信息电子技术中场及波实验1报告.docx

信息电子技术中场及波实验1报告
“信息电子技术中的场及波”
课程实验报告

光元件及传输实验

学号 姓名 
同组同学   
实验地点 电工电子中心502
实验日期  2015.12.17
成绩            

实验1 波分复用器的性能指标测量
一、实验目的
1.了解光波分复用器（OPTIC WDM）的指标要求；
2.掌握光波分复用器的测试方法
3.了解光波分复用器的用途。
二、实验仪器设备
1.光纤通信实验箱
2.20M双踪示波器
3.光功率计（FC-FC单模尾纤）
4.光波分复用器（中心波长1310/1550nm） 1对
5.活动连接器 1个
6.信号连接线 2根
三、实验原理
3.1波分复用原理
光波分复用器又称为光合波/分波器，光波分复用可以提高光纤传输线路的传输容量。
波分复用是指一条光纤中同时传输具有不同波长的几个光载波，而每个光载波又各自载荷一群数字信号，因此波分复用又称多群复用。图1为波分复用通信的原理图。具有不同波长、各自载有信息信号的若干个载波经由通道CH1、CH2、……CHn等进入合波器，被耦合到同一条光纤中去，再经过此条光纤长距离传输，到终端进入分波器，由其按波长将各载波分离，分别进入各自通道CH1、CH2、……CHn，并分别解调，从而使各自载荷的信息重现。同样过程可沿及上述相反的方向进行，如图1中的虚线所示，这样的复用称为双向复用，显然，双向复用的复用量将增大一倍。

图1 光纤波分复原理图
3.2测量方法
活动连接器会造成插入损耗，用下面方法进行插入损耗测量，也可以同时对其隔离度指标进行测量。测量连接示意图如图2所示：

图2 波分复用器测量连接示意图
3.3 测量量及计算公式
1、测量1310nm的插入损耗和波长隔离度
如图3中所示，首先测出1310nm光源的输出光功率，记为Pa。紧接着将波分复用器的c点接1310nm光源a点，用光功率计测出波分复用器的输出d、e两点功率，分别记为Pd、Pe。代入下面公式得出对应的插入损耗和隔离度。
插入损耗：（dB）（式1）
隔离度：（dB）（式2）
2、测量1550nm的插入损耗和波长隔离度
如图3中所示，首先测出1550nm光源的输出光功率，记为Pb。紧接着将波分复用器的c点接1550nm光源b点，用光功率计测出波分复用器的输出e、d两点功率，分别记为Pe、Pd。代入下面公式得出对应的插入损耗和隔离度。
插入损耗：（dB）（式3）
隔离度：（dB）（式4）
四、实验内容
测量1310nm和1550nm光传输插入损耗和波长隔离度步骤：
1、关闭系统电源，按照图3（a）将1310nm光发射端机的TX1310法兰接口、FC-FC单模尾纤、光功率计连接好，注意收好器件防尘帽，因为空气中灰尘的大小可能刚好堵住光纤端口。

图3活动连接器插入损耗的测量原理图
2、打开系统电源，液晶菜单选择“光纤测量实验-平均光发功率”确认，即在P103铆孔输出32KHz的31位m序列。
3、用示波器测试P103铆孔波形，确定有波形输出。
4、用信号连接线连接P103（P108）和P201，示波器A通道测试TP201测试点，确认有相应的波形输出，即将32KHz的31位m序列电信号送入1310nm光发端机，并转换成光信号从TX1310法兰接口输出。
5、调节光功率计工作波长“1310nm”、单位“mW”，读取此时光功率，即为1310nm光发射端机在正常工作情况下，对于31位m序列的平均光功率，记录光功率Pa。
6、关闭系统电源，按照图3（b）将光波分复用器串入，测得1310nm输出端口的光功率Pd，紧接着将光功率计移到1550nm输出端口，测得1310nm串扰光功率Pe。
7、将测得数据填入表格，并代入公式算出插入损耗和隔离度。
8、关闭系统电源，拆除各光器件并套好防尘帽。

测量1550nm的光传输插入损耗和波长隔离度步骤及测量1310nm的一样，使用1550nm光发射端机的TX1550法兰接口，同理替换即可。

五、实验数据记录及处理
按第一步接好线后，P103铆孔输处32KHz的31位m序列，测试波形如图4。

图4P103铆孔波形
连接P103（P108）和P201后，TP201测试点的波形如图5。

图5TP201波形
测量1310nm光传输插入损耗和波长隔离度时，测得Pa、Pd、Pe如图6。

图6(a)Pa（μW） 图6(b)Pd（μW） 图6(c)Pe（μW）
测量1550nm光传输插入损耗和波长隔离度时，测得Pb、Pe、Pd如图7。
图
图7(a)Pb（μW） 图7(b)Pe（μW） 图7(c)Pd（μW）
实验测得的数据绘制成表格如下所示：
长
波
率
功

输入功率（mV）
输出功率（mW）
插入损耗（dB）
隔离度（dB）
1310nm
Pa：0.2595
Pd：0.09839
Pe：0.0105μW
4.21
43.93
1550nm
Pb：0.3029
Pe：0.1771
Pd：0.1302μW
2.33
33.66
六、结果讨论
1、可以看出实验计算得到的插入损耗模值较大。
活动连接器会造成插入损耗，产生插入损耗的原因主要有：纤芯错位损耗，光纤端面间隙损耗，光纤端面多次反射(菲涅尔反射)引起的损耗，光纤端面不平滑，导致散射损耗等。
2、可以看出隔离度均大于30dB，隔离度较好，不同波长的光信号相互干扰小。
七、心得体会
第一次接触光波实验，开始觉得无从下手，但后来慢慢熟悉了手中的实验箱和实验器材也就觉得并没那么难了。四个人配合默契，分工也很明确。在得不到结果的时候大家也迷茫了一阵，也消沉了一阵，但最终还是挨着排查最终解决了问题。
最初使用FC-FC单模尾纤是有问题的，刚开始几人七手八脚的连好光纤但光功率计却没有示数。换过光纤后又发现光纤的连接是有技巧的，询问助教才发现我们插光纤时需要更加的认真仔细，重插几遍才连接好。

实验2 光纤信道眼图观察
一、实验目的
1.了解眼图产生原理
2.用示波器观测扰码的光纤信道眼图
二、实验仪器设备
1.光纤通信实验箱
2.20M双踪示波器
3.FC-FC单模光跳线
4.信号连接线 3根
三、实验原理
3.1眼图
眼图就是由解调后经过接收滤波器输出的基带信号，以码元同步时钟作为同步信号在示波器屏幕上显示的波形。干扰和失真所产生的传输畸变，可以在眼图上清楚地显示出来。

图1无失真及有失真时的波形及眼图
(a) 无码间串扰时波形；无码间串扰眼图 (b) 有码间串扰时波形；有码间串扰眼图
3.2眼图能直观地表明码间串扰和噪声的影响
在无码间串扰和噪声的理想情况下，波形无失真，“眼”开启得最大。
当有码间串扰时，波形失真，引起“眼”部分闭合。若再加上噪声的影响，则使眼图的线条变得模糊，“眼”开启得小了。
因此，“眼”张开的大小表示了失真的程度。
3.3眼图的性质
眼图的简化形式如图3所示。由此图可以看出：
(1)最佳取样时刻应选择在眼睛张开最大的时刻；
(2)眼睛闭合的速率，即眼图斜边的斜率，表示系统对定时误差灵敏的程度，斜边愈陡，对定位误差愈敏感；
(3)在取样时刻上，阴影区的垂直宽度表示最大信号失真量；
(4)在取样时刻上，上下两阴影区的间隔垂直距离之半是最小噪声容限，噪声瞬时值超过它就有可能发生错误判决；
(5)阴影区及横轴相交的区间表示零点位置变动范围，它对于从信号平均零点位置提取定时信息的解调器有重要影响。

图2 眼图的重要性质
3.4衡量眼图质量的几个重要参数
1.眼图开启度(U-2ΔU)/U
指在最佳抽样点处眼图幅度“张开”的程度。无畸变眼图的开启度应为100%。其中U=U++U-。
2.“眼皮”厚度2ΔU/U
指在最佳抽样点处眼图幅度的闭合部分及最大幅度之比，无畸变眼图“眼皮”厚度应等于0。
3.交叉点发散度ΔT/T
指眼图过零点交叉线的发散程度，无畸变眼图的交叉点发散度应为0。   
4.正负极性不对称度
指在最佳抽样点处眼图正、负幅度的不对称程度。无畸变眼图的极性不对称度应为0。 
在图3中给出从示波器上观察到的比较理想状态下的眼图照片：

图3 实验室理想状态下的眼图
四、实验内容
1．关闭系统电源，将1310nm光发射端机的TX1310法兰接口、FC-FC单模尾纤、1310nm光接收端机的RX1310法兰接口连接好。
2．打开系统电源，在液晶菜单选择“码型变换实验-扰码PN”的子菜单，确认。P101测试点观测菜单选择的基带数据序列。
3．连接P103、P201两铆孔，示波器A通道测试TP201测试点，确认有相应的波形输出。插好KO1、KO2、KO3跳线器。连接P202、P111两铆孔，即将光电转换信号送入数据接收单元。
4．观测P103测试点的加扰后序列信号，是否符合其规则。P102为数据对应的时钟，P106为扰码数据。
5．示波器B通道测试P202测试点，看是否有及TP201测试点一样或类似的信号波形。K05插入右侧，测试P115译码输出测试点，看是否跟P101测试点一样或类似的信号波形。
6．连接P202、P112，即1310nm光接收端机光电转换加扰后数据自动送往均衡滤波器电路。示波器A通道（触发TRTIGGER档）测试P102测试点（及码元同步的时钟T），示波器B通道测试TP106测试点（均衡滤波器输出波形）
7．调节调整示波器的扫描周期（=nT），使TP106的升余弦波波形的余辉反复重叠（即及码元的周期同步），则可观察到n只并排的眼图波形。眼图上面的一根水平线由连1引起的持续正电平产生，下面的一根水平线由连0码引起的持续的负电平产生，中间部分过零点波形由1、0交替码产生。
8．调整W901直到TP106点波形出现过零点波形重合、线条细且清晰的眼图波形（即无码间串扰、无噪声时的眼图）。在调整W901过程中，可发现眼图过零点波形重合时W901的位置不是唯一的，它正好验证了无码间串扰的传输特性不唯一。
9．关闭系统电源，拆除各光器件并套好防尘帽。
五、实验数据记录及处理
单模光纤连接1310nm光发射机接口和1310nm光接收机的RX1310法兰接口后，P101测试点波形如图4。

图4P101测试点波形
P103、P201两铆孔后，测试TP201测试点波形如图5。

图5 TP201测试点波形
连接P202、P111两铆孔后，示波器B通道测试P202测试点，可以发现及TP201测试点一样的信号波形，无相位差如图6。

图6 TP201和P202测试点波形
测试P115译码输出测试点，可以发现跟发端设置的基带数据P101测试点有一样或类似的信号波形，如图7。可以看出波形相同但是存在相位差，因为时钟及输出不同步。 

图6 P115和P101测试点波形
连接P202、P112后，测试P102测试点（蓝色）、TP106测试点（黄色）波形如图7。

图7 P102和TP106测试点波形
最后完成眼图如图8。（因不了解原来示波器的操作按钮，更换使用另外一台示波器）眼图上面的一根水平线由连1引起的持续正电平产生，下面的一根水平线由连0码引起的持续的负电平产生，中间部分过零点波形由1、0交替码产生。

图8 眼图
六、结果讨论
从图像可以看出眼图的形状比较对称，及随机数据输入的二进制系统的眼图相似。同时上下沿都比较紧密，说明数据传输的效果较好。
眼图的产生原理：由解调后经过接收滤波器输出的基带信号，以码元同步时钟作为同步信号在示波器屏幕上显示，可形成眼图。
眼图的作用：眼图能直观地表明码间串扰和噪声的影响。在无码间串扰和噪声的理想情况下，波形无失真，“眼”开启得最大。当有码间串扰时，波形失真，引起“眼”部分闭合。若再加上噪声的影响，则使眼图的线条变得模糊，“眼”开启得小了。因此，“眼”张开的大小表示了失真的程度。
七、心得体会
完成眼图真是历经了磨难，一开始由于光功率计数量有限我们只得先做眼图实验。但眼图实验做到第五步时无法出现预期的波形，询问助教误解我们又只得先去完成波分复用器的实验。第二遍再来做眼图的时候很幸运的成功了。四个人配合的很好，但也多亏了助教学长的帮助。

“信息电子技术中的场及波”
课程实验报告

微波实验

学号 06013003  姓名 曹梦迪 
同组同学  吕逸如 宋文清 彭涵
实验地点 电工电子中心502
日期  2015.12.31
成绩            

实验1 微波频率及波长测量实验
一、实验目的
1．学会使用选频放大器、功率指示计、信号发生器以及测试框架。
2．掌握基本的测量频率和波导波长的方法。
3．利用3cm波导测试系统，使用吸收式频率计作频率测量电磁波频率；使用测量线来测量波长和频率。
二、实验仪器及设备
YS1123标准信号发生器，GX2C-1功率计，YS3892选频放大器，BD20A三厘米波导系统，TC26A三厘米波导测量线，TS7三厘米波导精密衰减器。

图1
三、实验原理
3.1 测量信号源频率
频率测量系统的实验连接图如图2。

图2 频率测量系统
系统中的PX16频率计为吸收式频率计。当传输线中相当一部分功率进入频率计谐振腔内，而另一部分从耦合元件处反射回去，在谐振时，腔中场很强，反射回去也强。使之频率计的输出在谐振时明显减小，如下图所示。

图3
也就是说，当频率计转动到输出幅度明显降低，在降低到最低的频率时，就是所测信号源的频率。
3.2 测量波长和频率
实验连接如图4所示，

图4 测量波长和频率实验连接图
输出的波形如图5所示，由此可知，需知晓驻波最小点D1、D2的位置，两个最小点之间的距离即为半个导波长。导波长。

图5 波形图
通过测量出的波导波长，也就可计算出频率和波长，如下式。

波导波长和频率及波长之间有一一对应的关系，如图6。

图6 波导由频率换算到波长
四、实验内容
4.1测量信号源频率
1.打开信号源选择模式为内方波，方波重复频率为1000Hz。
2.将吸收式频率计旋离10GHz大约到9GHz或者11GHz左右（以备在之后调节方便），然后开始调节E、H阻抗调配器的两个旋钮，直到达到匹配为行波状态即选频器的示数达到最大即可。
3.保持调节好的E、H阻抗调配器不变，然后选择合适的选频器放大倍数，慢慢旋转频率计，当输出幅度明显降低直到降到最低时，为电压示数最小即为所测信号源的频率。
4.最后读出频率计的示数，即读出两条红线及竖直红线相交的平行两红线之间的示数。
4.2测量波长及频率（2种方法）
1.打开信号源选择模式为内方波，方波重复频率为1000Hz，并且将选频放大器调至合适放大倍数，不能满偏。
2.方法一：
缓慢移动测量线探针直接找到两个相邻的最小点的位置，记下标尺读数D1及D2即可求得波导波长λg。
方法二：
缓慢旋转可变短路器同样直接找到两个相邻的最小点的位置，记下标尺读数D1'及D2'即可求得波导波长λg'。
3.测得相邻最小点的位置，那么相邻两个最小点的距离即为半个波导波长，因此：根据公式计算实验结果。
五、实验数据记录及处理
5.1 测量信号源频率
实验测得的被测信号源的频率为9.975GHz，可以看出及10GHz理论值很接近。
5.2 测量波长及频率
方法一：d1=119.1mm，d2=125.4mm，d3=140.2mm，d4=144.5mm
D1=122.25mm，D2=142.35mm
λg=2D1-D2=40.2mm
方法二：
D1'=27.587mm，D2'=47.794mm
λg'=2D1'-D2'=40.414mm
六、结果讨论
测得信号频率为10GHz左右，那么根据可以求得λ的值为30mm，利用下式：

其中a取22.86mm，求得λg理论值为39.735mm，
及我们利用两种方法测得的结果相比较可以看到，方法一的误差为误差为1.17%，而方法二的误差为1.69%，结果都相对较准确。
但同时，通过实验结果可以看出方法二即利用可变短路器测量的结果精确度更高，精确到0.001mm，而方法一利用测量线测量的结果只精确到0.1mm。
误差可能是在测量信号源频率时就产生的，另外在旋转可变短路器时由于来回旋转产生机械旋转误差。
实验2 电压驻波比及相位常数测量实验
一、实验目的
1.了解驻波导测量系统，熟悉基本微波原件的作用；
2.掌握驻波测量线的正确使用方法；
3.掌握中电压驻波系数的测量原理和方法。
二、实验仪器及设备
YS1123标准信号发生器，YS3892选频放大器，BD20A三厘米波导系统，TC26A三厘米波导测量线，TS7三厘米波导精密衰减器。具体实验系统如下图所示：

图1 驻波比测量实验图
三、实验原理
3.1测量电压驻波比
电压驻波系数是驻波测量中的一个重要参量。对于中驻波比（1.5<S<5）的情况，此时，只须测一个驻波波腹和一个驻波波节，即直接读出Imax，Imin

其中，α我们取1。经过计算可得S。
3.2测量相位常数
传播常数的定义是γ=α+jβ，其中β为相位常数。在矩形波导中β=2πλg。因此，我们可以采取及实验一相同的可变短路法进行测量即可。
四、实验内容
可根据实验一的结果直接求得相位常数，实验二中只需测量中驻波比。
1.正确连接实验系统，打开信号源，调节输出电平和频率，方波内调制、重复频率1000Hz左右。调节E、H阻抗调配器，使输出功率最大。
2.将电阻片夹在测量线及可变开路器之间，大概覆盖一半的矩形径口即可，然后固定好装置。
3.缓慢调节测量线上探针的位置，找到选频器的最大值Vmax及最小值Vmin，即为驻波最大值和最小值点。只须测一个驻波波腹和一个驻波波节，直接读出选频器上读数。
4.计算驻波比
五、实验数据记录及处理
5.1测量电压驻波比
测得的最大值及最小值为：Imax=890，Imin=40。经过简单换算可知电压驻波系数为：S=αImaxImin=4.716，在中驻波比的范围内，实验的实验结果驻波比的大小及我们夹入电路中的片子的面积大小有关。
5.2测量相位常数
实验一测得的波导波长为40.2mm和40.414mm，取平均可得波导波长λg为40.307mm，那么相位常数β=2πλg=155.88rad/s。
六、结果讨论
因为阻抗值匹配及否会影响波的状态为行波、驻波或是混合波，表现在驻波比不同，它们有如下关系：（下图中S表示为ρ）

我们所测得的驻波比为4.716即为混合波状态，此时阻抗不匹配，同时存在入射波及反射波。
同时，我们在实验中还发现，测量线的抗干扰能力较差，在测量过程中对测量线的压迫，触碰都会导致选频放大器上的显示结果偏离真实值。建议更换抗干扰能力较强的测量线，或者在外部包裹同轴电缆以防干扰。
实验3 功率及衰减测量实验
一、实验目的
1.熟悉微波功率测量的原理，掌握利用微波功率计测量微波功率的方法。
2.熟悉可变衰减器的工作原理，掌握可变衰减器的使用方法及其应用。
二、实验仪器及设备
YS1123标准信号发生器，GX2C-1功率计， BD20A三厘米波导系统， TS7三厘米波导精密衰减器。
实验系统的连接如下图所示:

图1 用功率比法测量衰减的系统图
实验中使用的关键器件为GX2C-1功率计。
三、实验原理
在传输线的工作中，某一指定器件的介入损失一般也同样随着信号源和负载的阻抗而改变，对于部件的衰减可规定为在两个方向都匹配的传输线中的插入时的介质损失，通常称为插入损耗。
衰减的定义为：
A=10logP1P2dB
其中A是衰减损失P1是在线路中未加入指定器件时负载所吸收的功率，P2是在信号源和负载之间加入指定器件时负载所吸收的功率。
四、实验内容
1.正确连接实验系统，打开信号源，调节输出电平和频率，方波内调制、重复频率1000Hz左右。
2.利用功率计测量不加被测器件时的被测的输入功率记为P1。
3.加上被测器件后，再在被测器件输出端测量输出功率记为P2，旋转可变衰减器调节旋钮分别测量0,2,4,6,8,10的输出功率P2。
4.利用公式计算结果。
五、实验数据记录及处理
实验测得的数据绘制成如下表格：

0
2
4
6
8
10
P1/W
7.12m
P2/W
6.00m
5.05m
2.55m
0.454m
36.5μ
0.19μ
A/dB
0.743
1.492
4.459
11.954
22.901
45.737
六、结果讨论
由以上数据可以看出，随着衰减器参数的增大，测得的衰减也在增大，但并非线性变化。所以可以看出衰减器的性能很好。
通过实验我们利用可变衰减器衰减量的改变使微波功率计获得的功率变化，掌握微波功率测量的方法。了解信号源工作状态“等幅”、“方波”时微波功率的变化情况。
实验4 定向耦合器耦合度的测量实验
一、实验目的
理解定向耦合器的工作原理。学会对波导定向耦合器的耦合度（C）的测量。
二、实验仪器及设备
YS1123标准信号发生器，GX2C-1功率计， BD20A三厘米波导系统，定向耦合器。
实验装置如下图所示结构：

图1 耦合度C的测量
三、实验原理
1.定向耦合器在微波工程中有着广泛的应用，如可用来监视功率、频率和频谱，测量传输系统和元器件的反射系数、插入损耗，还可以用作衰减器、功率分配器等。  
2.定向耦合器是一个四端口网络，它有主线输入端口、主线输出端口、辅线终端和辅线输出端口，如下图所示：

图2 定向耦合器表示法
3.定向耦合器的主要技术指标有耦合度C、方向性D和输入驻波比S。
4.由于定向耦合器的主线损耗很小，可以认定为Pi。将辅线上的功率读数和主线上的功率读数计算一下，即可算出耦合度C的值。耦合度C（dB）的计算公式为：
C=10logPiP2
四、实验内容
1.正确连接实验系统，打开信号源，调节输出电平和频率，方波内调制、重复频率1000Hz左右。
2.利用功率计测量主线输出端口的功率为Pi。
3.利用功率计测量辅线输出端口的功率P2。
4.根据公式计算实验结果。
五、实验数据记录及处理
实验中测得的结果为：Pi=7.12mW，P2=25.5μW。那么根据公式可以求得耦合度C为：
C=10logPiP2=24.46dB
六、结果讨论
由于定向耦合器是个可逆四端口网络，因此耦合度（dB）又可表示为： 
C=10log|Uil|2|S31Uil|2=10log1|S31|2=20log1S31
由C的定义可见耦合度的分贝数愈大耦合愈弱。通常把耦合度为0～10dB的定向耦合器称为强耦合定向耦合器；把耦合度为10～20dB的定向耦合器称为中耦合定向耦合器；把大于20dB耦合度的定向耦合器称为弱耦合定向耦合器。
所以，我们实验所用的耦合器为弱耦合定向耦合器。
七、心得体会
本次实验整个过程较为成功，较上次光波实验感觉简单很多，实验仪器也简单、容易入手。我们只用1个小时左右就完成了实验。四人都合作完成了相应工作。

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