近代物理实验八光纤通信原理.doc

实验八 光纤通信原理
一、前言
光纤通信已经成为通信网络中主要的传输方式，光纤通信技术是现代通信技术的主要技术之一，它具有通信容量大、传输质量高、抗电磁干扰能力强、体积小等优点，对国民经济的发展有着很大的影响。为使通信专业的学生对此有一个深入的认识，我们研制了光纤通信实验系统。
二、实验目的
该系统是一套较为完整的实验教学系统，包含了现代通信的主要环节。通过该实验教学演示以了解光纤通信所涉及的基本内容，深入理解光纤通信中的基本概念；通过对典型通信网（系统）光纤通信网络中所涉及到的新技术应用，如当今光通信领域最流行的两个窗口波长1310nm/1550nm，以让同学们掌握光纤通信网（系统）的设计及相关技术。由此，同学们会对现代通信有一个较为全面的理解，对光纤在现代通信中的地位和作用有一个深刻的认识。
三、实验内容
1．语音信号光纤传输实验：语音信号光纤传输主要通过MIC接收声音信号，声音信号经过数字编码送入光纤传输；接收端，对接收的信号译码还原，通过D/A变换输出模拟信号。
2．图像信号光纤传输系统实验：实验主要由摄像头摄取图像信号，并对图像信号进行JPEG压缩以及编码，编码后的信号送入光纤传输；接收端，对接收的信号编码信号进行译码，并解压缩还原，在320*240点阵的液晶显示器显示。
3．任意波形信号光纤传输系统实验：将各种模拟信号（如三角波、正弦波、外输入模拟信号等）进行光纤传输，用示波器观察输入信号波形和通过光纤传输后的输出波形，并进行比较。
四、实验仪器
DH2003型 光纤通信实验仪 示波器和波形发生器（自备）
五．性能指标
1、仪器采用1310nm/1550nm光纤。
2、语音传输无失真；数据传输编码和解码。
3、图象压缩传输信息无太大损失；图象数据采集用30万像素的彩色摄像头，数据用JPEG格式压缩编码，光纤传输，解压缩。液晶显示器：320×240，单色。
4、对任意波形，通过光纤传输能还原。
六、基本原理:
1、仪器组成
此系统由光纤数据发送和接收两部分组成。发送端分成数据采集、数据压缩、数据编码、数据光纤发送等，接收端分成数据光纤接收、数据解码、解压缩、输出等。
2、光纤传输原理框图

数据压缩
MIC
摄像头
任意波形
A/D
A/D

数据编码

数据发送

图1.1数据光纤发送框图

数据接收

数据解码
数据解压缩
D/A
D/A
扬声器
扬声器/示波器
液晶显示器

图1.2 数据光纤接收框图
七、仪器操作和显示
1、按键操作部分
按键为四个键，分别为选择键、确认键、转换键、复位键。
他们的功能如下。
选择键：用于选择图像、声音、任意波形中的一种方式进行光纤传输操作。
确认键：用于对所选择的一种功能确认，选择了一种传输方式后，按确认键后对所选的传输方式（操作）即开始。
转换键：用于进入图片预览功能。
复位键：用于系统重新启动。
2、液晶显示屏
开机时，液晶显示器显示图像、声音、波形。
按选择键，依次选择图象功能、语音功能、任意波形功能，选中的功能反色显示。按确认键，选中的相应功能进入操作。
八、实验步骤
1、把黄色光纤带的两头分别插在实验箱上黑色光纤接发模块中，没有方向要求，注意别损坏光纤头，确保光纤连接正常。（一般情况下不要经常拔下光纤以免造成接触不良。若长期不做实验，可以把光纤移下来妥善保存，光纤接发模块的插孔也要封好。）
2、确认以上操作已无误后，打开电源，实验箱上的红色指示灯点亮，液晶显示器显示图象 声音 波形的显示界面，按选择键，依次选择图象功能、语音功能、任意波形功能，选中的功能呈反色显示，若按下复位键仍无法进行选择则检查光纤连接是否正常。按确认键，选中相应功能进入操作。
4、 进行声音传输实验
首先把麦克风插在实验箱面板左边芯片旁的插孔中，接着按选择键选中声音功能，液晶显示器显示图象 声音 波形，再按下确定键进入声音功能；若选择功能无效先按复位键再重复进行以上操作。对准麦克风讲话或吹气，从实验箱侧面的扬声器将会有相同的声音输出，声音的大小可以通过实验箱上的调节旋纽进行调节。同时，把实验箱上波形输出端接到示波器上可以观察到声音波形。*注意麦克风不要离扬声器太近，同时输出调节旋纽也不要加到太大，以免输入信号和扬声器的输出信号相互干扰，对系统形成正反馈，发出刺耳声音，影响输出声音效果。
5、任意波形传输实验
首先让信号发生器的波形输出为正弦波并且波形的幅值预先置为0.2V左右，可用示波器先观察好；接着把信号发生器的波形输出端接到实验箱的波形信号输入端，示波器连接到实验箱的波形信号输出端。先按复位键使系统复位，再按选择键选中波形功能，液晶显示器显示图象 声音 波形，然后按下确定键进入此功能。这时示波器可以看见相应的波形，扬声器也可听到单频声音（声音的大小可以通过实验箱上的调节旋纽进行调节），若改变信号的幅值和频率，示波器和扬声器的输出将随之改变。（*注意波形信号的幅值不要太大，最好不要超过1V，实验时可以逐渐加大信号幅值；同时输入信号及探头的阻抗要与实验系统相匹配，不然可能会造成波形失真）。
6、预存图片传输实验
按复位键使系统复位，按选择键选中图象功能，液晶显示器显示图象 声音 波形，然后按返回键，选中图象预览，按确认键后液晶显示器上可以看到预存的图象显示；接着按一下选择键，再按确认键可以看到另一幅图象在液晶显示器上显示；再按选择键，确认键可以看见又一副图片；循环上步，可以看到多幅预存的图象。
7、摄像图片的传输功能
按复位键使系统复位，按选择键选中图象功能，液晶显示器显示图象 声音 波形，在摄像头前方适当位置（3~6厘米左右，正对摄像头）放一幅黑白对比度大的图片（见附页或自制），按确认键，看见对应图象在液晶显示器显示出来。（显示要花好几秒时间，请耐心等待;图片的显示质量与焦距和光线强弱存在很大关系）
九、思考题
1、在光纤多媒体通讯过程中，有哪些因数影响通讯的准确性？
2、在进行波形实验时，当给定的信号频率很高时输出会出现失真，试分析原因以及对微控制器的要求？
3、在进行图象实验时，我们会发现图象显示的速度不是很快，它与微控制器速度和数码摄像模块有什么关系？
4、您觉得实验中有哪些地方需要改进？请提出您宝贵的意见。

附：软件框图
初始化
等待命令
声音
图象
任意波形
采集图象数据
采集声音数据
采集任意波形
数据编码
数据编码
数据编码
数据发送
数据发送
数据发送
传送结束
1．数据发送

图1.3 数据发送框图

2． 数据接收

显示初始状态
数据解压
数据解码
数据解码
数据解码
接收任意波形
接收声音数据
接收图象数据
任意波形
图象
声音
等待命令
初始化

数据送扬声器
数据送示波器

数据送显示

传送结束

图1.4 数据接收框图

二、光纤传感器的位移特性实验
一、实验目的：了解和掌握光纤位移传感器的工作原理和性能。
二、基本原理：本实验采用的是传光型光纤，它由两束光纤混合后，组成Y型光纤，半圆分布即双D型。其中一束光纤端部与光源相接发射光束，另一束端部与光电转换器相接接收光束。两光束混合后的端部是工作端，亦称探头，它与被测体相距X，由光源发出的光传到端部发射后再经被测体反射回来，另一束光纤接收光信号，接收到的光信号由光电转换器转换成电量。光电转换器转换的电量大小与接收到的光信号的大小有关，接收到的光信号的大小与发端射到被测物体之间的间距X有关，因此测量由光电转换器转换成的电量就可用于测量位移。
三、实验仪器：
DH2003型光纤传感实验仪
使用的部件有：光纤传感器、光纤传感器实验模板、电压表、测微尺等。
四、实验步骤：
1、按图2.1将光纤传感器装于传感器支架的前一个安装孔上，二束光纤分别插入光纤变换座的发射和接收孔中。光纤变换座的内部已和发光管D及光电转换管T 相接。

图2.1光纤传感器位移特性实验安装示意图
2、将光纤实验模板输出端uo与电压表相连，见图2.2。
3、调节测微尺安装座上的紧固螺钉，固定测微尺。检查反射面圆平板是否正确安装，调节测微头，使探头与反射面圆平板接触。
4、打开电源开关，数显表选择20V档，调节RW使数显表显示为零；再将数显表的切换开关选择2V档，调节RW使数显表显示接近零。
5、旋转测微头，被测体离开探头。选择合适的测量量程，每隔0.1mm读出数显表值，将其填入表2－1。
表2－1光纤位移传感器输出电压与位移数据
X（mm）

……
U(V)

……
6、根据表2－1数据，作光纤位移传感器的位移特性，计算在量程1mm时灵敏度和非线性误差。

图2.2 光纤传感器位移实验接线图
五、 思考题：
光纤位移传感器测位移时对被测体的表面有些什么要求？

三 光纤传感器测速实验
一、实验目的：了解和掌握光纤位移传感器用于测量转速的方法。
二、基本原理：本实验采用的是传光型光纤，它由两束光纤混合后，组成Y型光纤，半圆分布即双D型。其中一束光纤端部与光源相接发射光束，另一束端部与光电转换器相接接收光束。两光束混合后的端部是工作端，亦称探头，它与被测物体相距X，由光源发出的光传到端部发射后再经被测体反射回来，另一束光纤接收光信号，接收到的光信号由光电转换器转换成电量。光电转换器转换的电量大小与接收到的光信号的大小有关，接收到的光信号的大小与被测物体的反射量有关。本实验中被测物体是一个可以转动的转盘，转盘上设有2个白色反射圆点，它能对照射到其上的光束较好的反射。转盘的其它部分为黑色，对照射到其上的光束的反射很小。当转盘转动时，光束周期性地照射到转动的反射圆点，光纤传感器周期性地接收到的光信号，因此光电转换器输出周期性变化的电信号。
由频率计测出该周期性变化的电信号频率，再根据转盘上的测速点数，就可折算成转速值n。
三、需用器件与单元：
DH2003型光纤传感实验仪，示波器等。
使用的部件有：光纤传感器、光纤传感器实验模板、频率表、电压表、转速调节电位器、电机等。
四、实验步骤：
将光纤传感器按图3.1装于传感器支架的后一个安装孔上，使光纤探头与电机转盘的反射圆点对准，距离正好在光纤线性区域内（利用实验二的结论目测距离大致为线性区域）。
打开电源开关，按图2.2，将光纤传感器实验模板输出uo与电压表＋端相接，数显表的切换开关选择20V档。电机的转速调节电位器逆时针打到底，电机停止，转动用手转动圆盘，使探头避开反射面，因为反射的光较小，光电转换器输出的电信号很小（暗电流），此时uo的输出较小。调节RW使数显表显示为零。
将uo与频率表＋端相接，实验模板的地与频率表－端相接。

图3.1光纤传感器测速实验安装示意图
顺时针调节转速电位器，使电机开始转动，用示波器在信号输出端观察输出波形，调节光纤与电机反射圆点的距离和位置，再适当调节示波器的通道增益和扫描时间，就可观察到uo的波形，可以看到该波形是一串随转速变化的脉冲波，注意该波形的有何特点。频率表就是根据该脉冲测得uo频率的，记下频率表的读数，根据转盘上的测速点数折算成转速值n。计算公式为：n＝60×频率表显示值÷转盘上测速点数（n/min），本实验转盘测速点数为2。
五、思考题：
1、测量转速时，转速盘上反射点（或吸收点）的多少是否影响测速精度？
2、频率表的采样频率对测速精度有何影响？由于频率表的采样频率已经固化，所以同学们可以用实验来验证比较转盘上只有一个反射点时的情况。
3、示波器观察到的uo波形的幅度有什么特点？