实验一用户电话接口实验报告|江阴雨辰互联

2023年7月17日发(作者：)

实验一用户电话接口实验

一、实验目的

1、掌握用户电话接口电路的主要功能

2、了解实现用户接口电路功能芯片Am79R70的主要性能和特点

二、实验内容

1、掌握用户线接口电路的主要功能

2、了解Am79R70的结构和工作原理

3、了解电话接续的原理及其各种语音控制信号的波形

三、实验仪器

1、ZY1804I1台

21台

32部

四、实验原理

Word 资料

型光纤通信原理实验系统

双踪电连接数字话导示波器

机

线

、20MHz

、、20根 .

1、用户线接口电路功能及其作用

在现代通信设备与程控交换中，由于交换网络不能通过铃流、馈电等电流，因而将过去在公用设备（如绳路）实现的一些功能放到“用户电路”来实现。

在程控交换机中，用户电路也可称为用户线接口电路（Subscriber Line Interface Circuit—SLIC）。根据用户电话机的不同，用户接口电路可分为模拟用户电话接口电路和数字用户电话接口电路。模拟用户电话接口电路与模拟电话相连，数字用户电话接口电路和数字终端相连（如ISDN），而在此实验箱中采用模拟用户电话接口电路。

模拟用户线接口电路在实现时最大的压力应是能承受馈电、铃流和外界干扰等高压大电流的冲击，过去都是采用晶体管、变压器、继电器等分立元件构成，但随着微电子技术的发展，各种集成的SLIC相继出现，他们大都采用半导体工艺或是薄膜、厚膜会合工艺，性能稳定，价格低廉，已实现了通用化。

在程控交换机中模拟用户接口电路一般要具有B（馈电），R（振铃），S（监视），C（编译码），H（混合），T（测试），O（过压保护）七项功能。具体含义是：

1、馈电（B-Battery feeding）：向用户话机馈送直流电流。通常要求馈电电压为-48V，环路电流不小于18mA。

2、过压保护（O-Overvoltage protection）：防止过压过流冲击损坏电路和设备。

Word 资料 .

3、振铃控制（R-Ringing Control）：向用户话机馈送铃流，通常为25Hz/75Vrms正弦波。

4、监视（S-Supervision）：监视用户线的状态，检测话机摘机、挂机与拨号脉冲灯信号已送往控制网络和交换网络。

5、编解码与滤波（C-CODEC/Filter）：在数字交换中，它完成模拟话音与数字码间的转换。编译码通常采用PCM码的方式，其编码器（Coder）和译码器（Decoder）统称为CODEC。相应的防混叠与平滑低通滤波器的带宽范围为：300Hz~3400Hz，编码速率为64Kb/s。

6、混合（H-Hybird）：完成二线与四线的转换功能，即实现模拟二线双向信号与PCM发送和接收数字四线信号之间的分离。

7、测试（T-Test）：对用户电路进行测试。

模拟用户接口电路的结构如图所示：

过压保护电路低通滤波平衡网络低通滤波振铃控制馈电电路混合电路编译码器

图1-1 模拟用户接口电路框图

2、用户线接口电路

在本实验箱中，用户线接口电路芯片选用Legerity公司生Word 资料 .

产的模拟用户线接口芯片Am79R70。Am79R70是一种功能较强的用户线接口芯片，它除了拥有用户接口电路常用的7种功能中的6种外，还拥有电流限制、挂机传输、极性反转、tip开路和环路检测等功能。其内部电路结构原理框图如下：

继电器驱动IIRTRIP1RTRIP2振铃回路检测接地键检测A(TIP)HPAHPBB(RING)VBAT2VBAT1开关驱动两摘机检测线接信号传输口馈电控制RYOUT1RYE继电器驱动IRYOUT2D1输入解码及控制D2C1C2C3E1/DETRSNVTXRDRINGINRDCRDCRRSGLRSGHB2ENVCCVNECBGNDAGND/DGND

图1-2 Am79R70内部功能模块图

其中Am79R70需要VCC，VEE，VBAT1，VBAT2四种电源电压。其中VCC为+5V，VEE为-5V，此电压可由Am79R70内部的负电压调整可得。VBAT2的电压幅度范围为-19～-48V，VBAT1的电压幅度范围为-40～-67V，标准值为-48V。

振铃、环路状态检测的功能主要通过控制字输入端C3，C2，C1及摘挂机检测输出端/DET来控制，当C3C2C1输入为001时，Am79R70处于振铃模式，当C3C2C1输入不是001时，Am79R70Word 资料 .

进入其他工作模式，同时使与其相连的话机振铃截止。当C3C2C1输入为010时，话机处于通话状态。

Am79R70的/DET脚的输出可以指示用户的摘挂机状态，当用户摘机时，Am79R70的/DET脚输出低电平，挂机时输出高电平。实验箱中电话间的通信及信号的控制主要由单片机和FPGA来共同完成，我们称之为控制处理单元，其工作过程如下：

当用户1摘机时，与它相连的Am79R70的/DET脚输出低电平，向控制处理单元指示用户1已经摘机，同时摘机指示灯亮。此时控制处理单元向用户1的Am79R70的控制端C3C2C1输出010使其处于通话连接状态，同时对用户1的摘机的信息进行处理。在通话连接状态下，用户的信息经过Am79R70的两线接口及信号传输模块可以直接输出到编解码芯片和收发器。控制处理单元向用户1送拨号音，用户1听到此音后拨号。控制处理单元根据用户1的所拨的号码定位到用户2，并向与用户2连接的Am79R70的控制端输出001，以使得用户2所连接的Am79R70处于振铃状态，同时向用户1发送回铃音或忙音。在振铃状态下，Am79R70将铃流电路产生的RV通过RING脚输入到Am79R70内，经内部放大后通过两线接口模块输出到用户线，使得用户2的电话机振铃。当用户2摘机后，它相连的Am79R70的/DET脚输出低电平，以向控制处理单元指示用户2已经摘机。此时控制处理单元向用户2的Am79R70的控制端C3C2C1输出010使其处于通话连接状态，同时停止振铃。这样，Word 资料 .

用户1和用户2就可以通过Am79R70进行通话。

3、用户接口电路原理图

用户接口电路和电话接续实验将主要完成摘挂机监测、振铃、回铃、忙音、电话传送语音信号测试等功能。此部分实验1234需要结合电话模拟信号源模块来完成，电话模拟信号源模块主要用产生忙音、回铃、振铃控制等信号来完成电话之间的接续功能。

用户接口电路的原理图如下：

C305TIPAC306U305R349B301R313U311R315R314E311R346DVTATAE1R317R318R373264582RTRIP1RTRIP2A(TIP)HPAHPBB(RING)RYOUT1RYOUT2RYEVBAT1VBAT2BGND121234R3508765C307R316VCCVNEGRDRSGHRSGLVTX32230171823VCC-5VR340C3121VTATVRATA20C315C313R320R321R322R323C314U306DR341R342C308C309CD301-48VRINGA-24VD302C310C3111RSNRDCRDCRB2ENC1C2C3D1D2E1DETRINGIN1VRATU306E810911R326RINGE11E309U306AU306C52R3256INT0LED309AGND/DGNDR3244U310B325HZ25HZ

B图1-3 用户接口电路原理图

用户接口模块的基本原理：用户接口模块主要由Am79R70及相应的一些外接电路组成，用户话机是通过电话接头内的TI、RI（即图中的B301）与系统相连，二极管LED309主要用来完成摘挂机的检测功能，当两部电话中的任何一部电话摘机时相应的二极管亮表示处于摘机状态。测试钩VTATA， VRATA主要用来测试本方话机的输入和输出模拟信号。在这里，输入的信Word 资料

1234A .

号可以是以下几种类型的信号：

3.1 电话通信中的话音信号。

3.2 来自电话模拟信号源模块的各种音信号（回铃、振铃、忙音信号）。

① 拨号音：450Hz正弦波；

② 忙音：450Hz正弦波，通断间隔时间0.35S；

③ 回铃音：450Hz的正弦波，每导通1秒后间断4秒；

④ 25Hz振铃信：25Hz的低频周期信号，每导通1秒后间断4秒；

控制处理模块主要通过对两部电话的状态检测来产生各种控制信号，如回铃信号、忙音信号、振铃信号，以完成两部电话之间的热线接续功能。

其中热线呼叫的流程图如下：

Word 资料

开始

有用户呼叫吗？

呼叫

YES

被叫闲吗 .

Word 资料

YES

来话接续

向主叫送忙音

向被叫送振铃，向主叫送回铃

被叫应答吗？

应答

YES

主叫挂机吗？

停送铃流，停回铃音，接通电路

YES

话端挂机吗

挂机

拆线（释放复原）

开始 .

图1-4 电话呼叫控制流程图

五、实验步骤

1、用连接线连接中央控制器的D_IN和D_OUT，将中央控制器K1拨为“主”，分别接好两部电话机。

2、将PCM编译码模块的开关K301，K401，K402，K403和K404分别拨向下。

3、将拨码开关K703(A机号码)的值拨为“0001”，使A机号码为3201；拨码开关K704(B机号码)的值拨为“0010”，使B机号码为3202。

注释：本实验箱要求为每一部电话设置一个电话号码，电话号码为3201到3215，电话号码前两位固定为32，后两位（电话地址）由拨码开关K703和K704人为输入，对应两个拨码开关所拨的二进制数值，例如预设A机电话号码为3201，则将拨码开关K703(A机号码)的值拨为“0001”。多台实验箱组网通信时要求电话号码设置和终端地址设置不能重复。

4、打开交流电源。中央控制器指示灯NS、FS亮，表明环路同步。

5、用示波器测量电话A模拟信号源测试钩25HZA和BHA(450HZ)的波形，其中25HZA为频率25HZ的方波，Word 资料 .

BHA(450HZ)为频率450HZ的正弦波，450HZ正弦波的峰-峰值为1V左右。

用示波器测量电话B模拟信号源测试钩25HZB和BHB(450HZ)的波形，其中25HZA为频率25HZ的方波，BHA(450HZ)为频率450HZ的正弦波，450HZ正弦波的峰-峰值为1V左右。

注释：25HZ的方波用合成振铃信号，450HZ的正弦波用来提供拨号音以及合成忙音信号和回铃信号，若其幅度过大，将会在电话接口回路中引起自激现象，严重影响电话话路的通话质量。

a、电话的摘机状态及拨号音测试

将电话A模块的电话摘机，此时二极管LED309发光。用示波器探头测量A电话模拟信号输入端测试钩VRATA的拨号音波形，观察其波形的特点，并进行分析。将该电话挂机，可看见二极管LED309不发光。

b、电话振铃，回铃信号测试

将电话A模块的电话摘机，听到拨号音后，拨打电话B模块的号码3202，此时观察拨号状态指示灯LED301、LED302、LED303和LED304(每拨一个数字，拨号状态将由对应的二进制码指示)。如果电话B没有处于通话占用状态则将会听到响铃声，用示波器探头测量测试钩ZLB的波形，将其记录下来分析；

用示波器探头测量测试钩HLA回铃信号的波形，观察其波形Word 资料 .

的特点，并进行分析；

将电话A模块的电话挂机，同时将电话B模块的电话摘机，拨打电话A模块的电话，测量HLB和ZLA的波形，并对其进行分析。

注释：ZLA/ZLB是用来与25HZ低频信号合成振铃音的控制信号，表现为1秒通4秒断。

c、电话话音信号传输功能测试

将电话A模块的电话摘机，拨打电话B模块的电话，并接通。将电话进行按键，同时利用示波器探头来测量VTATA和VRATB、VTATB和VRATA的波形，对比电话A和电话B之间的接收和发送信号波形，观察不同按键时电话发送信号和接收信号的变化。同时观察两个电话模块的拨号状态，此时显示灯将显示所按号码。

d、忙音信号测试

将电话A模块的电话摘机，不拨电话号码，过约20s后，测量测试构VRATA的波形，并画出其波形。

将电话A模块的电话摘机，拨打电话B模块的电话，拨号期间间歇约5s，测量测试构VRATA的波形，并画出其波形。

接通两部电话，将电话A挂机，用示波器测量测试钩VRATB的波形，并画出其波形。

e、多种信号音测试

测量测试钩VRATA的波形，分别在振铃（即电话A摘机，电Word 资料 .

话B挂机）、接通（两部电话通话）和忙音（接通后，电话B挂机）三种状态下测量，记录下其波形。

6、关闭交流电源，拆除各个连线，将实验箱还原。

六、实验结果

0.35秒0.35秒0.35秒Y

轴VRATA 忙音信号示意图

X 轴1秒4秒1秒Y

轴HLA/HLB 回铃信号示意图

X 轴

七、思考题答案

1、电话接口电路的主要功能是什么，除了AM79R70之外，你还知道那些芯片可以实现用于接口电路的功能?

2、测试钩VRATA的波形在三种状态下分别不同，其三种波形分别是什么信号的波形?

Word 资料 .

实验八半导体激光器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P－I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、实验仪器

Word 资料 .

1、ZY1804I型光纤通信原理实验系统 1台

2、FC接口光功率计 1台

3、FC-FC单模光跳线 1根

4、万用表 1台

5、连接导线 20根

四、实验原理

光源是把电信号变成光信号的器件，在光纤通信中占有重要的地位。性能好、寿命长、使用方便的光源是保证光纤通信可靠工作的关键。

光纤通信对光源的基本要求有如下几个方面：首先，光源发光的峰值波长应在光纤的低损耗窗口之内，要求材料色散较小。其次，光源输出功率必须足够大，入纤功率一般应在10微瓦到数毫瓦之间。第三，光源应具有高度可靠性，工作寿命至少在10万小时以上才能满足光纤通信工程的需要。第四，光源的输出光谱不能太宽以利于传输高速脉冲。第五，光源应便于调制，调制速率应能适应系统的要求。第六，电—光转换效率不应太低，否则会导致器件严重发热和缩短寿命。第七，光源应该省电，光源的体积、重量不应太大。

作为光源，可以采用半导体激光二极管（LD，又称半导体激光器）、半导体发光二极管（LED）、固体激光器和气体激光器等。Word 资料 .

但是对于光纤通信工程来说，除了少数测试设备与工程仪表之外，几乎无例外地采用半导体激光器和半导体发光二极管。

本实验简要地介绍半导体激光器，若需详细了解发光原理，请参看各教材。

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30～50°，水平发散角为0～30°），与单模光纤的耦合效率高（约30％～50％），辐射光谱线窄（Δλ＝0.1～1.0nm），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。

半导体激光器的特性，主要包括阈值电流Ith、输出功率P0、微分转换效率η、峰值波长λp、光束发散角、脉冲响应时间tr、tf等。除上述特性参数之外，有时也把半导体激光器的工作电压、工作温度等列入特性参数。

阈值电流是非常重要的特性参数。图8-1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Ith。半导体Word 资料 .

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Ith。

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Ith之前半导体激光器输出荧光，到达Ith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8-1。

-34

d(PIeP)()hvehvI （8-1）

ΔP/ΔI就是图8-1激射时的斜率，h是普朗克常数（6.625*10频率。

焦耳g秒），v为辐射跃迁情况下，释放出的光子的

图8-1 LD半导体激光器P-I曲线示意图

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Ith尽可能小，Ith对应P值小，而且没有扭折点的半Word 资料 .

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（测试方法见实验十二）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。

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8-1：

表8-1 本实验半导体激光器的部分参数参考表

ParameteSymr

参数

Central

Wavelength

中心波长

Spectral Width

RMS

谱线宽度

Threshold

Current

阈值电流

Optical output

power

Word 资料

Min

值

Typ Max. Unit

典型值

最大值

单位

bol 最小符号



1280 1310 1340 nm



2 5 nm

Ith

8 15 mA

0.2

0.4

mW .

输出功率

Forward

Voltage

正向电压

Rise Time/Fall tr/tf

Time

上升/下降时间

…… …… …… …… …… ……

本实验所涉及的实验框图如图8-2，R973（1Ω）与激光器串联。

R973驱动电路激光器Vf 1.2 1.6 V

0.5 ns

图8-2 激光器工作框图

电路中的驱动电流在数值上等于R973两端电压与电阻值之比。为了测试更加精确，实验中先用万用表测出R973的精确值(将BM901、BM902都拨到中档，用万用表的欧姆档测T904、T905之间的电阻)，计算得出半导体激光器的驱动电流，然后用Word 资料 .

光功率计测得一定驱动电流下半导体激光器发出激光的功率，从而完成P-I特性的测试。并可根据P-I特性得出半导体激光器的斜率效率。

五、实验步骤

1、用导线连接中央控制器M和T903(13_DIN)。

2、将开关BM901拨为1310nm，将开关K902拨为“数字”，将电位器W901逆时针旋转到最小。

3、旋开光发端机光纤输出端口防尘帽，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。

4、用万用表测量T904（TV+）和T905(TV-)之间的电阻值（电阻焊接在PCB板的反面），找出所测电压与半导体激光器驱动电流之间的关系（V＝IR973）。

注释：在回路中测R973的电阻值，不准确！所以在测之前要将回路断开。另外，考虑到万用表本身的精度问题，也可不测R973的电阻值，直接用1Ω来做实验。

5、将电位器W907（阈值电流调节）逆时针旋转到底。

注释：此时LD的直流偏置Ib的值为0。LD的驱动电流仅为调制电流Id。否则因自动光功率的作用，无法测量LD的P-I特性曲线

6、打开交流电源。

Word 资料 .

7、用万用表测量T904（TV+）和T905(TV-)两端电压（红表笔插T904，黑表笔插T905）。

8、慢慢调节电位器W901（数字驱动调节），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。

注释：1、实验中半导体激光器的驱动电流不可大于60mA，否则有烧毁激光器的危险。

2、实验时不能调节电位器W907，否则将影响实验的结果。

9、做完实验后先关闭交流电开关。

10、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。

U(mV) 2 2.I(mA) 2.0

P（uW）

U(mV) 3.8

Word 资料

2.2.4

2.6

2.8

2.3 3.3.3.3.3.4

0.3.6

3.6

1.2 4

2.2

2 4

8 0 2

- - 0.-

58 79 99

4 4.5

5 6 7 8 9 10 .

I(mA) 3.8

P（uW）

4.0

4.5

5.0

6.7.8.9.100 .0

1 6

0 0 0

192428.7 .5 .2 .1 6 1 5

U(mV) 12 14 16 18 20 224 26

I(mA) 22426.0 .0 .0 .0 .0 .0 .0 .0

P（uW）

LD的P-I特性测试表

六、实验结果

以上的数据仅供参考，LD的阈值电流Ith一般在3～10mA比较正常。由于激光器个体差异会使得输出功率有差异。

七、思考题答案

1、试说明半导体激光器发光工作原理。

答：半导体激光器（LD）包括工作物质、谐振腔和泵浦源三部分。工作物质直接决定了激光器的激射波长，1310和1550Word 资料

37455462707992994 6 1 1 2 1 5 7 .

窗口一般采用InGaAsP/InP材料。泵浦源一般是采用直接电注入的方法来实现，正向偏置的PN结导带和价带的费米能级发生分离，两准费米能级的差超过禁带宽度时就能实现粒子数反转，光信号通过粒子数反转区域时就能实现放大。谐振腔能实现光反馈，当光信号在谐振腔中来回反射一次获得的增益超过总损耗时，就能建立起稳定的振荡，实现激射。

由于谐振腔中存在损耗及端面反射镜的透射损耗，受激发射产生的光子将不断消耗，如果增益并非足够大，则不能补偿这种损耗。只有当增益等于或者大于总损耗时，才能建立起稳定的振荡，这一增益称为阈值增益。为达到阈值增益所要求的泵浦或者注入电流称为阈值电流。

2、环境温度的改变对半导体激光器P-I特性有何影响？

答：半导体激光器（LD）对工作环境温度的变化非常敏感，在高温环境下工作会影响它的寿命。对于P-I特性，主要表现在阈值的变化，阈值电流与温度呈指数关系变化：I00thIthoeTT0，Itho为温度T时的阈值电流，T是工作温度，T表示器件温度特性的特征温度，T较大，表示器件的温度稳定性较好。

03、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。

答：阈值电流越小，系统工作时的电流就越小，工作稳定性会增加。

阈值电流对应的功率越小，光端机输出的光信号的消光比就Word 资料 .

较大。

线性区线性度越好，波形越不容易失真。

线性区的P-I曲线斜率要适当。若太小则驱动信号要求太大，给驱动电路带来麻烦；驱动太大的管子会出现光反射噪声及自动光功率控制环路调整困难。Word 资料 .

实验九发光二极管P-I特性测试曲线

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P－I特性曲线，计算发光二极管斜率效率

三、实验仪器

1、ZY1804I型光纤通信原理实验系统 1台

2、FC接口光功率计 1台

3、850nm光发端机（HFBR-1414T） 1个

4、ST-FC多模光跳线 1根

5、万用表 1台

6、连接导线 20根

Word 资料 .

四、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。

半导体发光二极管（LED）是利用半导体P-N结自发发射原理发光的器件的统称。商品发光二极管种类很多，电信仪表与家电产品的半导体指示灯也是半导体发光二极管。光纤通信专用半导体发光二极管的特点是高亮度、高响应速度，其制造工艺与价格与半导体指示灯有所不同。

发光二极管（LED）结构简单，是一个正向偏置的PN同质结，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（30～60nm）、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I/P，其中发射电子的复合率决定于内量子效率ηint，Word 资料 .

光子产生率为(Iηint/P)，因此LED内产生的光功率为

Pintint(/q)I

（9-1）

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LEDext的发射功率为

PeextPintextint(/q)I

（9-2）

图9-1 LED发光二极管P-I曲线示意图

ηext亦称为外量子效率。由9-2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。

本实验选用的半导体发光二极管是安捷伦公司的Word 资料 .

HFBR0400系列的HFBR1414T。其型号所代表的意思如下：

其中心波长为820nm，接头为ST型。

实验中发光二极管电流的确定通过测量串联在电路中R973的电压值。电路中的驱动电流在数值上等于R973两端电压与电阻值之比。实验中先用万用表测出R973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。

五、实验步骤

1、用导线连接中央控制器M和T903(13_DIN)。

2、将开关BM901拨为850nm，将开关K902拨为“数字”，将电位器W901逆时针旋转到最小。

3、装好850nm光发射机（850nm T），用ST-FC光纤跳线将LED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850nm档。

Word 资料 .

4、用万用表测量T904（TV+）和T905(TV-)之间的电阻值（电阻焊接在PCB板的反面），找出所测电压与半导体激光器驱动电流之间的关系（V＝IR973）。

5、将电位器W907（阈值电流调节）逆时针旋转到底。

注释：此时LD的直流偏置Ib的值为0。LD的驱动电流仅为调制电流Id。否则因自动光功率的作用，无法测量LD的P-I特性曲线

6、打开交流电源。

7、用万用表测量T904（TV+）和T905(TV-)两端电压（红表笔插T904，黑表笔插T905）。

8、慢慢调节电位器W901（数字驱动调节），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，精确到0.1uW。

注释：1、实验中半导体激光器的驱动电流不可大于60mA，否则有烧毁激光器的危险。

2、实验时不能调节电位器W907，否则将影响实验的结果。

9、做完实验后先关闭交流电开关。

10、拆下光跳线及光功率计，用防尘帽盖住实验箱半导体Word 资料 .

激光器光纤输出端口，将实验箱还原。

U(m2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 25

I(mA2.4.5.8.10.12.14.16.18.20.25.)

P（u0 0 0 0

91120

0.1.2.3.4.35.46.67.78.79.612.W） 7 1 6 6

LED的P-I特性测试表

六、实验结果

见上表LED的P-I特性测试表，以上的数据仅供参考。由于激光器个体差异会使得输出功率有差异。

七、思考题答案

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。

答：发光二极管（LED）是以自发发射的形式发射光子。LD是受激辐射过程发射光子。

2、环境温度的改变对发光二极管P-I特性曲线有何影响？

答：一般的发光二极管的P-I曲线随着温度的升高而降低。Word 资料 .

但是不同材料的发光二极管其下降程度不一样。

3、发光二极管P-I特性曲线是否严格线性？为什么？

答：否。当发光二极管工作于大信号状态（一般80mA）之后，P-I曲线会发生弯曲。Word 资料 .

实验二十七波分复用技术实验

一、实验目的

1、了解光纤接入网中波分复用原理

2、掌握波分复用技术及实现方法

二、实验内容

1、实现用两种连接方式组成1310nm与1550nm光纤通信的波分复用系统

三、实验仪器

1、ZY1804I型光纤通信原理实验系统

1台

2、20MHz双踪数字示波器

1台

3、万用表

1台

4、波分复用器

2个

5、FC-FC适配器

1个

6、连接导线

Word 资料 .

20根

四、实验原理

随着人类社会信息时代的到来，对通信的需求呈现加速增长的趋势。发展迅速的各种新型业务（特别是高速数据和视频业务）对通信网的带宽（或容量）提出了更高的要求。为了适应通信网传输容量的不断增长和满足网络交互性、灵活性的要求，产生了各种复用技术。本实验重点是光的波分复用WDM（Wavelength Division Multiplexing）。

光波分复用技术是在一根光纤中同时传输多个波长光信号的一项技术。WDM 就是为了充分利用单模光纤低损耗区带来的巨大带宽资源，根据每一信道光波的频率（或波长）不同可以将光纤的低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，再由一波分复用器（分波器）将这些不同波长承载不同信号的光载波分开的复用方式。由于不同波长的光载波信号可以看作互相独立的（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输。波分复用系统原理图如图27-1所示。

Word 资料 .

图27-1 波分复用系统原理图

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信号，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。从原理上讲，这种器件是互易的（双向可逆），即只要将解复用器的输出端和输入端反过来使用，就是复用器。光分插复用器(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，以控制不同波长信道的光信号传至适当的位置。

光纤通信系统中通常实用的石英光纤有三个低衰减区，即0.6～0.9um为第一个低衰减区，通常称为短波长低衰减区。1.0～1.35um和1.45～1.8um为第二、第三个低衰减区。后两者称为长波长低衰减区。

本实验利用光纤通信工程应用最广泛的长波长衰Word 资料 .

减区中1310nm与1550nm光纤通信波长进行波分复用，传输两路信号（一路模拟信号，一路数字信号）。实验原理框图如图38-2。

波分复用还有另一种连接方式，其实验框图如图27-2所示。这种波分复用连接方式中，同一根光纤中光信号的传输方向相反，由于光波传输的独立性，两个方向的光波传输不会有干扰。通过实验可以验证这一理论。

信号甲

1310nm 1310nm

信号甲

信号乙

1550nm

波分复用器

波分复用器1550nm

信号乙

图27-2 波分复用系统实验框图

五、实验步骤

Word 资料 .

1、连接数字信号源模块和中央控制器的A1和A2，B1和B2，C1和C2；

连接中央控制器和数字终端模块的A3和A4，B3和B4，C3和C4；

连接模拟信号源模块2的T602和T907(13_AIN)。

连接中央控制器的D_OUT和T901(15_DIN)，D_IN和T902(15_DOUT)。

2、将开关K706的值拨为“01000000”。将数字信号源拨码开关K501，K502和K503的值拨为任意值。将中央控制器的开关K1拨为“主”。

3、将开关BM901拨为1310nm，将开关K902拨为“模拟”，将开关BM902拨为1310nm，将开关K901拨为“通信。

4、旋开光发端和光收端1550和1310保护帽，将1550光发端机和波分复用器A中标有“1550”光纤接头连接，将1310光发端机和波分复用器A中标有“1310”光纤接头连接。将1550光接收机和波分复用器B中标有“1550”光纤接头连接，将1310光接收机和波分复用器B中标有“1310”光纤接头连接。用FC-FC适配器将波分复用器连接起来。

5、打开交流电源。中央控制器指示灯NS、FS亮，表明环路同步。按动开关KB，使灯LED729由灭变亮，Word 资料 .

此时将来自数字信号源的数字信号送出。

6、用双踪示波器的两个探头同时测量T907和TP902(13OUT)处的波形，调节电位器W905（模拟驱动调节）和W909（幅值调节），直到波形相同为止，信号的幅度可以不同。

7、用示波器测量T901(15_DIN)和T902(15_DOUT)的波形，观察经波分复用和解复用后的信号是否相同。

8、观测数字信号源模块和数字终端的二极管发光的个数与顺序，验证数据光纤传输后的正确性。

9、根据以上实验设计两路数字信号波分复用后光纤传输实验。

10、实验完成后，关闭交流电源，拆除各个连线，将所有的开关拨向下，将实验箱还原。

六、实验结果

七、思考题答案

1、说明时分复用与光波分复用的异同点。

2、如果采用多个波长进行波分复用，对实验箱和波分复用器有何要求？

Word 资料 .

实验三十四波分复用器插入损耗和光串扰测试实验

一、实验目的

1、了解波分复用器的工作原理及其结构

2、掌握它们的正确使用方法

3、掌握它们主要特性参数的测试方法

二、实验内容

1、测量波分复用器的插入损耗

2、测量波分复用器的光串扰

三、实验仪器

1、ZY1804I型光纤通信原理实验系统

1台

2、FC接口光功率计

1台

3、万用表

4、FC-FC适配器

1个

5、波分复用器

个

6、连接导线

Word 资料

台

20根

四、实验原理

波分复用器/解复用器是一种与波长有关的耦合器。波分复用器的功能是把多个不同波长的发射机输出的光信号组合在一起，输出到一根光纤；解复用器是把一根光纤输出的多个不同波长的光信号，分配给不同的接收机。

波分复用器是波分复用系统中的重要组成部分，为了确保波分复用系统的性能，对波分复用器的一般要求是：插入损耗小、光串扰小、隔离度大、带内平坦，带外插入损耗变化陡峭、温度稳定性好，复用路数多等。本实验主要用来测试波分复用器的插入损耗和光串扰。

1、插入损耗

插入损耗是指由于增加光波分复用器/解复用器而产生的附加损耗，定义为该无源器件的输入和输出端口之间的光功率之比，即

10lgP (34-1)

o其中Pi是发送进入输入端口的光功率；Po是从输出端口接收到的光功率。在具体的测试时，我们先用光Word 资料 .

功率计测量未加入波分复用器时的光功率Pi，再测量加入波分复用器后输出端口的光功率Po，然后带入式34-1 后计算可得出波分复用器的插入损耗。

2、光串扰的定义及其测试方法

波分复用器的光串扰（隔离度），为波分复用器输出端口的光进入非指定输出端口光能量的大小。其测试原理图如图34-1所示。

图34-1 波分复用器光串扰测试原理图

上图中波长为1310nm、1550nm的光信号经波分复用器复用以后输出的光功率分别为P01、P02，解复用后分别输出的光信号，此时从1310窗口输出1310nm的光功率为P11，输出1550nm的光功率为P12；从1550窗口输出1550nm的光功率为P22，输出1310nm的光功率为P21。将各数字代入下列公式：

L1210lgP01P21

（34-2）

L2110lgP02P12

Word 资料 .

（34-3）

五、实验步骤

a、波分复用器插入损耗测量

1、用连接线连接中央控制器M和T901(15_DIN)。

2、旋开1550nm光发端机保护帽，利用FC-FC单模光跳线将其和光功率计连接起来。并将光功率计的波长设置为1550nm。

3、打开交流电源。

4、读出此时光功率计的数值，此数值即为激光器的输出功率Pi。

5、拆除1550nm光发端机和光功率计的连接，将波分复用器（A）标有“1550nm”的光纤接头插入1550nm光发端机，同时将波分复用器（A）标有“1310nm”的光纤接头用保护帽遮盖起来。