1、数字光纤通信课程设计指导书数字光纤通信与课程设计指导书第一部分 总则一、目的要求课程设计是培养和锻炼在校学生综合应用所学理论知识解决实际问题能力、进行工程实训的重要教学环节，它具有动手、动脑，理论联系实际的特点，是培养在校工科大学生理论联系实际、敢于动手、善于动手和独立自主解决设计实践中遇到的各种问题能力的一种较好方法。光纤通信系统课程设计是继“光纤通信系统”课之后开出的实践环节课程。其目的是训练学生综合运用学过的光纤通信系统基本知识、独立设计实用的光纤通信系统的能力。课程设计按小组进行，完成光的音频、图像的发射、传输、接收整个系统的设计和调试；数字信号与模拟信号的光电转换过程及传输；波分复用
2、器性能测试方法设计；光纤接入网波分复用技术及实现方法。通过课程设计，学生要掌握使用光纤通信系统各模块的设计方法，包括设计光发射、光的调制、光纤传输、光的接收与光信号解调等全过程。二、课程设计时间1周。三、课程设计的教学要求通过课程设计学生应掌握设计所用光纤通信系统的工作原理，光纤通信系统设计方法。能使用各种光电器件构成光纤通信系统。四、设计步骤与设计说明书的撰写要求1、设计步骤1）选题与分组：根据分组，选择课题，在小组内进行分工，进行系统调查，搜集资料。尤其软件仿真项目，要先对相关的光器件进行学习，对软件进行学习。2）课题分析：根据搜集的资料，进行功能分析，并进行系统功能等设计。3）学生拿到题
3、目后首先进行光路、电路设计，然后搭建光纤通信系统。4）调试与测试：按要求完成相应任务，并总结，写成报告。5）验收与评分：指导教师对每个小组的开发的系统，及每个成员开发的模块进行综合验收，结合设计报告，根据课程设计成绩的评定方法，评出成绩。 2、设计说明书的撰写要求（1）按设计指导书中要求的格式书写，所有的内容一律打印；（2）报告内容包括设计过程、设计光路与电路及实验过程波型分析；（3）要有整体光路、电路原理图；（4）要给出各个输入信号的具体波形和输出信号的测试结果。五、设计的进度 1. 课程设计时间为一周；2. 第1天讲授设计需要的要求，布置设计题目；3. 第2天学生进行设计；4. 第34天系
4、统构建、调试。5. 第5天学生撰写和打印设计报告。下表是时间安排参考。2014.5.162014.5.172014.5.192014.5.202014.5.212014.5.22六、考核要求课程设计完成后，每位同学单独答辩。根据设计完成情况和所掌握的知识，并结合平时表示，给与优、良、中、及格和不及格5个等级评定。第二部分 课程设计项目内容项目一： 图像、声音光纤传输系统一、设计目的通过设计一个图像声音光纤传输系统，实现图像、声音信号的输入和输出，最终完成组合，实现一个完整的光纤传输系统。二、设计原理1、GT-RC-II 型光纤通信实验系统简介：（1）、电源模块：提供实验箱各模块电源。（2）、1
5、310nm光发送模块：实现模拟信号、数字信号在1310nm光发送机中的光传输及自动光功率控制功能（采用电路来实现）。 (3) 1550nm光发送模块：实现模拟信号、数字信号在1550nm光发送机中的光传输及自动光功率控制功能（采用专用芯片来实现）。 (4) 1310nm光接收模块：实现1310nm光纤传输信号的接收，实现接收信号光电转换，滤波及放大，将其恢复为标准的电脉冲数据信号。 （5）1550nm光接收模块：实现1550nm光纤传输信号的接收，实现接收信号光电转换，滤波及放大，将其恢复为标准的电脉冲数据信号。 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
6、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。2、模拟光纤通信系统的结构模拟基带直接光强调制(DIM)光纤传输系统由光发射机(光源通常为发光二极管)、光纤线路和光接收机(光检测器)组成， 这种系统的方框图如图6.1所示。 图6.1模拟光纤通信系统由以下五个部分组成: （1） 光发送机：光发送机是实现电/光转换的光端机。它由光源、驱动器和调制器组成。其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光
7、纤或光缆去传输。电端机就是常规的电子通信设备。 （2）光收信机：光收信机是实现光/电转换的光端机。 它由光检测器和光放大器组成。其功能是将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，然后，再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端的电端汲去。 （3）光纤或光缆：光纤或光缆构成光的传输通路。其功能是将发信端发出的已调光信号，经过光纤或光缆的远距离传输后，耦合到收信端的光检测器上去，完成传送信息任务。 （4）中继器：中继器由光检测器、光源和判决再生电路组成。它的作用有两个：一个是补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减；另一个是对波形失真的脉冲近行政性。 （5）光纤连接器、耦合器等无
8、源器件：由于光纤或光缆的长度受光纤拉制工艺和光缆施工条件的限制，且光纤的拉制长度也是有限度的（如1Km)。因此一条光纤线路可能存在多根光纤相连接的问题。于是，光纤间的连接、光纤与光端机的连接及耦合，对光纤连接器、耦合器等无源器件的使用是必不可少的。3光信号发送端的工作原理系统采用的发光二极管的驱动和调制电路如图2所示，信号调制采用光强度调制的方法，发送光强度调节电位器用以调节流过LED的静态驱动电流，从而相应改变发光二极管的发射光功率，设定的静态驱动电流调节范围为020毫安，对应面板光发送强度驱动显示值02000单位,当驱动电流较小时发光二极管的发射光功率与驱动电流基本上呈线性关系，音频信号经
9、电容、电阻网络及运放跟随隔离后耦合到另一运放的负输入端，与发光二极管的静态驱动电流想迭加使发光二极管发送随音频信号变化的光信号，如图3所示，并经光纤耦合器将这一光信号耦合到传输光纤。可传输信号频率的低端可由电容、电阻网络决定，系统低频响应不大于20Hz。4光信号接收端的工作原理图3是光信号接收端的工作原理图，传输光纤把从发送端发出的光信号通过光纤耦合器将光信号耦合到光电转换器件光电二极管，光电二极管把光信号转变为与之成正比的电流信号，光电二极管使用时应反偏压，经运放的电流电压转换把光电流信号转换成与之成正比的电压信号，电压信号中包含的音频信号经电容电阻耦合到音频功率放大器驱动喇叭发声。光电二极
10、管的频响一般较高，系统的高频响应主要取决于运放等的响应频率。5传输光纤的工作原理目前用于光通讯的光纤一般采用石英光纤，它是在折射率n2较大的纤芯内部，覆上一层折射率n1较小的包层，光在纤芯与包层的界面上发生全发射而被限制在纤芯内传播，如图五所示，光纤实际上是一种介质波导，光被闭锁在光纤内，只能沿光纤传输，光纤的芯径一般从几微米至几百微米，按照传输光模式可分为多模光纤和单模光纤，按照光纤折射率分布方式不同可以分为折射率阶跃型和折射率渐变型光纤。折射率阶跃型光纤包含两种圆对称的同轴介质，两者都质地均匀，但折射率不同，外一层折射率低于内层折射率。梯度折射率光纤是一种折射率沿光纤横截面渐变的光纤，这样
11、改变折射率的目的是使各种模传播的群速相近，从而减小模色散增加通讯带宽。多模折射率阶跃型光纤由于各模传输的群速度不同而产生模间色散，传输的带宽受到限制。多模折射率渐变型光纤由于其折射率特殊分布使各模传输的群速度一样而增加信号传输的带宽，单模光纤是只传输单种光模式的光纤，单模光纤可传输信号带宽最高，目前长距离光通讯大都采用单模光纤。石英光纤的主要技术指标有衰减特性，数值孔经和色散等。三、设计步骤 本实验用到了RC-GT-型光纤通信实验系统 本课题主要采用模拟信号直接调制的方法进行视频信号的光纤传输。系统主要由小摄像头（音频视频信号发生器）、小型电视机（视频监视器）和模拟光纤通信系统组成。通过观察视
12、频信号的光纤传输，测试光纤传输模拟信号的性能。该实验实质上也就是光纤传输模拟信号。其实验框图如下：小摄像头共三个接口：红色的是电源接口，黄色的是视频接口，白色的是音频接口。本实验用到了红色、白色和黄色的三个接口。 图像和音频传输框图图像光纤传输系统的原理如下：小摄像头产生视频信号（模拟信号），经过模拟调制送入1310nm光发端机，经光纤传输后，由1550nm光收端机监测到视频信号并输出到电视机VIDEO接收端。观测光纤传输视频信号的效果以及特点，以了解光纤传输电视信号的特点。在实验过程中图象效果越好也就说明光纤传输模拟信号的性能越好，性能越稳定。在进行光纤传输视频信号之前，先调节正弦波模拟传输
13、，使得Vp-p2V的正弦波正常传输，此时视频信号传输效果最佳。音频光纤传输系统的原理如下：小摄像头产生音频信号（模拟信号），经过模拟调制送入光发端机，经光纤传输后，由光收端机监测到音频信号并输出到电视机AUDIO接收端。听光纤传输音频信号的效果以及特点，以了解光纤传输声音信号的特点。在实验过程中声音效果越好也就说明光纤传输模拟信号的性能越好，性能越稳定。在进行光纤传输音频信号之前，先调节正弦波模拟传输，使得Vp-p2V的正弦波正常传输，此时音频信号传输效果最佳。设计步骤如下：（以下实验步骤以 1310nm 光端机部分讲解，即实验箱左边的模块。1550nm 光端机部分与其相同）第一部分：检测模拟
14、传输通道，方法如下：1.关闭系统电源，把光跳线分别连接到 1310 的 TX 和 RX 端。2.将模拟信号源模块的正弦波或三角波、方波连接到光发送模块的模拟信号输入端（P203）。3.把开关 S200 拨到模拟传输端，短接跳线 J200。4.打开系统电源，用示波器在光接受模块的模拟信号输出端口观察输出信号。5.通过电位器 R257（调节直流分量电平）及 R242（增益调节）得到最佳传输的模拟信号。第二部分：传输视频信号，方法如下： 1.关闭系统电源，保持第一步的光路连接不变，用视频专用连接线连接视频信号源的视频输出信号到光发端的模拟信号输入端口 P203，用视频专用连接线连接视频监视器的视频输
15、入端到光收端的模拟信号输出端口 P200。2.依次打开监视器、实验箱和视频信号源的电源，观察视频监视器的图像显示，调节电位器 R257 和 R242，直到显示效果到最佳状态。实验连线图如下：第三部分：传输声音信号，方法如下： 1.参考第一部分的说明，调整 1550nm 光端机的模拟传输通道，使其正常工作。2.关闭所有电源，连接光路部分：用视频专用连接线连接视频信号源的视频输出信号到1310nm光端机的光发端的模拟信号输入端口P203；用视频专用连接线连接视频监视器的视频输入端1310nm 光端机的光收端的模拟信号输出端口 P200。3.用音频专用连接线连接音频信号源的音频频输出信号到1550n
16、m光端机的光发端的模拟信号输入端口P203；用音频专用连接线将扬声器输入端和1550nm 光端机的光收端的模拟信号输出端口 P200相连。这样，视频监视器上接收的为视频信号源的视频输出信号，而扬声器上接收的为音频信号源的音频输出信号。4.本实验用电视机做为视频和音频的监视器，打开电视机、实验箱和摄像头的电源，观察视频监视器的图像显示和声音质量，分别适当调节两个光端机的电位器 R257 和 R242，直到电视机的显示效果和声音质量达到最佳状态。实验连线图如下：三、设计需要的实验仪器与设备示波器、GT-RC-II型光纤通信实验系统，图像信号源、视频监视器四、设计内容1、设计不同的方式对话音信号进行
17、光传输。2、设计电话语音信号通过PCM编码后进行光传输。3、设计图像和音频信号的单光纤传输。项目二： 波分复用光纤通信系统设计一、设计目的通过设计一个波分复用光纤传输系统，实现光纤接入网中的波分复用传输，掌握波分复用技术及实现方法。二、设计原理WDM技术就是为了充分利用单模光纤损耗带来的巨大带宽资源，根据每一信道光波的频率（或波长）不同可以将光纤的损耗窗口划分成若干个信道，把光波作为信号的载波，在发送端采用波分复用器（合波器）将不同规定波长的信号光载波合并起来送入一根光纤进行传输;在接收端，再油一波分复用器（合波器）将不同波长承载不同信号的光载波分开的复用方式。由于不用波长的光载波信号可以看作
18、互相独立的（不考虑光纤非线性时），从而在一根光纤中可实现多路光信号的复用传播。波分复用系统原理图如图2-1所示。完整的WDM紫铜由以下两类比分组成：一类是WDM分波前后所需的元件，如EDFA、Mux/DeMux(Multiplexer/DeMultiplexer,合波/分波多工器)便属此类；一类是WDM的应用，如OADM(Optical Add/Drop Mulitiplexer,光塞取多工器)，OXC（Optical Cross Connects,光交换链接器）。EDFA是WDM系统中最重要的元件之一，不需经光电转换便可放大光能量。在EDFA的制造上是以常规石英系光纤为母材掺进铒离子，由于铒
19、离子的掺入，提供了一个1550nm的能带，使得原本的讯号和高功率泵浦激光（pumping laser,波长980nm或1480nm,功率10-1500mW）得到提高光讯号的强度，而不需将光讯号转化成电讯号后才得以放大。Mux/DeMux是WDM系统使用中不可或缺的两种元件。也就是我们常说的复用、解复用器，DWDM使光导纤维网络能同时传送数个波长的讯号，而Mux则是负责将数个波长汇集至一起的元件；DeMux则是负责将汇集至一起的波长分开的元件。OADM是WDM系统中一个重要的应用元件，其作用是在一个光导纤维传送网络中塞入/取出（Add-Drop）多个波长信道；置OADM于网络的结点处，以控制不同
20、波长信道的光讯号传至适当的位置。OXC设置于网络上重要的汇接点，汇集各方不同波长的输入，再将各讯号以适当的波长输送至合适的光导纤维中。它可提供光导纤维切换（Fiber switching,连接不同光导纤维，波长不装换）、波长切换（Wave length switching,连接不同光导纤维，波长经转换）、及波长转换（Wave length conversion,输出至同一光导纤维，波长经转换）三种切换功能。OXC并提供路由恢复、波长管理、及话务弹性调度。单模光纤的传输谱分为四个窗口：12801350nm，简单可称为1310nm窗口，也称第二波段；15301560nm，简称为1550nm窗口，也
21、称为第三波段或C波段；15601620nm，简称为第四波段或L波段；13501530nm，简称为第五波段。考虑到单模光纤在1310nm附近具有最低色散，且在1550nm波长处具有最低损耗。本实验实现方案是：波分复用系统的两个光载波的波长分别采用1310nm和1550nm,。实验原理框图如图2-2。 图2-2 波分复用系统实验框图三、设计步骤 注意：1.波分复用器属易损器件，应轻拿轻放。2.光器件连接时，注意要用力均匀。第一部分：双模拟信号的波分复用（图2-2-A）：1.电气实验导线的连接：关闭系统电源，将1310nm光端机的模拟信号源正弦波输出端与1310nm光发送模块的模拟信号输入端口（P2
22、03）连接；将1550nm光端机的模拟信号源正弦波输出端与1550nm光发送模块的模拟信号输入端口（P203）连接；分别将两个光发送模块的开关S200拨向模拟传输端。2.光路部分的链接：.取下1310nm光发/光收端口上的红色橡胶保护套；.取一只波分复用器，取下其双光纤端的两根光纤的橡胶保护套；.将波分复用器的1310端与1310nm光发送端口（1310nm TX）的法兰盘对接，即：将光纤小心地插入法兰盘，在插入的同时保证光跳线的凸起部分与法兰盘凹槽完全吻合，然后拧紧固定帽即可；.同时将波分复用器的1550端与1310nm光接送端口（1310nm RX）的法兰盘对接。.用同样的方法将另一只波分
23、复用器与1550nm光端机的连接。.取一只法兰盘，取下其两端的保护套，取下两只波分器单光纤端光纤的保护套，分别将它们与法兰盘连接好。将光跳线的B端与光接收端口的法兰盘对接，方法同上。3.开启系统电源，分别用示波器观察1310光端机的模拟信号输出端与1550nm光端机的模拟信号输入端的波形和1310光端机的模拟信号输入端与1550nm光端机的模拟信号输出端的波形，调整两个光接收机的可调电位器（R257、R242），使输出波形达到最好。第二部分：模拟信号/数字信号的波分复用（图2-2-B）： 1.电气实验导线的连接：关闭系统电源，将1310nm光端机的模拟信号源正弦波输出端与1310nm光发送模块
24、的模拟信号输入端口（P203）连接，将S200拨向模拟传输端；将1550nm光端机的固定频率信号源的BS输出端与1550nm光发送模拟的数字信号输入端口（P202）连接，将S200拨向数字传输端。 2.光路部分的连接，与第一部分的连接相同。 3.开启系统电源，分别用示波器观察1310光端机的数字信号输出端与1550nm光端机的数字信号输入端的波形和1310光端机的模拟信号输入端与1550nm光端机的模拟信号输出端的波形，调整两个光接收机的可调电位器（R257、R242），使输出波形达到最好。第三部分：双数字信号的波分复用（图2-2-C）：1.电气实验导线的连接：关闭系统电源，将1310nm光端
25、机的固定速率信号源的FS输出端与1310nm光发送模块的数字信号输入端口（P202）连接，将S200拨向数字传输端；将1550nm光端机的固定速率信号源BS输出端与1550nm光发送模块的数字信号输入端口（P202）连接，将S200拨向数字传输端。2.光路部分的连接，与第一部分的连接相同。3.开启系统电源，分别用示波器观察1310光端机的数字信号输出端与1550nm光端机的数字信号输出端的波形和1310光端机的数字信号输入端与1550nm光端机的数字信号输出端的波形，调整两个光接收机的可调电位器（R257、R242），使输出波形达到最理想状态。四、设计需要的实验仪器与设备1.RC-GT- 光纤
26、通信原理试验箱2.双踪模拟示波器3.FC-FC波分复用器两个4.FC-FC法兰盘一个五、设计内容1.双模拟信号的波分复用传输2.模拟信号、数字信号的波分复用传输3、双数字信号的波分复用传输4、采用波分复用传输图像、声音信号。项目三： 图像、声音光纤传输系统单/双光纤传输系统设计一、设计目的通过设计一个图像、声音光纤传输系统单/双光纤传输系统，实现图像和声音的双/单光纤传输，掌握时分复用和波分复用技术及实现方法。2、设计原理光纤传输结构图如下所示：(A)音/视频信号的双光纤传输（B）音/视频信号的单光纤传输图3-1 音/视频的光纤传输示意图3、设计步骤注意：1.波分复用器属易损器件，应轻拿轻放。
27、2.光器件连接时，注意要用力均匀。第一部分：音/视频信号的双光纤传输（图3-1-A）：1. 电气实验导线的连接： I. 关闭系统电源，用专用音/视频连接线将VCD机的视频输出端（VIDEO OUT）与1310nm光发送模块的模拟信号输入端口（P203）连接；讲VCD机的音频输出端（AUDIO OUT）与1550nm光发送模块的模拟信号输入端口（P203）连接；分别将两个光发送模块的开关S200拨向模拟传输端。 II. 用专业音/视频连接线连接1550光接收模块的模拟信号输出端口 （P201）到电视机的音频输入端口（AUDIO IN），连接1310nm光接收模块的模拟信号输出端口（P201）到电
28、视机的视频输入端口（VIDEO OUT）。2. 光路部分的连接： I. 取下1310nm光发/光收端口上的红色橡胶保护套； II. 取一根光纤跳线，取下其端口的橡胶保护套； III. 将光纤跳线的A端与1310nm光发送端口（1310nm TX)的法兰盘对接，即：将光纤小心地插入法兰盘，在插入的同时保证光跳线的凸起部分与法兰盘凹槽完全吻合，然后拧紧固定帽即可； IV. 同样将光纤跳线的B端与1310nm光接收端口（1310nm RX）的法兰盘对接。 V. 用同样的方法将另一根光纤跳线与1550nm光端机的连接。3. 开启系统电源，调整两个光接收机的可调电位器（R257、R242），使电视机的图
29、像和声音达到最好。第二部分：音/视频信号的单光纤传输（图31B）：1、电气实验导线的连接： I. 关闭系统电源，用专用音/视频连接线将VCD机的视频输出端（VIDEO OUT）与1310nm光发送模块的模拟信号输入端口（P203）连接；将VCD机的音频输出端（AUDIO OUT）与1550nm光发送模块的模拟信号输入端口（P203）连接；分别将两个光发送模块的开关S200拨向模拟传输端。 II. 用专用音/视频连接线连接1550nm光接收模块的模拟信号输出端口（P201）到电视机的音频输入端口（VIDEO IN），连接1310nm光接收模块的模拟信号输出端口（P201）到电视机的视频输入端口（
30、AUDIO OUT）。 2、光路部分的连接： I. 取下1310nm光发/光收端口上的红色橡胶保护套； II. 取一只波分复用器，取下其双光纤端的两根光纤的橡胶保护套； III.将波分复用器的1310端与1310nm光发送端口（1310nm TX）的法兰盘对接，即：将光纤小心地插入法兰盘，在插入的同时保证光跳线的凸起部分与法兰盘凹槽完全吻合，然后拧紧固定帽即可； IV.同样将波分复用器的1550端与1310nm光接送端口（1310nm RX）的法兰盘对接； V. 取一只法兰盘，取下其两端的保护套，取下两只波分器单光纤端光纤的保护套，分别将它们与法兰盘连接好； VII. 将光跳线的B端与光接收端
31、口的法兰盘对接，方法同上。 3、开启系统电源，调节两个光接收机的可调电位器（R257、R242），使电视机的图像和声音达到最理想的效果。 4、设计需要的实验仪器与设备1、RC_GT_II光纤通信原理试验箱 2、音频、视频信号源（如：VCD，DVD，CCD等）3、音频、视频监视器（如：电视机等）4、双踪模拟示波器5、FC_FC波分复用器两个6、FC_FC法兰盘一个7、FC_FC光纤跳线两根8、专用音/视频连接线两根5、设计内容1、用双光纤同时传输声音及图像信号。2、用波分复用器实现单光纤的声音及图像信号同时传输。项目四：基于Optiwave Optisystem.仿真系统的光环型器和光纤光栅的分插复用器信号下载设计一、设计目的基于光环型器和光纤光栅设计光分插复用器。对各种信号的光纤传输和下载进行设计，了解完整光纤通信系统的基本组成结构。二、设计原理 1.补写光环型器的基本原理 2、补写光纤光栅的基本原理 3、补写基于光环型器和光纤光栅设计光分插复用器的过程 4、仿真软件学习OADM信号处理光接收模块1550、1310光发送模块、1550、1310视
