光通信实验系统的应用.pptx

光通信实验系统的应用光通信实验系统的应用理学院物理实验教学中心理学院物理实验教学中心实验目的实验目的n n了解光通信系统的基本构成和相关知识了解光通信系统的基本构成和相关知识n n学习学习LEDLED光源的结构及其特性光源的结构及其特性n n掌握基带直接强度调制（掌握基带直接强度调制（DIMDIM）的基本原理）的基本原理n n学习模拟信号的脉冲频率调制（学习模拟信号的脉冲频率调制（PFMPFM）基本原理）基本原理n n了解数字光纤通信的编解码原理了解数字光纤通信的编解码原理n n了解视频信号的传输过程了解视频信号的传输过程光纤通信发展简史光纤通信发展简史19661966年年 华裔科学家华裔科学家高锟高锟博士等人提出从玻璃材料博士等人提出从玻璃材料中去除杂质可以制成衰减为中去除杂质可以制成衰减为20dB/km20dB/km的光导纤维。的光导纤维。n19701970年年 美国康宁玻璃公司根据高氏理论首先制造出衰减为美国康宁玻璃公司根据高氏理论首先制造出衰减为20dB/km20dB/km的光导纤维，使光导纤维的发展得到突破。的光导纤维，使光导纤维的发展得到突破。n19731973年年 美国贝尔研究所生产出衰减为美国贝尔研究所生产出衰减为1dB/km1dB/km的低损耗光纤的低损耗光纤n19761976年年 日本电报电话公司（日本电报电话公司（NTTNTT）制造出）制造出0.5dB/km 0.5dB/km 的低损耗光纤的低损耗光纤n1979 1979 年是年是0.20 dB/km0.20 dB/km，19841984年是年是0.157 dB/km0.157 dB/km，1986 1986 年是年是0.154 0.154 dB/kmdB/km，接近了光纤最低损耗的理论极限。接近了光纤最低损耗的理论极限。19761976年年 在美国亚特兰大成功进行了码速率为在美国亚特兰大成功进行了码速率为44.7Mb/s44.7Mb/s的光的光通信系统性能试验通信系统性能试验,从此光通信技术进入实用化阶段。从此光通信技术进入实用化阶段。一、光纤通信基本知识一、光纤通信基本知识n光纤结构及导光原理光纤结构及导光原理光纤由光纤由纤芯纤芯、包层包层和和涂敷层涂敷层三部分组成。三部分组成。纤芯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一般为一般为5-50m。包层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。这些掺杂剂的作用是降低包层的折射率。包层的直或硼。这些掺杂剂的作用是降低包层的折射率。包层的直径径2b为为125m。包层的外面涂敷一层很薄的包层的外面涂敷一层很薄的 涂敷层。目前涂敷层。目前涂敷层涂敷层的材料的材料 一般为环氧树脂或硅橡胶。一般为环氧树脂或硅橡胶。一、光纤通信基本知识一、光纤通信基本知识n光纤基本类型光纤基本类型突变折射率型多模光纤突变折射率型多模光纤（SIFSIF）：纤芯直径）：纤芯直径50506060mm，光线以折射形状沿纤芯轴线方向传播，存在多条路径，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。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渐变折射率型多模光纤（GIFGIF）：纤芯直径）：纤芯直径50m50m，光，光线以曲线形状沿纤芯轴线方向传播，各条路径时延差较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。小，因而信号畸变较小。单模光纤单模光纤（SMFSMF）：纤芯很细，直径约）：纤芯很细，直径约10m10m，只有一种，只有一种传播模式，信号畸变很小。传播模式，信号畸变很小。n光纤传输特性光纤传输特性传输损耗传输损耗色散色散光纤通信优点光纤通信优点频带宽频带宽,通信容量大通信容量大 理论上讲一根单模光纤可利用的带宽达理论上讲一根单模光纤可利用的带宽达20THz(1THz=1020THz(1THz=101212Hz)Hz)以上以上,现在最先进的光纤通信系统达现在最先进的光纤通信系统达400GHz,400GHz,而一路电话带宽约占而一路电话带宽约占4KHz4KHz频带频带,一路彩色电视一路彩色电视约占约占6MHz6MHz频带。频带。损耗低损耗低,中继距离长中继距离长 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有关,光缆的损耗特性仅与玻璃的纯度光缆的损耗特性仅与玻璃的纯度(或者说透明度或者说透明度)有关有关,高质量望远镜的镜头其损耗超过高质量望远镜的镜头其损耗超过500dB/km,500dB/km,目前目前通信用光纤的最低损耗达通信用光纤的最低损耗达0.2 dB/km0.2 dB/km。光纤通信优点光纤通信优点具有抗电磁干扰能力具有抗电磁干扰能力n光导纤维是绝缘体材料光导纤维是绝缘体材料,不受输电线不受输电线,电气化铁路及高电气化铁路及高压设备等电器干扰压设备等电器干扰,可以与高压电线平行架设可以与高压电线平行架设,还可制还可制成复合光缆成复合光缆无串话无串话,保密性好保密性好n通信质量高通信质量高线径细线径细,重量轻重量轻,柔软柔软n可制成大芯数高密度光缆可制成大芯数高密度光缆n单芯光缆可安装在飞机单芯光缆可安装在飞机,火箭火箭,潜艇及航天飞机上潜艇及航天飞机上节约有色金属节约有色金属,原材料资源丰富原材料资源丰富n可节约大量铜金属可节约大量铜金属光纤通信用途光纤通信用途 传输网传输网传输网传输网 接入网接入网接入网接入网 有线电视系统有线电视系统有线电视系统有线电视系统CATVCATVCATVCATV 大楼综合布线系统大楼综合布线系统大楼综合布线系统大楼综合布线系统 校院网校院网校院网校院网(局域网局域网)光发射机光发射机光源：光源：光源：光源：发光二极管（发光二极管（发光二极管（发光二极管（LEDLEDLEDLED）：自发辐射，输出光功率小，）：自发辐射，输出光功率小，）：自发辐射，输出光功率小，）：自发辐射，输出光功率小，谱宽，稳定，长寿命（谱宽，稳定，长寿命（谱宽，稳定，长寿命（谱宽，稳定，长寿命（101010107 7 7 7），价低，适用于小容量、），价低，适用于小容量、），价低，适用于小容量、），价低，适用于小容量、短距离传输系统。短距离传输系统。短距离传输系统。短距离传输系统。激光二极管（激光二极管（激光二极管（激光二极管（LDLDLDLD）：受激辐射，输出光功率大，谱）：受激辐射，输出光功率大，谱）：受激辐射，输出光功率大，谱）：受激辐射，输出光功率大，谱窄，波长稳定，长寿命（窄，波长稳定，长寿命（窄，波长稳定，长寿命（窄，波长稳定，长寿命（101010105 5 5 5至至至至101010106 6 6 6），价高，适用于大），价高，适用于大），价高，适用于大），价高，适用于大容量、长距离传输系统。容量、长距离传输系统。容量、长距离传输系统。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，光调制器：目前采用强度调制（由于光源频谱不纯，光调制器：目前采用强度调制（由于光源频谱不纯，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，对于数尚未实现相干光通信）；分内调制和外调制，对于数尚未实现相干光通信）；分内调制和外调制，对于数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（字调制，用光脉冲的有无代表数字信息（字调制，用光脉冲的有无代表数字信息（字调制，用光脉冲的有无代表数字信息（0 0 0 0和和和和1 1 1 1）。）。）。）。光接收机光接收机光检测器的功能：光信号的解调（光检测器的功能：光信号的解调（O/EO/E）光检测器的类型：光检测器的类型：PINPIN光电二极管、雪崩光电二极管光电二极管、雪崩光电二极管（APDAPD）光接收机的灵敏度取决于噪声特性（包括光检测器的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）和误码率指标噪声和电放大器的噪声）和误码率指标APDAPD是有增益的光电二极管适用于灵敏度要求较高的场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，宜采用敏度要求不高的场合，宜采用PINPIN管。管。光接收机中还有电的放大器、自动增益控制电路、均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。衡再生电路等。实验仪器实验仪器 主机、显示器、摄像头、麦克风、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。信用多模光纤和数字示波器组成。光发射机光发射机光发射机前面板光发射机前面板光发射机后面板光发射机后面板光接收机光接收机光接收机前面板光接收机前面板光接收机后面板光接收机后面板数字示波器数字示波器实验内容及操作步骤实验内容及操作步骤n n实验一实验一实验一实验一 LEDLEDLEDLED光源光源光源光源I-PI-PI-PI-P特性研究特性研究特性研究特性研究n n实验二实验二实验二实验二 模拟信号的直接强度调制传输模拟信号的直接强度调制传输模拟信号的直接强度调制传输模拟信号的直接强度调制传输n n实验三实验三实验三实验三 模拟信号的脉冲频率调制模拟信号的脉冲频率调制模拟信号的脉冲频率调制模拟信号的脉冲频率调制(PFM)(PFM)(PFM)(PFM)传输传输传输传输n n实验四实验四实验四实验四 数字编码传输实验数字编码传输实验数字编码传输实验数字编码传输实验n n实验五实验五实验五实验五 视频信号的光纤传输实验视频信号的光纤传输实验视频信号的光纤传输实验视频信号的光纤传输实验实验一实验一 LEDLED光源光源I I-P P特性研究特性研究n n在实验过程中，我们能否看到光源在实验过程中，我们能否看到光源在实验过程中，我们能否看到光源在实验过程中，我们能否看到光源LEDLEDLEDLED发出的光？发出的光？发出的光？发出的光？LEDLED即发光二极管是靠即发光二极管是靠PNPN 结附近的电子和空穴对的复合而结附近的电子和空穴对的复合而进行自发辐射发光。进行自发辐射发光。LEDLED的发光机理的发光机理：本实验仪采用的本实验仪采用的LEDLED光源，其中心波长为光源，其中心波长为850nm850nm。偏置电流偏置电流偏置电流偏置电流mAmAmAmA0 0 0 01 1 1 12 2 2 23 3 3 34 4 4 45 5 5 56 6 6 67 7 7 78 8 8 89 9 9 9光功率当量光功率当量光功率当量光功率当量偏置电流偏置电流偏置电流偏置电流mAmAmAmA10101010111111111212121213131313141414141515151516161616171717171818181819191919光功率当量光功率当量光功率当量光功率当量偏置电流偏置电流偏置电流偏置电流mAmAmAmA20202020212121212222222223232323242424242525252526262626272727272828282829292929光功率当量光功率当量光功率当量光功率当量偏置电流偏置电流偏置电流偏置电流mAmAmAmA30303030313131313232323233333333343434343535353536363636373737373838383839393939光功率当量光功率当量光功率当量光功率当量偏置电流偏置电流偏置电流偏置电流mAmAmAmA40404040414141414242424243434343444444444545454546464646474747474848484849494949光功率当量光功率当量光功率当量光功率当量偏置电流偏置电流偏置电流偏置电流mAmAmAmA50505050515151515252525253535353545454545555555556565656575757575858585859595959光功率当量光功率当量光功率当量光功率当量偏置电流偏置电流偏置电流偏置电流mAmAmAmA60606060616161616262626263636363646464646565656566666666676767676868686869696969光功率当量光功率当量光功率当量光功率当量1.LED1.LED光源光源I I-P P特性曲线数据表格特性曲线数据表格实验一实验一 LEDLED光源光源I I-P P特性研究特性研究思考题：思考题：为什么要获得光源的为什么要获得光源的I I-P P特性曲线？特性曲线？1.LED1.LED光源光源I I-P P特性曲线数据表格特性曲线数据表格实验二实验二 模拟信号的直接强度调制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。此时光纤通信系统的传输带宽只要满足信号带宽就够了，其时光纤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缺点是对光源的线性度要求高如用普通LDLD作光源则由于光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，通常使用驱动电到较好的性能指标。在这种调制方式中，通常使用驱动电流流光输出特性线性较好的光输出特性线性较好的LEDLED作光源。作光源。实验二实验二 模拟信号的直接强度调制模拟信号的直接强度调制思考题：思考题：如果静态工作点没有在光源的线性区，会对传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？输结果产生怎样的影响？偏置电流的变化偏置电流的变化实验三实验三 模拟信号的脉冲频率调制模拟信号的脉冲频率调制(PFM)(PFM)传输传输n n脉冲频率调制（脉冲频率调制（脉冲频率调制（脉冲频率调制（PFMPFMPFMPFM）方式是目前模拟信号传输中传输质）方式是目前模拟信号传输中传输质）方式是目前模拟信号传输中传输质）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量较高的一种方式，是信号进行光强度调制之前的一种预量较高的一种方式，是信号进行光强度调制之前的一种预量较高的一种方式，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，可以有效避免光处理过程。信号经过脉冲频率调制以后，可以有效避免光处理过程。信号经过脉冲频率调制以后，可以有效避免光处理过程。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。源非线性带来的影响，并以此换取传输质量的提高。源非线性带来的影响，并以此换取传输质量的提高。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脉冲频率调制示意图 实验三实验三 模拟信号的脉冲频率调制模拟信号的脉冲频率调制(PFM)(PFM)传输传输n n实验数据记录实验数据记录实验数据记录实验数据记录 记录记录记录记录PFMPFMPFMPFM调制的中心频率调制的中心频率调制的中心频率调制的中心频率n n思考题思考题思考题思考题 如果工作在静态工作点没有在光源的线性区，会对传输结如果工作在静态工作点没有在光源的线性区，会对传输结如果工作在静态工作点没有在光源的线性区，会对传输结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？果产生怎样的影响？果产生怎样的影响？果产生怎样的影响？n n在光纤数字传输中，一般不直接传输由电端机送来的在光纤数字传输中，一般不直接传输由电端机送来的在光纤数字传输中，一般不直接传输由电端机送来的在光纤数字传输中，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数字信号，而是经过码型变换，变换成适合在光纤数数字信号，而是经过码型变换，变换成适合在光纤数数字信号，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。字传输系统中传输的光线路码型。字传输系统中传输的光线路码型。字传输系统中传输的光线路码型。n n为什么要用编码传输？为什么要用编码传输？为什么要用编码传输？为什么要用编码传输？实验四实验四 数字信号编码传输数字信号编码传输实验四实验四 数字信号编码传输数字信号编码传输编码波形图编码波形图原始信号原始信号-编码编码-光传输光传输-光检测光检测-放大放大-整形整形-定时提取定时提取-解码解码-原始信号原始信号实验五实验五 视频信号的光纤传输实验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？思考：哪些参数影响视频信号的传输质量？