光通信與自動控製實驗/高等院校光電專業實驗係列教材 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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郭健平，鍾麗雲，崔虎 著

圖書標籤:

• 光通信
• 自動控製
• 光電專業
• 實驗教學
• 高等教育
• 教材
• 通信工程
• 控製工程
• 光電子技術
• 大學教材

齣版社： 暨南大學齣版社

ISBN：9787566821300

版次：1

商品編碼：12268628

包裝：平裝

叢書名： 高等院校光電專業實驗係列教材

開本：16開

齣版時間：2017-11-01

用紙：膠版紙

頁數：172

字數：248000

內容簡介

本書為光通信與自動控製實驗指導用書，主要內容包括光縴通信、通信原理、單片機技術及其應用等課程的基礎實驗和創新實驗，實驗項目設計以驗證性實驗為主。包含瞭較多綜閤性、設計性實驗，基本囊括瞭光通信與自動控製的主要實驗，實驗總數近40個。本書對學生完成實驗課程的學習具有較強的指導性。

作者簡介

郭建平，華南師範大學信息光電子科技學院教師，博士，高級實驗師，長期從事光電技術及其應用係列課程教學。參與國傢973子課題“紅外單光子探測技術”、廣東省“十五”重大科技專項“量子密碼探測器控製驅動器”等課題。獲得授權專利多項，SCI收錄論文10餘篇。

鍾麗雲，華南師範大學信息光電子科技學院教授，博士，長期從事光電技術及其應用係列課程教學。參與國傢973子課題“紅外單光子探測技術”、廣東省“十五”重大科技專項“量子密碼探測器控製驅動器”等課題。獲得授權專利多項，SCI收錄論文多篇。

崔虎，魏正軍，華南師範大學信息光電子科技學院教師，研究員。

目錄

序
第一編 通信原理實驗
第二編 光縴通信技術實驗
第三編 單片機原理與技術實驗
參考文獻

光通信的奧秘與自動控製的智慧 本書旨在為高等院校光電專業學生提供一個深入理解光通信原理和掌握自動控製技術實踐的平颱。不同於市麵上零散的實驗教材，本教材力求將理論知識與實際操作緊密結閤，引導學生通過動手實驗，真正領悟光通信係統中信息的傳輸、處理機製，以及自動控製係統在光電領域中的應用精髓。 第一篇：光通信基礎實驗 第一章：光縴通信係統基礎 實驗一：光縴傳輸損耗測量 實驗目的： 學習光縴的基本結構和傳輸特性，掌握光功率計和光源的使用方法，通過實驗測量不同類型光縴（如多模光縴、單模光縴）在不同波長下的傳輸損耗（包括插入損耗、連接損耗、衰減係數），理解損耗對光信號傳輸距離和質量的影響。 實驗器材： 光縴熔接機、光縴切割刀、光功率計、光縴光源（可調波長）、各種連接頭（如FC、SC、LC）、不同長度和類型的光縴跳綫、光縴清潔工具。 實驗內容： 1. 光縴結構與特性介紹： 簡要介紹光縴的芯層、包層、塗覆層結構，以及全內反射原理。 2. 光功率計與光縴光源使用： 學習如何校準光功率計，瞭解不同光源的輸齣功率和波長特性。 3. 插入損耗測量： 測量光縴連接頭、光縴跳綫等器件的插入損耗。 4. 光縴衰減係數測量： 利用不同長度的光縴段，測量其單位長度的衰減，並計算衰減係數。 5. 分析與討論： 分析不同類型光縴、不同波長下衰減係數的差異，討論光縴損耗的主要來源及降低方法。 實驗二：光縴色散效應及其補償 實驗目的： 理解光縴中的兩種主要色散（模內色散和波導色散）及其對光信號的影響，學習如何通過實驗測量色散參數，並初步接觸色散補償技術。 實驗器材： 脈衝激光光源（窄脈衝）、示波器（高帶寬）、長距離光縴（包含多種長度和類型）、色散補償光縴（DCF）、光譜儀。 實驗內容： 1. 色散原理介紹： 講解不同波長的光在光縴中傳播速度不同導緻脈衝展寬的現象。 2. 脈衝展寬測量： 利用窄脈衝激光作為輸入信號，通過不同長度的光縴傳播後，在示波器上觀察脈衝展寬的程度，測量脈衝寬度變化。 3. 色散係數計算： 根據測量數據，估算光縴的色散係數。 4. 色散補償原理演示： 引入色散補償光縴（DCF）的概念，通過DCF的串接，觀察脈衝展寬是否得到緩解。 5. 分析與討論： 討論色散對高速率、長距離光通信的影響，以及色散補償的重要性。 實驗三：光調製與解調實驗 實驗目的： 掌握光信號的調製（AM、FM、ASK、FSK）和解調基本原理，學習如何在實驗中搭建簡單的調製解調係統，理解數字信號如何編碼成光信號進行傳輸。 實驗器材： LED光源、激光光源、調製器（如電光調製器、聲光調製器）、解調器（如光電探測器、PIN二極管、APD）、信號發生器、示波器、低通濾波器。 實驗內容： 1. 幅度調製（AM）與幅度鍵控（ASK）實驗： 利用LED或激光器的驅動電流調製，實現光強度的幅度變化，模擬AM或ASK。 觀察調製信號與光信號的關係。 利用光電探測器接收，通過示波器觀察解調後的信號。 2. 頻率調製（FM）與頻率鍵控（FSK）實驗（簡化演示）： 通過改變激光器的偏置電流或調製信號的頻率，間接實現光頻率的變化（需配閤特定設備或簡化模型）。 使用示波器觀察解調後信號的變化。 3. 數字信號編碼與傳輸： 將簡單的數字序列（如0101）轉換為光信號（如亮暗錶示01）。 通過光縴傳輸後，使用光電探測器進行解調，恢復原始數字序列。 4. 分析與討論： 比較不同調製方式的優缺點，以及在不同場景下的適用性。 實驗四：光接收機性能測試 實驗目的： 理解光接收機的基本組成（光電探測器、放大器、濾波器），學習如何測試光接收機的靈敏度、帶寬、信噪比等關鍵性能指標。 實驗器材： 可調光功率的光縴光源、光電探測器（PIN、APD）、跨阻放大器、濾波器、射頻信號發生器、示波器、功率計。 實驗內容： 1. 光電探測器特性測試： 測量不同光功率下光電探測器的響應電流，瞭解其綫性度。 2. 接收靈敏度測量： 在不同光功率下，通過示波器觀察解調信號的質量（如誤碼率），確定滿足特定誤碼率的最小接收光功率，即接收靈敏度。 3. 接收機帶寬測試： 利用不同頻率的調製信號，測試接收機在不同頻率下的增益衰減，確定接收機帶寬。 4. 信噪比（SNR）測量： 通過分析接收到的帶噪信號，測量信噪比，理解其對通信質量的影響。 5. 分析與討論： 討論影響接收機性能的因素，如探測器類型、放大器設計、濾波器選擇等。 第二篇：自動控製係統在光電領域的應用實驗 第二章：PID控製及其在光電係統中的應用 實驗五：基礎PID控製器設計與仿真 實驗目的： 理解比例（P）、積分（I）、微分（D）控製的原理，掌握PID控製器的基本參數整定方法，並通過仿真軟件（如MATLAB/Simulink）實現PID控製器，分析不同參數對係統響應的影響。 實驗器材： 計算機，MATLAB/Simulink軟件。 實驗內容： 1. PID控製原理仿真： 搭建一個簡單的二階係統模型（如彈簧-阻尼係統），在其上設計並仿真P、PI、PID控製器。 2. 參數整定仿真： 演示 Ziegler-Nichols 法或其他參數整定方法，通過仿真觀察不同Kp, Ki, Kd取值對係統過衝、響應時間、穩態誤差的影響。 3. 響應特性分析： 仿真輸入階躍信號，觀察並記錄不同PID參數下的係統輸齣麯綫，進行比較分析。 4. 分析與討論： 總結P、I、D各自的作用，以及PID控製在提高係統動態和靜態性能中的作用。 實驗六：基於單片機/DSP的PID控製實現 實驗目的： 將PID控製算法移植到嵌入式平颱（如單片機或DSP），實現對實際光電器件的閉環控製，學習嵌入式係統開發與硬件實現的流程。 實驗器材： 單片機開發闆（如STM32、AVR）、DSP開發闆、步進電機/直流電機、電機驅動模塊、編碼器（用於位置反饋）、LED、光敏電阻/光電二極管（用於光強度反饋）、數碼管/LCD顯示屏、電源、連接導綫。 實驗內容： 1. 係統硬件搭建： 位置控製： 將步進電機/直流電機作為執行機構，編碼器作為位置反饋。 光強度控製： 使用LED作為光源，光敏電阻/光電二極管作為光強度檢測，將光強度作為控製量。 2. PID算法移植： 將實驗五中設計的PID算法通過C語言等編程語言編寫成嵌入式程序。 3. 參數整定與調試： 在硬件平颱上，通過多次實驗調試PID參數，使係統能夠穩定、快速地達到目標位置或目標光強度。 4. 動態響應觀察： 觀察係統在不同乾擾下的響應，如突然施加負載、環境光照變化等。 5. 分析與討論： 討論實際硬件控製中可能遇到的問題（如量化誤差、時延、執行機構非綫性等），以及如何針對性地進行優化。 實驗七：伺服係統在激光掃描中的應用 實驗目的： 理解伺服控製在精密運動控製中的重要性，通過搭建一個簡單的激光掃描係統，學習如何使用伺服電機和控製算法實現對激光束的精確指嚮。 實驗器材： 激光筆、伺服電機（如舵機）、伺服電機驅動器、微控製器（如Arduino、樹莓派）、電位器（作為手動控製輸入）、可選：攝像頭（用於目標跟蹤演示）、光學鏡頭。 實驗內容： 1. 伺服電機控製： 學習如何通過脈衝信號控製伺服電機轉動到指定角度。 2. 手動掃描演示： 通過鏇轉電位器，實時控製激光束在指定範圍內掃描。 3. 預設路徑掃描： 編寫程序，使激光束按照預設的掃描路徑（如直綫、圓形、圖形）進行運動。 4. 閉環控製（選做）： 如果有攝像頭和圖像處理能力，可以嘗試實現簡單的激光目標跟蹤，使激光束始終指嚮攝像頭捕捉到的目標。 5. 分析與討論： 討論伺服係統在光學成像、對準、跟蹤等領域中的應用，以及影響掃描精度的因素。 實驗八：模糊控製在光縴耦閤中的應用（概念性與仿真） 實驗目的： 瞭解模糊控製的基本原理，它如何處理非綫性、不確定性係統。通過仿真演示，理解模糊邏輯如何在光縴耦閤等需要精細位置調整的場景中發揮作用。 實驗器材： 計算機，MATLAB/Simulink（或專門的模糊邏輯工具箱）。 實驗內容： 1. 模糊控製原理仿真： 搭建一個簡化的光縴耦閤模型，輸入是光縴的相對位置誤差（X, Y），輸齣是微調機構的位移指令。 2. 模糊規則設計： 定義輸入變量的隸屬度函數（如“靠近”、“偏離”）和輸齣變量的隸屬度函數，建立模糊規則（如“如果X偏左且Y在中心，則X嚮右微調”）。 3. 模糊推理與解模糊： 仿真演示模糊推理過程，以及如何將模糊輸齣轉化為精確的控製指令。 4. 耦閤效率優化仿真： 觀察在不同初始位置下，模糊控製器能否有效地引導光縴接近最佳耦閤位置，並提高耦閤效率。 5. 分析與討論： 比較模糊控製與PID控製在處理非綫性係統時的差異，討論模糊控製在光電領域其他復雜控製問題中的潛在應用。 第三篇：綜閤實驗與項目設計 第三章：光通信與自動控製綜閤應用 實驗九：光縴傳感器信號處理與控製 實驗目的： 將光縴傳感器（如光縴光柵、光縴光敏元件）輸齣的模擬信號進行采集、濾波、放大，並結閤自動控製算法，實現對被測參數的監測和控製。 實驗器材： 特定類型光縴傳感器、光縴傳感信號采集係統（或自製采集電路）、單片機/DSP、執行機構（如加熱器、製冷器、閥門）、相關測量儀器（如溫度計、壓力計）。 實驗內容： 1. 傳感器信號采集： 學習如何正確連接和讀取光縴傳感器的輸齣信號。 2. 信號調理： 對傳感器輸齣的模擬信號進行濾波、放大，去除噪聲，提高信噪比。 3. 控製器設計： 根據傳感器監測的參數（如溫度、應力、摺射率），設計閤適的PID或模糊控製器，實現對特定環境或狀態的自動調節。 4. 係統集成與測試： 將傳感器、信號處理單元、控製器和執行機構集成，形成一個閉環控製係統，並進行實際運行測試。 5. 分析與討論： 討論光縴傳感器在環境監測、工業自動化、醫療診斷等方麵的應用前景，以及如何提高係統的魯棒性和精度。 實驗十：小型光通信鏈路的性能優化與監測 實驗目的： 綜閤運用本教材中學習的光通信基礎知識和自動控製原理，設計並搭建一個簡易的光通信鏈路，並對其進行性能優化和實時監測。 實驗器材： LED/激光光源、調製電路、光縴、光電探測器、解調電路、示波器、信號發生器、光功率計、可調衰減器、微控製器（用於監測）。 實驗內容： 1. 鏈路搭建： 搭建一個包含光源、調製、光縴傳輸、接收、解調的基本光通信鏈路。 2. 性能參數測量： 測量鏈路的傳輸損耗、信噪比、誤碼率（如果可能）。 3. 性能優化： 衰減補償： 使用可調衰減器模擬鏈路損耗，嘗試通過調整發射功率或接收增益來優化性能。 噪聲抑製： 優化濾波器參數，降低接收端的噪聲。 4. 實時監測： 利用微控製器監測關鍵參數（如接收光功率、誤碼率指示），並在參數超齣預設範圍時發齣警報。 5. 分析與討論： 總結影響光通信鏈路性能的關鍵因素，以及如何通過優化設計和實時監測來提高鏈路的可靠性和穩定性。 結語： 本教材提供的實驗內容，從基礎的光信號傳輸特性，到復雜的自動控製係統集成，旨在為光電專業的學生構建紮實的理論基礎和精湛的實踐技能。通過這些實驗，學生將能夠深刻理解光通信的“速度與激情”，以及自動控製的“智慧與精準”，為未來在光電信息、通信技術、智能製造等領域的深入發展打下堅實的基礎。我們鼓勵學生在完成實驗的基礎上，積極探索和創新，將所學知識應用於更廣闊的實際問題中。

評分☆☆☆☆☆

這本書簡直是為我們這些初涉光電領域的研究生量身打造的！我一直對光通信和自動控製這兩個看似獨立卻又緊密相連的學科充滿好奇，但苦於沒有一本係統性的教材能夠將它們有機地結閤起來。當我翻開這本書的那一刻，我立刻被它清晰的邏輯和豐富的實驗內容所吸引。書中的實驗設計不僅貼近實際工程應用，更重要的是，它能夠讓我們在動手實踐中深刻理解理論知識。比如，在光通信部分，關於光縴損耗的實驗，作者不僅僅是給齣步驟，而是深入淺齣地講解瞭損耗的各種來源，並提供瞭多種測量方法，讓我們能夠直觀地觀察到不同光縴、不同連接方式對信號質量的影響。而在自動控製章節，結閤光通信中的一些典型環節，例如光源的穩定性控製，書中的實驗能夠幫助我們理解PID控製在實際中的應用，如何通過調整參數來優化係統的動態響應。最讓我驚喜的是，這本書將這兩個領域融閤得如此自然，讓我看到瞭它們之間深刻的內在聯係，不再是孤立的知識點。對於想要打下紮實光電基礎，特彆是對光通信係統集成和控製感興趣的同學來說，這本書絕對是不可多得的寶藏。它的價值遠不止於實驗操作，更在於它能夠點燃我們探索更復雜、更先進光電技術的興趣和信心。

評分☆☆☆☆☆

作為一個在光學領域摸爬滾打多年的工程師，我一直深感理論與實踐之間的鴻溝。很多時候，即使對書本上的原理瞭如指掌，但在實際工作中卻常常因為缺乏動手經驗而寸步難行。這本書的齣現，恰好彌補瞭這一遺憾。它不是那種枯燥的理論堆砌，而是以實驗為核心，將抽象的光通信原理和復雜的自動控製理論，通過一個個精心設計的實驗場景，變得生動而具象。我尤其喜歡它在實驗設計中對細節的關注，比如在演示光縴耦閤效率時，不僅僅是簡單地放置光縴，而是詳細介紹瞭不同耦閤器類型、角度調整對效率的影響，並提供瞭量化指標。這對於我們理解如何最大化光信號傳輸效率至關重要。同樣，在自動控製的章節，它並沒有停留在理論公式的推導，而是通過實驗讓讀者親身感受反饋控製的威力，例如如何利用反饋迴路穩定激光器的輸齣功率，如何通過分析係統頻率響應來評估其穩定性。這種“做中學”的方式，能夠極大地提升學習效率和對知識的掌握程度。這本書的價值在於它能夠幫助我們從“知道”走嚮“做到”，真正將所學知識轉化為解決實際問題的能力，對於希望快速提升工程實踐能力的同行們，我強烈推薦。

評分☆☆☆☆☆

作為一名對自動化控製技術情有獨鍾的學生，我對機械、電子、化工等各個領域的自動化應用都有所涉獵。然而，在光學領域，我之前接觸到的更多是偏嚮於基礎的光學原理和光學器件的特性。這本書的齣現，像一道光，照亮瞭我對光通信領域自動化應用的新認知。它不僅僅是簡單地列舉瞭一些實驗，而是以一種非常係統的方式，將光通信中的關鍵環節與自動控製理論相結閤，並設計瞭一係列能夠驗證這些結閤效果的實驗。比如，在書中關於光開關陣列的實驗中，我不僅學習瞭光開關的基本原理，更重要的是，通過控製算法的設計，我學會瞭如何高效地對光信號進行路由和切換，這對我理解現代通信網絡中的核心技術有瞭質的飛躍。此外，書中對光源穩定性的控製，讓我看到瞭如何在微觀層麵進行精密調節，以保證整個通信鏈路的質量。這種將宏觀的通信係統與微觀的器件控製緊密結閤的設計思路，讓我對未來光電自動化技術的應用前景充滿瞭期待。這本書的優秀之處在於它能夠激發我們對前沿技術的探索欲望，並提供瞭一個堅實的實踐平颱。

評分☆☆☆☆☆

坦白說，剛開始拿到這本書的時候，我對“光通信與自動控製”的結閤有些睏惑。總覺得它們是兩個截然不同的方嚮，如何能在同一本書裏講清楚？但隨著閱讀的深入，我逐漸被這本書的獨到之處所摺服。作者巧妙地將這兩個學科的交叉點挖掘齣來，並用一係列引人入勝的實驗來闡釋。在光通信部分，不僅僅講解瞭基本的調製解調，更側重於係統層麵的理解，比如如何通過控製技術來提升傳輸速率和降低誤碼率。我印象特彆深刻的是一個關於光縴色散補償的實驗，通過調整補償器件的參數，我得以親眼見證瞭脈衝展寬得到有效抑製，這讓我對光通信係統的性能優化有瞭全新的認識。而在自動控製部分，書中的例子也並非空穴來風，而是緊密結閤瞭光通信中的實際需求，例如對光源的精密控製、對信號檢測器的反饋調節等等。這些實驗設計讓那些抽象的控製理論變得觸手可及，我能夠真切地體會到反饋控製在保證係統穩定性和性能方麵的關鍵作用。這本書的價值在於它打破瞭學科壁壘，為我們提供瞭一個更廣闊的視角來理解光電技術，對於那些希望在光電交叉領域深耕的學子而言，這無疑是一份寶貴的財富。

評分☆☆☆☆☆

我一直認為，一本好的教材，除瞭知識本身的深度和廣度，更在於它能否激發讀者的求知欲和探索精神。而這本書，無疑達到瞭這一標準。在閱讀過程中，我被作者嚴謹的邏輯和創新的實驗設計深深吸引。它並沒有止步於對光通信和自動控製理論的講解，而是將它們巧妙地融閤，創造齣瞭一係列能夠讓讀者親身實踐、深刻理解的實驗。例如，書中關於光功率動態監測與閉環反饋控製的實驗，讓我得以親手搭建一個能夠實時監測並調整光功率的係統。通過觀察控製係統如何響應外部乾擾，如何調整反饋參數以維持功率穩定，我不僅加深瞭對PID控製原理的理解，更直觀地體會到瞭它在保障光通信係統穩定運行中的關鍵作用。同樣的，在光通信部分的實驗，也並非僅僅關注信號的傳輸，而是引入瞭對傳輸過程中各種參數的控製和優化，這讓我看到瞭“智能”在通信係統中的體現。這本書的價值在於它不僅僅傳授知識，更傳遞一種解決問題的思維方式和探索未知的勇氣，這對於我們這些即將步入光電技術前沿的年輕人來說，是無比珍貴的。