术人员的努力，很快在1300nm和1500nm波段分别实现了损耗为0.5dB/km和0.2dB/km的极低损耗的光纤传输。同时，石英光纤在1300nm波段时色度色散为零，这就促使1300nm波段单模光纤通信系统的迅速发展。各种速率的光纤通信系统如雨后春笋般在世界各地建立起来，显示出光纤通信优越的性能和强大的竞争力，并很快替代电缆通信，成为电信网中重要的传输手段。光纤通信技术的发展，大致可以分为三个阶段：第一阶段（19701979年）：光导纤维与半导体激光器的研制成功，使光纤通信进入实用化。1977年美国亚特兰大的光纤市话局间中继系统称为世界上第一个光纤通信系统。第二阶段（19791989年）：光纤技术取得进一步突破，光纤损耗降至0.5dBm/km以下。由多模光纤转向单模光纤，由短波长向长波长转移。数字系统的速率不断提高，光纤连接技术与器件寿命问题都得到解决，光纤传输系统与光缆线路建设逐渐进入高速发展时期。第三阶段（1989年至今）：光纤数字系统由PDH向SDH过渡，传输速率进一步提高。1989年掺铒光纤放大器（EDFA）的问世给光纤通信技术带来巨大变革。EDFA的应用不仅解决了长途光纤传输损耗的放大问题，而且为光源的外调制、波分复用器件、色散补偿元件等提供能量补偿，这些网络元件的应用，又使得光传输系统的调制速率迅速提高，并促成了光波分复用技术的实用化。随着我国国民经济建设的持续、快速发展，通信业务的种类越来越多，信息传送的需求量也越来越大，我国光通信的产业规模不断壮大，产品结构覆盖了光纤传输设备、光纤与光缆、光器件以及各类施工、测试仪表与专用工具。可以展望：光纤通信作为一高新技术产业，将以更快的速度发展，光纤通信技术将逐步普及，光纤通信的应用领域将更加广阔。一个实用的光纤通信系统，要配置各种功能的电路、设备和辅助设施才能投入运行。如接口电路、复用设备、管理系统以及供电设施等等。根据用户需求、要传送的业务种类和所采用传送体制的技术水平等来确定具体的系统结构。因此，光纤通信系统结构的形式是多种多样的，但其基本结构仍然是确定的。图0-1给出了光纤通信系统的基本结构，也可称之为原理模型。光纤通信系统主要由三部分组成：光发射机、传输光纤和光接收机。其电/光和光/电变换的基本方式是直接强度调制和直接检波。实现过程如下：输入电信号既可以是模拟信号（如视频信号、电话语音信号），也可以是数字信号（如计算机数据、PCM编码信号）；调制器将输入的电信号转换成适合驱动光源器件的电流信号并用来驱动光源器件，对光源器件进行直接强度调制，完成电/光变换的功能；光源输出的光信号直接耦合到传输光纤中，经一定长度的光纤传输后送达接收端；在接收端，光电检测器对输入的光信号进行直接检波，将光信号转换成相应的电信号，再经过放大恢复等电处理过程，以弥补线路传输过程中带来的信号损伤（如损耗、波形畸变），最后输出和原始输入信号相一致的电信号，从而完成整个传送过程。根据所使用的光波长、传输信号形式、传输光纤类型和光接收方式的不同，光纤通信系统可分成：图0-1 光纤通信系统模型用户接口电发射端机输入接口光发端机用户接口电接收端机输出接口光收端机光缆光缆光中继器备用系统辅助系统（1）按光波长划分可以分为短波长和长波长光纤通信系统类别特点短波长光纤通信系统工作波长：800nm900nm；中继距离：£10km长波长光纤通信系统工作波长：1000nm1600nm；中继距离：>100km超长波长光纤通信系统工作波长：³2000nm；中继距离：³1000km；采用非石英光纤（2）按光纤特点划分类别特点多模光纤通信系统传输容量：£100Mbit/s；传输损耗：较高单模光纤通信系统传输容量：³140Mbit/s；传输损耗：较低（3）按传输信号形式划分类别特点数字光纤通信系统传输信号：数字；抗干扰；可中继模拟光纤通信系统传输信号；模拟；短距离；成本低(4) 按光调制的方式划分类别特点强度调制直接检测系统简单、经济、但通信容量受到限制外差光纤通信系统技术难度大，传输容量大（5）其它类别特点相干光纤通信系统光接收灵敏度高；光频率选择性好；设备复杂光波分复用通信系统一根光纤中传送多个单/双向波长；超大容量，经济效益好光时分复用通信系统可实现超高速传输；技术先进全光通信系统传送过程无光电变换；具有光交换功能；通信质量高副截波复用光纤通信系统数模混传；频带宽，成本低；对光源线性度要求高光孤子通信系统传输速率高，中继距离长；设计复杂量子光通信系统 量子信息论在光通信中的应用 ZY12OFCom13BG3光纤通信原理实验系统简介本套实验系统实验箱是为配合光纤通信课程的理论教学，结合目前光纤通信工程技术最新进展，为了提高大专院校学生实际操作和动手能力而研制开发的。一、主机箱简介它包含了光纤通信系统设备中的各个主要组成部分，具体由以下十二个模块组成。其印刷电路板布局图如图0-3所示，每个模块均留出了关键的测试孔和测试钩，利于客户连线做系统实验以及测试用。1、电源模块：提供实验箱各模块电源。2、光发送模块：实现各种信号的光传输。 3、光接收模块：实现光电信号的转换，滤波放大。4、预失真补偿模块：对信号进行预失真补偿；语音信号处理模块：提供语音信号输入输出及放大处理功能。5、语音信号处理模块：提供音乐芯片以及外置的语音输出，接受部分用扬声器扩出。6、模拟信号源模块：产生正弦波、三角波，频率在14Hz至300KHz之间连续可调；幅度在0V至5V之间连续可调。7、电话接口模块：提供电话接口功能。8、数字信号源模块：产生24伪随机码、位同步码、帧同步码。输出信号码元速率为64KB/s,伪随机码的码型可通过拨码开关任意设置。9、PCM编译码模块：实验PCM编译码功能。10、CMI编译码模块：实现CMI编译码功能。11、HDB3编译码模块：实现HDB3编译码功能。12、CPLD下载模块：提供位同步、帧同步功能；提供学生自主设计电路的功能。客户可以通过上述十二个模块以及相应的配件，灵活组成各种不同光纤通信系统，如：850nm波长光纤通信系统、1310nm波长光纤通信系统、1550nm波长光纤通信系统；同时也可以组成单模光纤通信系统、多模光纤通信系统；模拟光纤通信系统、数字光纤通信系统；时分复用传输系统和波分复用传输系统等光纤通信工程中常用的绝大多数光纤通信系统。实验系统基本组成方框图如图0-2所示：图0-2 光纤传输实验系统方框图实验系统主要由光发模块、光收模块、光无源器件和辅助通信模块等组成。光发端机完成将电信号直接调制至光载波上去，采用强度调制（IM）；光接收机完成光信号的解调，采用直接检测（DD），属于非相干解调。光载波由半导体光源产生，由半导体光检测器将光信号转换成电信号从而达到传输信号的目的。本实验系统可以完成模拟信号（正弦波、三角波、视频信号、音频信号）的光纤传输，也可以完成数字信号（NRZ码、CMI码、计算机串口数据）的光纤传输；可以实现接口码型HDB3、线路码型CMI、电终端PCM码型的编译码；也可实现四个时隙的复接、两个光波长的波分复用、时钟提取、帧信号的提取等实用先进功能；也提供了丰富的资源，以实现二次开发实验。实验设备的具体性能指标如下：1、电源模块输出：+5V、+12V、-5V、-12V、-48V2、方波信号输出（1）时钟信号：4.096MHz，32.768MHz（2）方波信号：64KHZ，256KHz，1.024MHz，14Hz 300KHz（3）数字基带信号的码速率分别为：64KHz，256KHz（4）频率输出误差：±1%（5）方波输出稳定度：±0.3%+3mV (电压纹波) ±0.3%+0.5V （电压过冲）（6）占空比: 50%3、正弦波信号输出（1） 频率输出范围：14Hz 300KHz（2） 幅度0V5V连续可调4、脉冲信号输出 （1）频率输出范围：8KHz（2）占空比：为6.25%（3）频率输出误差：±1%5、三角波信号输出（1）频率输出范围:14HZ 300KHZ连续可调（2）幅度：0V 5V连续可调6、数字、模拟电话（1）话音质量要求清晰，只允许有少量的脉冲噪声二、配件简介ZY12OFCom13BG3实验箱的配件共两部分：一部分装在无源器件箱内，一部分本身有独立包装，则单独配备。1、无源配件箱如图0-3所示，为供客户选配的光纤通信原理配件箱。最大容量可装载：波分复用器 两个 Y型分路器 一个FC-FC单模光跳线 两根 ST-FC多模光跳线 两根FC-FC多模光跳线 一根 ST-ST多模光跳线 一根850光发端机 一个 850光收端机 一个FC-FC适配器 一个 小可变衰减器 一个CPLD芯片 一块 芯片起拔器 一把下载线 一根 串口线 两根带弹片连接线 20根 三相电源线 一根音频线 一根 实验指导书 一本教师用书 一本 实验报告 一本发货光盘 一张 保修卡 一张2、第二部分配件共有如下几种：普通电话机 两部 扰模器 一台光功率计 一台 误码仪 一台视频传输配件（小电视机一台、摄像头一个、视频线两根）一套图0-3 无源器件箱示意图光纤实验箱使用注意事项光学器件属于昂贵易损器件，所以在实验操作过程中应加倍小心，防止光学器件的损坏，为了保证实验顺利地进行，请注意以下事项：1、请仔细阅读实验指导书操作步骤后开机实验，实验各测试点、跳线及开关说明请参考附录III，正确连接导线，以免造成光学器件和芯片的损坏。2、实验箱使用过程中应有防静电措施，以防静电损坏光学器件。3、光学器件属于昂贵器件，在安装和拆卸过程中请注意轻拿轻放，遇到问题须及时向老师报告。4、实验时不可将光纤输出端对准自己或别人的眼睛，以免损伤眼睛。5、实验箱使用完毕后，请立即将防尘帽盖住光纤输入、输出端口，用光纤端面防尘盖盖住光纤跳线端面，防止灰尘进入光纤端面而影响光信号的传输。6、若不小心把光纤输出端的接口弄脏，需用酒精棉球进行清洗。7、光纤跳线接头应妥善保管，防止磕碰，使用后及时戴上防尘帽。8、不要用力拉扯光纤，光纤弯曲半径一般不小于30mm，否则可能导致光纤折断。9、进行光纤传输实验时，半导体激光器驱动电流不要超过40mA，发光二极管驱动电流不要超过60 mA。10、不要用手触摸激光器和探测器的焊点，以免烧坏激光器与探测器。实验一 半导体激光器P-I特性测试实验一、实验目的1、学习半导体激光器发光原理和光纤通信中激光光源工作原理2、了解半导体激光器平均输出光功率与注入驱动电流的关系3、掌握半导体激光器P（平均发送光功率）-I（注入电流）曲线的测试方法二、实验内容1、测量半导体激光器输出功率和注入电流，并画出P-I关系曲线。2、根据PI特性曲线，找出半导体激光器阈值电流，计算半导体激光器斜率效率。三、预备知识1、光源的种类2、半导体激光器的特性、内部结构、发光原理四、实验仪器1、ZY12OFCom13BG3型光纤通信原理实验箱1台2、FC接口光功率计1台3、FC/PC-FC/PC单模光跳线1根4、万用表1台5、连接导线 20根五、实验原理半导体激光二极管（LD）或简称半导体激光器，它通过受激辐射发光，是一种阈值器件。处于高能级E2的电子在光场的感应下发射一个和感应光子一模一样的光子，而跃迁到低能级E1，这个过程称为光的受激辐射，所谓一模一样，是指发射光子和感应光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向和传播方向都相同，它和感应光子是相干的。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3050°，水平发散角为030°），与单模光纤的耦合效率高（约3050），辐射光谱线窄（0.11.0nm），适用于高比特工作，载流子复合寿命短，能进行高速信号（>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。阈值电流是非常重要的特性参数。图1-1上A段与B段的交点表示开始发射激光，它对应的电流就是阈值电流。半导体激光器可以看作为一种光学振荡器，要形成光的振荡，就必须要有光放大机制，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件称为阈值条件。一般用注入电流值来标定阈值条件，也即阈值电流。P-I特性是半导体激光器的最重要的特性。当注入电流增加时，输出光功率也随之增加，在达到之前半导体激光器输出荧光，到达之后输出激光，输出光子数的增量与注入电子数的增量之比见式1-1。 （1-1）就是图1-1激射时的斜率，是普朗克常数（6.625*10-34 焦耳秒），为辐射跃迁情况下，释放出的光子的频率。 P-I特性是选择半导体激光器的重要依据。在选择时，应选阈值电流尽可能小，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（测试方法见实验四）大，而且不易产生光信号失真。并且要求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1-1 LD半导体激光器P-I曲线示意图在实验中所用到半导体激光器输出波长为1310nm，带尾纤及FC型接口。其典型参数如下表1-1：Parameter参数Symbol符号Min最小值Typ典型值Max.最大值Unit单位Central Wavelength中心波长 128013101340nmSpectral Width RMS谱线宽度 25nmThreshold Current阈值电流815mAOptical output power输出功率0.20.61.2mWForward Voltage正向电压Vf1.21.6VRise Time/Fall Time上升/下降时间tr/tf0.30.5ns 表1-1 本实验半导体激光器的部分参数参考表六、实验注意事项1、半导体激光器驱动电流不可超过40mA，否则有烧毁激光器的危险。2、由于光功率计，光跳线等光学器件的插头属易损件，使用时应轻拿轻放，切忌用力过大。七、实验步骤1、将光发模块中的可调电阻W101逆时针旋转到底，使数字驱动电流达到最小值。2、拨动双刀三掷开关，将BM1、BM2选择在中间档，即将R110与电路断开。 3、用万用表测得R110电阻值，找出所测电压与半导体激光器驱动电流之间的关系（VIR110）。4、 拨动双刀三掷开关，BM1选择到半导体激光器数字驱动，BM2选择到1310。5、旋开光发端机光纤输出端口（1310nm T）防尘帽，用FC-FC光纤跳线将半导体激光器与光功率计输入端连接起来，并将光功率计测量波长调整到1310nm档。6、 连接导线：将T502与T101连接，将数字信号码型拨成10101010，10101010，10101010。7、 连接好实验箱电源，先开交流电源开关，再开直流电源开关，即按下K01，K02 (电源模块)，并打开光发模块和数字信号源的直流电源（K10与K50）。8、 用万用表测量R110两端电压（红表笔插T103，黑表笔插T104）。9、 慢慢调节电位器W101，使所测得的电压为下表中数值，依次测量对应的光功率值，并将测得的数据填入下表1-2，精确到0.1uW。10、做完实验后先关闭光发模块和数字信号源的直流电源（K10与K50），然后依次关掉各直流开关（电源模块），以及交流电开关。11、拆下光跳线及光功率计，用防尘帽盖住实验箱半导体激光器光纤输出端口，将实验箱还原。12、将各仪器设备摆放整齐。U(mV)12345678I(mA)P（uW）P（dBm）U(mV)910121416182022I(mA)P（uW）P（dBm）U(mV)2426283032343638I(mA)P（uW）P（dBm）表1-2 LD的P-I特性测试表13、测量半导体激光器输出功率和注入电流，并画出P-I关系曲线。14、根据PI特性曲线，找出半导体激光器阈值电流，计算半导体激光器斜率效率。八、实验报告1、 字迹工整,原理论述清楚2、根据测试结果，算出半导体激光器驱动电流，画出光功率与注入电流的关系曲线。3、根据所画的P-I特性曲线，找出半导体激光器阈值电流Ith的大小4、根据P-I特性曲线，求出半导体激光器的斜率效率。5、实验结果及误差分析正确。九、思考题1、试说明半导体激光器发光工作原理。2、环境温度的改变对半导体激光器P-I特性有何影响？3、分析以半导体激光器为光源的光纤通信系统中，半导体激光器P-I特性对系统传输性能的影响。实验二 发光二极管P-I特性测试实验一、实验目的1、学习发光二极管的发光原理2、了解发光二极管平均输出光功率与注入电流的关系3、掌握发光二极管P（平均发送光功率）-I（注入电流）曲线的测试二、实验内容1、测量发光二极管平均输出光功率和注入电流，并画出P-I关系曲线2、根据PI特性曲线，计算发光二极管斜率效率三、预备知识1、了解发光二极管与半导体激光器的异同点四、实验仪器1、ZY12OFCom13BG3型光纤通信原理实验箱1台2、FC接口光功率计1台3、850nm光发端机（HFBR-1414T） 1个4、ST/PC-FC/PC多模光跳线1根5、万用表1台6、连接导线 20根五、实验原理半导体光源主要有半导体发光二极管（LED）和半导体激光器（LD）两种。LD已经在上一个实验介绍过，本实验主要是介绍LED。发光二极管（LED）结构简单，是一个正向偏置的PN同质节，电子-空穴对在耗尽区辐射复合发光，称为电致发光。发光二极管（LED）发射的不是激光，输出功率较小、具有较宽的谱宽（3060nm）、发射角较大（100°）、与光纤的耦合效率较低。其优点是：寿命很长，理论推算可达108至1010小时，其次是受温度影响较小，输出光功率与注入电流的线性关系较好，价格也比较便宜，驱动电路简单，不存在模式噪声等问题。半导体发光二极管（LED）可以做为中短距离、中小容量的光纤通信系统的光源。对于发光二极管（LED）而言，自发辐射产生的功率是由正向偏置电压产生的注入电流提供的，当注入电流为I，工作在稳态时，电子-空穴对通过辐射和非辐射复合，其复合率等于载流子注入率，其中发射电子的复合率决定于内量子效率，光子产生率为，因此LED内产生的光功率为 （2-1）式中，为光量子能量。假定所有发射的光子能量近似相等，并设从LED逸出的功率内部产生功率的份额为，则LED的发射功率为 （2-2）ext亦称为外量子效率。由2-2式可知，LED发射功率P和注入电流I近似成正比。这说明LED的P-I曲线线性度好，调制时动态范围大，信号失真小。该实验测量其电光转换特性（P-I特性），工作电流不同的时候，输出功率也不同，基本上是成线性关系。图2-1 LED发光二极管P-I曲线示意图实验中发光二极管电流的确定通过测量串联在电路中R110的电压值。电路中的驱动电流在数值上等于R110两端电压与电阻值之比。实验中先用万用表测出R110的精确值，计算得出发光二极管的驱动电流，然后用光功率计测得一定驱动电流下发出的光功率，从而完成P-I特性的测试。六、实验注意事项1、实验中发光二极管驱动电流不可大于60mA，否则有烧毁发光二极管的危险。2、由于光源、光功率计、光跳线等光器件的插头属易损件，应轻拿轻放，使用时切忌用力过大，不可带电拔插光电器件。七、实验步骤1、将光发模块中的可调电阻W101逆时针旋转到头，使数字驱动电流达到最小值。2、拨动双刀三掷开关，将BM1、BM2选择在中间档，即将R110与电路断开。3、用万用表测得R110电阻值，找出所测电压与半导体发光二极管驱动电流之间的关系（VIR110）。4、拨码开关BM1和BM2分别拨到数字和850nm档，选择850nm数字驱动电路。5、用ST-FC光跳线将850nm光发端与光功率计连接，并将光功率计选择波长850nm档，连接导线T504（数字信号源模块）与T101。6、接好电源，先开交流电源开关，再开直流电源开关，即按下K01，K02 (电源模块)，这时电源指示灯全亮。7、接通光发模块和数字信号源模块直流电源（K10与K50），并将K501，K502，K503拨为全“1”。8、用万用表测量R110两端电压（红表笔插T103，黑表笔插T104）。9、慢慢调节电位器W101使所测得的电压为下表中数值，依次测量对应的光功率值。并将测得的数据填入下表2-1，测量精度为0.1uW。U(mV)510152025303540455055I(mA)P（uW）P（dBm） 表2-1 LED的P-I特性测试表10、做完实验后将拨码开关BM1和BM2拨到中间状态，然后依次关掉各直流开关，以及交流电开关。11、拆下光跳线和光功率计，拆除连线，将实验箱还原，将各实验仪器摆放整齐。八、实验报告1、字迹工整，原理分析透彻2、根据实验记录数据，画出相应光功率与注入电流的关系曲线，分析P-I特性曲线意义。3、对实验结果以及误差分析正确九、 思考题1、说明发光二极管工作原理，比较分析发光二极管与半导体激光器发光原理的区别。2、环境温度的改变对发光二极管P-I特性曲线有何影响？3、发光二极管P-I特性曲线是否严格线性？为什么？实验三 预失真补偿实验一、实验目的1、学习LED和LD光源中存在的非线性失真产生原理2、了解预失真补偿电路原理工作过程3、掌握LED和LD失真补偿的方法二、实验内容1、观察LED失真现象，进行LED的预失真补偿2、观察LD的失真现象，进行LD的预失真补偿三、预备知识：1、预失真的概念2、预失真在实际中的应用有哪些？四、实验仪器1、ZY12OFCom13BG3型光纤通信原理实验箱 1台2、20MHz双踪示波器 1台3、850nm光发端机和光收端机 1套4、ST/PC-ST/PC多模光跳线 1根5、FC/PC-FC/PC单模光跳线 1根6、万用表 1台7、连接导线 20根五、实验原理为了获得较大的输出光功率，LED通常工作于大信号状态，此时它的非线性是系统非线性效应的主要来源。在电视信号传输系统中，发光二极管的非线性是引起DG（微分增益）、DP（微分相位）失真的主要原因（DG与DP代表在电视信号的传输系统中，由于亮度信号的变化可能引起的色副载波的幅度与相位的失真）。这是因为发光二极管的阻抗特性、注入电流、内部量子效率、辐射复合率的温度特性以及调制带宽等因素的影响所致。一般发光二极管在不采取任何校正措施的情况下，系统可引起1015%左右的DG变化和13度的DP变化，这对于高指标传输系统来说是不利的。这时应当采取适当的补偿和校正措施，可以通过电路实现偏置电流和调制电流的调整。LED的非线性失真的补偿和校正是一个比较复杂的技术问题。迄今为止采用的方法有反馈法、相移调制法、前馈法与准前馈法等。上述这些方法对校正电路或光器件的要求都很高，采用这些方法会使本来设备简单、价格便宜的系统反而变得比较复杂，设备成本也因此而有所提高。因此，一般情况下多采用预失真（预校正）法比较实用。所谓预失真法就是用普通二极管的非线性在发送端使信号预先失真，用以抵销发光二极管的非线性失真。下面介绍这种方法。预失真法不需要附加任何光器件，信号的幅度和相位的预失真是通过电平调节来实现的。图3-1示出了预失真电路的原理，图3-1(a)为信号幅度预失真电路，其中的二极管D1、D2与D3分别被偏置在电压V1、V2和V3上，电路增益近似为： Au= （3-1）这里RE=RE0/RE1/RE2/RE3 (D1、D2、D3通)RE=RE0/RE1/RE2 (D1、D2通，D3不通)RE=RE0/RE1 (D1通，D2、D3不通)RE=RE0 (D1、D2、D3不通)随着二极管D1、D2、D3逐次断开，RE值将随着输入信号电平的增加而增加，因而使放大器增益逐步降低。放大器的增益大小用调节二极管的偏压来得到，从而使微分增益得到改善。图3-1(b)为相位预失真电路。我们实验中采用图3-1(a)中所示的电路图来进行信号幅度预失真补偿。一般对DG校正来说，采用三段补偿即可满足要求。在实际的校正电路中，DG的校正范围可达到020%。同样，半导体激光器的非线性失真主要由激光器的非线性和光纤色散所引起的。理想的半导体激光器输出功率在阈值电流以上是线性的，但是由于激光器制造工艺的限制，实际激光器的P-I曲线在激射区并非完全线性的，会发生失真，这种失真一般与激光器激射模式的改变及激光器内部的不均匀性有关。另外，由于光纤存在的色散，同频率的光波经过相同长度的光纤传输后，所产生的相位延迟是不同的。这样，不同频带的信号分量经过光纤传输后的相位延迟各不相同，在接收端不能无失真地恢复出原来的信号。在进行激光器的模拟驱动时，由于激光器V-I特性的非线性，其调制失真也是实验系统产生失真的主要原因之一。 (a)DG预校正（b）DP预校正图3-1 预失真电路原理图在实验实现上，对发光二极管的非线性失真进行补偿，以正弦波传输为例，发光二极管的非线性失真表现为正弦波波峰被“削”掉一部分，经过正向失真补偿后，正弦波波形达到正常传输要求。半导体激光器的失真主要以实验中的调制失真为主，其主要表现与发光二极管一致，经过正向失真补偿，正弦波达到正常传输要求。利用图3-1中电路，用预失真法对LED的幅度失真进行补偿。图3-2为该实验方框图。图3-2 预失真补偿实验方框图未失真信号经过失真补偿电路后波形变化如图3-3所示。 图3-3 LED、LD正向补偿电路效果图六、实验注意事项1.半导体激光器预失真补偿实验中，要严格监控半导体激光器驱动电流不得超过40mA。七、实验步骤A.半导体激光器失真及其补偿1、连接导线：模拟信号源模块T304与预失真模块T201连接，T203（正向补偿）与光发模块T111连接。 2、拨码开关BM1、BM2和BM3分别拨到模拟，1310nm和1310nm。K121开关拨下。3、连接好FC-FC型光纤单模跳线，组成LD模拟光纤传输系统。4、预失真模块的W201，W202，W203逆时针旋转到底，使电路没有补偿作用。5、用万用表监控R110两端电压（红表笔插T103，黑表笔插T104），使得调节过程中模拟驱动电流不可超过60mA。6、接上交流电源线，先开交流开关，再开直流开关K01，K02，电源指示灯全亮。7、接通模拟信号源模块（K30）、预失真补偿模块(K20)和光发模块(K10)的直流电源。8、用示波器观察TP121的波形（观察前先将示波器设置为直流档，并校准示波器接地时基准线在中间）。9、慢慢调节W112，使TP121的波形稍有失真（上下不对称也是失真），这时LD工作在非线性区。（波形的失真度不能超过20%，否则无法达到预失真补偿效果。）10、慢慢调节W201，W202，W203，并观察T121的波形，在调节过程中可看到TP121的波形慢慢被补偿了（三个电位器配合调节，使之达到最佳效果）。11、用示波器观察TP202的波形，并与TP201进行比