音频信号光纤传输实验Word格式.docx

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2.1、通信的基本原理

通信，简单点说就是信息的传输。

比如打电话，就是将我们的声音传输到很远的地方，这就是一种通信。

下面就是通信系统组成示意图。

图1通信系统组成示意图

2.2、音频信号光纤传输系统原理

音频信号光纤传输系统有光信号发送器光信号接收器和传输光纤三部分组成。

其主要原理是：

先将待传输的音频信号作为原信号供给光信号发生器，最终解调出原来的音频信号。

为了保证系统的传输损耗低，发光器件LED的发光中心波长必须在传统光纤的低损耗窗口内，使得材料色散较小。

低损耗的波长在850,1300或1600附近。

本仪器LED发光中心波长为850，光信号接收器的光电检测器峰值响应波长也与此接近。

为避免或减少波形失真，要求整个传输系统的频带宽度能覆盖被传输信号的频率范围。

由于光纤对光信号具有很宽的频带，故在音频范围内，整个系统频带宽度主要决定于发射端的调制信号放大电路和接收端的功放电路的幅频特性。

2.3、半导体发光二级管LED的结构和工作原理

光纤通讯系统中，对光源器件在发光波长、电光效率、工作寿命、光谱宽度和调制性能等许多方面均有特殊要求。

所以不是随便哪种光源器件都能胜任光纤通讯任务，目前在以上各个方面都能较好满足要求的光源器件主要有半导体发光二极管（LED）、半导体激光二极管（LD），本实验采用LED作光源器件。

图2半导体发光二极管及工作原理

光纤传输系统中常用的半导体发光二极管是一个如图所示的N-P-P三层结构的半导体器件，中间层通常是由GaAs（砷化镓）p型半导体材料组成，称有源层，其带隙宽度较窄，两侧分别由GaAlAs的N型和P型半导体材料组成，与有源层相比，它们都具有较宽的带隙。

具有不同带隙宽度的两种半导体单晶之间的结构称为异结。

在图（4）中，有源层与左侧的N层之间形成的是p-N异质结，而与右侧P层之间形成的是p-P异质结，故这种结构又称N-p-P双异质结构。

当给这种结构加上正向偏压时，就能使N层向有源层注入导电电子，这些导电电子一旦进入有源层后，因受到右边p-P异质结的阻挡作用不能再进入右侧的P层，它们只能被限制在有源层与空穴复合，导电电子在有源层与空穴复合的过程中，其中有不少电子要释放出能量满足以下关系的光子：

hv=

-

其中h上普朗克常数，υ是光波的频率，E

是有源层内导电电子的能量，E

是导电电子与空穴复合处于价健束缚状态时的能量。

两者的差值E

与DH结构中各层材料及其组份的选取等多种因素有关，制做LED时只要这些选取和组份的控制适当，就可便得LED发光中心波长与传输光纤低损耗波长一致。

2.4、LED振动及调试电路

本实验采用半导体发光二级管LED作为光源器件，音频信号光纤传输系统发送端LED的驱动和调制电路如图4示，以BG1为主构成的电路是LED的驱动电路，调节这一电路中的W2可使LED的偏置电流在0-50mA的范围内变化。

被传音频信号由IC1为主构成的音频放大电路放大后经电容器C4耦合到基极，对LED原工作电流进行调制，从而使LED发送出光强随音频信号变化的光信号，并经光导纤维把这一信号传至接收端。

半导体发光二极管输出的光功率与其驱动电流的关系称LED的电光特性。

为了使传输系统的发送端能够产生一个无非线性失真、而峰-峰值又最大的光信号，使用LED时应先给它一个适当的偏置电流，其值等于这一特性曲线线性部分中点电流值，而调制电流的峰-峰值应尽可能大地处于这电光特性的线性范围内。

对于非线性失真要求不高的情况下，也可把偏置电流选为LED最大允许工作电流的一半，这样可使LED获得无截至畸变幅度最大的调制，这有利于信号的远距离传输。

图3LED的驱动和调制电路

2.5、光线的结构及传光原理

衡量光纤性能好坏有两个重要指标：

一是看它的传输距离有多远；

二是看它携带的信息量有多大，前者决定于光纤的损耗特性，后者决定于光纤的脉冲响应或基带频率特性。

经过人们对光线的提纯，目前已经使得光纤的损耗做到20DB/km以下。

光纤损耗与工作波长有关，所以在工作波长的选用上，应该尽量选用低损耗的工作波长，光纤通信最早是用短波长850nm,近年来发展至1300-1550nm范围的波长，因为这一波长范围内光纤不仅损耗低，而且“色散”小。

光纤的脉冲响应或它的基带频率特性又决定于光纤的模式性质。

光纤按其模式性质通常可以分成两大类①单模光纤②多模光纤。

无论单模或多模光纤，其结构均由纤芯和包层两部分组成，纤芯的折射率较包层折射率大。

本实验采用阶跃型多模光纤作为信道。

现应用几何光学理论进一步说明这种光纤的传光原理。

阶跃型多模光纤结构如图所示，它由纤芯和包层两部分组成，芯子的半径为a，折射率为

，包层的外径为b，折射率为

且

>

。

图4阶型多模光纤的结构示意图

2.6、半导体电二极管

本仪器的光信号接受采用光电二极管SPD，与普通的半导体二极管一样，SPD也是一个P-N结，但是SPD的管壳上有一个能让入射光入其光敏区的窗口。

此外，与普通半导体二极管不同，它经常工作在反向偏置电压状态，因此SPD的光电特性线度极好。

本实验器SPD峰值响应波长在850nm左右，工作时SPD把经光纤出射端输出的光信号转化为与之光功率成正比的光电流

，然后经I/V转换电路再把光电流转换成电压

输出。

和

之间有以下关系：

光信号接受原理如图6所示：

图5光信号接收器原理图

以IC3为主要元件构成的是一个集成音频功放电路，只要调节外接的电位器Wnf，就可改变功放电路的电压增益，功放电路中电容Cnf的大小决定着该电路的下限截止频率。

3、实验设计思想基础条件

音频信号的光纤传输系统主要包括：

光信号发送器；

传输光纤以及光信号接收器。

三个部分。

光信号发送器由半导体发光二极管LED，以及由它的调制、驱动电路组成；

光信号接收器包括了发光二极管的电流/电压（I/V）转换电路和功放电路。

组成该系统时，光源LED的发光中心波长必须在传输光纤呈现低损耗的850nm、1300nm或1550nm附近，光电检测器件的峰值响应波长也应与此接近。

本实验采用发光中心波长为850nm的半导体发光二极管作光源，峰值响应波长为800-900nm的硅光电二极管SPD作光电检测元件。

光信号发送器由NPN三极管构成的LED的驱动电路，就是给LED提供正常工作所需的正向偏压。

本实验仪LED最大允许工作电流为50mA，把偏置电流选为LED最大允许工作电流的一半，可使LED获得无截止畸变幅度最大的调制，有利于信号的远距离传送。

光信号接收器由光电转换器和集成音频功放电路组成。

光电转换器是由峰值响应波长与发送端LED的发光中心波长很接近的硅光电二极管（SPD）和运算放大器组成。

4、实验仪器介绍

音频信号光纤传输试验仪主要由FD-OFT-A型音频信号光纤传输试验仪实验主机（包括音频信号发生器、光功率计、LED发射器、SPD接收器等）、多模光纤（装于骨架上），半导体收音机，示波器组成。

5、实验内容；

5.1、LED-传输光纤组件电光特性的测定

本实验内容是要在不加音频信号的情况下，研究通过LED的直流偏置电流

与LED输出光功率

之间的关系，即LED的电光特性。

实验时先打开主机电源，测量前首先将两端带电流插头的电缆一头插入光纤绕线盘上的电流插孔，另一端插入发送器前面板上的“LED”插孔，并将光电探头插入光纤绕线盘上引出传输光纤输出端的同轴插孔中，SPD的同条出线接至仪器前面板光功率批示器的相应插孔内，在以后实验过程中注意保持光电探头的这一位置。

测量时调节W2使毫安表指示从零开始（此时光功率计的读数为零，若不为零记下读数，并在以后的以此为零点扣除），逐渐增加LED的驱动电流，每增加5mA读取一次光功率计示值，直到50mA为止。

根据测量结晶描绘LED-传输光纤组件的电光特性曲线，并确定出其线性度较好的线段。

5.2、LED直流偏流与最大不失真调制幅度关系的测定

本实验要找出在不同的直流偏流

下电路能加载的不失真调制幅度的大小，同时找到LED发光电路最佳工作点下能加载的最大不失真信号幅度。

实验时先接好音频信号通道、光通道，把光功率计打至“实验”档。

然后将音频发生器产生信号和LED调制信号输入双踪示波器观察。

调制音频信号发生器，使其输出信号峰峰值为1V，频率为10KHz。

接着把偏流加至20MA,调节“LED发射器”中的幅度调节按钮，使加在电路上的音频信号由小变大，观察调制信号的波形及失真情况。

记录偏流为20mA时最大不失真调制幅度。

分析观察到的现象，然后决定增大或减小偏流以找到最佳工作点

实验时可调节音频信号幅度来检验新的工作点是否为

，若在示波器上能观察到调制信号同时出现截至饱和失真，则此时正处于最佳工作点。

记录刚要同时出现两种失真现象是的偏流值

和调制信号峰峰值

则从电路方面考虑，通过LED的最佳工作电流和最大不失真交流幅度分别为

（本仪器中

=50欧）

5.3、音频信号光纤传输系统幅频特性的测定

本实验内容是要在光信号发生器处于正常工作状态下，研究音频信号光纤传输系统的幅频特性。

实验前应该确定光信号发送器的正常工作范围。

从实验原理和前两个实验内容得知：

光信号发送器的正常工作是由LED电光特性和LED发光电路工作特性决定。

若LED电光特性转换，发光电路信号传输无非线性失真，则光信号发送器已处于正常工作状态。

利用前面两个实验得到的实验结果，便可知道在不同直流偏流

下，要是光信号发送器正常工作，加载在电路中的调制幅度可取范围。

实验按照内容2接线，试验时先将音频发生器输出信号峰峰值调为1V，偏流和调制信号幅度适当，以确保光信号发送器正常工作。

然后将音频发生器输出信号频率依次调为100Hz、500Hz、1KHz、5KHz、10KHz、15KHz、20KHz，用示波器观测由光纤传输的光信号转化成的音频电信号的波形峰峰值。

有观测结果绘出光纤传输系统幅频特性曲线。

5.4、语音信号传送

实验整个音频信号光纤传输系统的音响效果。

实验时把示波器和数字毫伏表接至接收器I-V变换电路的输出端，适当调节发送器的LED偏置电流和调制输入信号幅度，使传输系统达到无非线性失真、光信号幅度为最大的最佳听觉效果。

6、实验数据分析与处理

6.1、实验数据原始记录

表1偏置电流与光功率数据记录

/mA

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

/uW

1.1

4.2

8.3

12.6

17.0

21.1

25.2

29.0

32.6

35.9

表2LED直流偏流与最大不失真调制幅度的关系

直流偏流

=49.6

最大不失真调制信号峰值V

1.00

1.10

1.22

1.32

1.42

1.56

不失真电流范围mA

10-30

14-36

17.8-42.2

21.8-48.2

25.8-54.2

34-65.2

表3光纤传输系统幅频特性关系

f/Hz

0.1

0.5

1

Vpp/伏

2.1

2.3

2.35

2.4

6.2、实验数据处理

由表1的

数据关系作图，如下所示：

图6

测量关系图

由上图可知，直流偏流在10mA-50mA的范围内电光转换基本上是线性的。

根据表一及表二数据得知，实验时取偏流

=35mA。

调制信号峰值为0.8V。

此时通过LED的电流范围是27-43mA。

光电发生器正常工作。

根据表三数据关系作图，如下图所示：

图7幅频特性曲线图

由上图可知，本仪器在音频范围内的频响不错，但低频时幅频特性稍有欠佳。

7、实验中常见问题的分析

（1）发送器W1和W2在实验前（开机之前）和实验后都要逆时针旋转到最小，防止开机就有较大的电流损坏LED；

（2）实验过程中如果出现截止或饱和削波失真，说明调制信号幅度过大，要适当减小调制信号幅度，保证不失真；

（3）当调制幅度过强时，毫安表指示会在原来设定的偏置电流的附近左右摆动，要减小调制信号幅度。

三、实验结论

.实验通过对LED-传输光纤组件的电光特性的测量，得出了在合适的偏置电流下，其具有线性。

验证了硅光电二极管可以把传输光纤出射端输出的信号转变成与之成正比的光电流。

四、参考文献

[1]朱世国，刘石丹，张化戎.音频信号光纤传输技术实验[J].物理实验199818（5）:

13-15

[2]朱世国，熊湘.光导纤维及其数值孔径的测定.物理实验，1996（6）

五、致谢

本次实验的完成，除了自己的预习之外，还要谢谢邓涛老师的指导以及谢谢跟我一组的同学的合作与配合，因为大家的共同努力实验最终才能够做成功。