基于锁相环技术的光纤通信实验系统

基于锁相环技术的光纤通信实验系统□韩磊高明【内容摘要】本文提出一个用CMOS锁相环CD4046电路等器件构成光纤通信实验系统，并具体介绍了系统组成，演示了现代光通信的基本工作过程、功能测试。

利用这套光纤通信系统的雏形装置，触摸到最新科技发展的脉搏。

【关键词】光纤通信；实验系统；锁相环CD4046；实践教学【作者单位】韩磊，高明；江海职业技术学院高职院校培养的是高素质技能型人才，掌握光通信应用技术，已经成为电子通信、光电专业学生应具备的素质和能力。

本文介绍的光纤通信实验系统，演示了当代光通信的工作过程，拓宽了学生的知识面，开阔了学生的视野，对于提高学习兴趣和积极性起到了重要的作用，同时对引导学生迅速进入工程应用的前沿领域有着良好的导向作用。

光电技术专业实验教学担负着将发展中的现代技术及时引入教学中的使命。

为了能够使用光通信系统在实验室里观察到光通信的工作过程，利用锁相环（PLL）技术设计制作一套光纤通信实验系统。

这套为光纤通信的雏形装置，是利用激光光束通过光纤传送语音信息的传输实验装置，具有电路简单、工作稳定可靠、直观性强、成本低廉、通信质量好的特点。

一、实验光纤通信系统的组成及电路设计实验装置主要设计思路是以通信原始模式为基础（信源ң信道ң信宿三大模块），在此基础之上在收发端分别加上发光调制装置和接收（光信号）解调装置，同时利用光传输介质（以光纤为主）进行信息的传送，这样设计此光纤通信实验装置的模块方案基本完成。

主要包括由半导体发光二极管LED及其调制，驱动电路组成的光信号发送器、传输光纤和由光敏晶体三极管3DU5，装换电路及功率放大电路组成的光信号接收器三个部分组成。

实验系统中发送器和接收器的信号发送和接收主要利用锁相环（PLL）技术构成。

锁相环（PLL）技术是能使受控振荡器的频率和相位均与输入信号保持确定关系的闭环电子电路。

其主要功能是为无线电发射中使频率较为稳定的一种方法，主要有VCO（压控振荡器）、PD（鉴相器）和LF（环路滤波器）三部分组成。

压控振荡器给出一个信号，一部分作为输出，另一部分通过分频与鉴相器所产生的本振信号作相位比较，为了保持频率不变，就要求相位差不发生改变，如果有相位差的变化，则鉴相器的电压输出端的电压发生变化，去控制VCO（压控振荡器）直到相位差恢复，最终达到锁频的目的。

现在常使用集成电路的锁相环，CD4046是通用的CMOS锁相环集成电路，其特点是电源电压范围宽（为3V 18V），输入阻抗高（约100MΩ），动态功耗小，在中心频率f0为10kHz，下功耗仅为600μW，属微功耗器件，采用16脚双列直插式。

CD4046锁相环采用的是RC型压控振荡器，当PLL对跟踪的输入信号的频率宽度有要求时还需要外接电阻R2使用。

对于光纤通信设备中光发送器件和光接收器件的选择，一般情况下一端发射装置使用发光二极管（LED）或一束激光将光脉冲传送至光纤，光纤的另一端的接收装置使用光敏元件检测脉冲，而光纤在传输信号的过程中有一定的损耗，这就要求光源和光宿的参数要符合光纤传输的最低损耗。

所以为了获得最佳的传输效果，光源LED的发光中心波长必须在传输光纤呈现低损耗的0．85μm、1．3μm或1．6μm红外光附近，而光电检测（接收端）器件的峰值波长也应与该波长接近。

本实验装置中光发送端采用发光中心波长为0．85μm 附近的GaAs（砷化镓）半导体发光二极管作为光源，光接收端则采用峰值响应波长为0．8 0．9μm的光敏晶体三极三、结语经过单因素实验，确定出影响豆粉营养型面包制作的各因素最佳水平为：豆粉与奶粉的比例1：1，水添加量48%，酵母添加量1%，糖添加量18%。

【参考文献】1．王恕，王显伦，胡运生．小麦粉大豆粉搭配的研究［J］．郑州粮食学院学报，19942．李利民，郑学玲，姚惠源．面粉中的碳水化合物在面包烘焙中的作用［J］．粮食与饲料工业，20003．李硕碧，高翔．小麦高分子量谷蛋白亚基与加工品质［M］．北京：中国农业出版社，20014．Fleming S E，Sosulski F W．Breadmaking Properties of Flour Concentrated Plant Proteins［J］．Cereal Chemistry，19775．董海州，郭承东．全脂大豆粉对面包品质的影响［J］．食品工业科技，1998·07·管（3DU5）作为光电检测器件。

二、光信号的发送器设计（一）半导体发光二极管LED 及其特性。

光纤通信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方面有特殊的要求。

制作半导体发光二极管LED 时只要材料的选取和成分控制适当，就能使作为光源的发光二极管LED 的发光中心波长与传输光纤低损耗波长一致。

本实验装置采用的是HFBR —1424型半导体发光二极管（砷化镓）。

在正常使用情况下，LED 两端的正向压降约为1．5V 左右，由二极管的电光特性可知，为了使传输系统的发送端能够产生一个无非线性失真、峰—峰值又最大的光信号，在使用LED 时应先给它加一个适当的偏置电流。

本系统中取其值为50mA ，保证了LED 工作在特性曲线的线性部分。

图1发送器结构框图（二）LED 的驱动、调制电路。

激光光纤通信实验系统发送器中LED 的驱动和调制框图如图1所示，主要由信号放大电路、锁相环（PLL ）调制电路、LED 驱动电路三部分组成。

锁相环（PLL ）的集成化，使得通信电路能够以崭新的面貌出现，此次光通信实验系统中采用的芯片CD4046是构成光通信电路的核心器件。

在实际设计中，MIC 为驻极体话筒，是将语音信号转换成电信号，通过集成运算放大器5G26进行信号的放大。

其输出去调制锁相环CD4046中的压控振荡器，形成受音频调制的调频信号，从锁相环压控振荡器输出端激励一个电流放大器（设计中用三极管3DG12），驱动半导体发光二极管LED ，此时LED 将发出强度不变的光（光功率一定）。

为了使光功率随着音频信号变化，必须通过放大电路中的电位器W 对LED 的驱动电流加以调制，从而使LED 发送出光强随音频信号变化的光信号，并经光纤连接器接入光纤。

三、光信号的传输光纤是一种利用光的全反射原理进行信息传递的工具，其结构由纤芯、包层和涂覆层组成。

其中只允许一种电磁场形态的光波在纤芯内传播的称为单模光纤，其模间色散很小，适用于远程通讯，而还有一种多模光纤，它容许不同模式的光于一根光纤上传输，由于多模光纤的芯径较大，故可使用较为廉价的耦合器及接线器，多模光纤的纤芯直径为50μm 至100μm 。

光纤在现代光通信系统中担负着远距离、高质量传输光信号（信息）的任务。

光纤的损耗决定了它传输信息的距离有多远；光纤的模式性质决定了它携带信息的容量多少。

本实验系统中采用的是纤芯直径为50μm 、折射率为1．62、包层直径为125μm 的多模光纤。

同时光纤两端均配有专用的光纤连接器，使之能够连接发送端和接收端。

四、光信号的接收器设计（一）光敏晶体三极管3DU5及其特性。

光敏晶体三极管是接收光信号并将其转化成为电流（称光电流）的传感器件。

它工作在反向偏置电压状态，只要有光照就会产生反向电流，与照射的光功率成正比，此关系称为光敏晶体管的光电特性。

其响应度值与入照射光波的波长有关。

本实验光通信系统中采用的是光敏晶体三极管3DU5，它的光谱响应波长为0．4 1．1μm 之间，峰值响应波长在0．8 0．9μm 范围内（正好与光发送器中发光二极管LED 的发射波长范围一致），其灵敏度最高。

（二）光电转换、解调电路。

在设计的实验系统中，此模块的功能是将光信号进行接收与转换，同时利用锁相环CD4046对电信号实现调频、解调，结构框图如图2所示。

图2接收器结构框图接收器首先由光纤传输过来的光信号通过连接器照射在光敏晶体三极管3DU5的窗口内，再由3DU5管将光信号（调频信号）转变成为与光功率成正比的电信号，送至锁相环CD4046中的相位比较器输入端与压控振荡器输出进行比较，得到一个经过低通滤波器滤除载频的调制电压，最后从内部源极跟随器输出，再经过由集成功放LA4100组成的音频功率放大器放大后由扬声器还原成语音信号。

发送端调频信号的中心频率通过CD4046中压控振荡器的控制频率端口外接电容确定，一般可调在200KHz 左右。

接收端的解调频率可调在接近载频上，即与发送端频率相同。

同时由压控振荡器的控制端口外接适合的电阻、电容构成的低通滤波器，其截止频率可选取在音频频段的上限（3KHz 左右）。

由于锁相环CD4046功耗极低，且电压范围宽，因此本实验系统选取直流12V 电压作为电源。

五、实验演示利用这一光纤通信的雏形装置进行通信实验。

将发送器和接收器接通电源，通过光纤连接器正确连接光纤，用发送端的驻极话筒对准音频源（音量调节较小位置，以保证光电器件工作在线性范围）。

这时音频信号送入发送器，在接收器后面的扬声器（喇叭）立即会发出同样的音频信号。

实验效果达到预期，完成了光纤通信的基本过程。

六、结语以锁相环CD4046为核心器件构成的光纤通信实验系统，实验原理通俗易懂，演示了光通信的工作过程。

这一实验装置为学生提供了充分的动手机会，触摸到最新科技发展的脉搏，很适合职业技术学院电子、通信、光电专业的实践教学，具有极大的应用和推广价值。

【参考文献】1．刘志海．光通信实验系统：功能与测试［J ］．光电子技术与信息，20042．宋吉江．锁相环技术及CD4046的结构与应用［J ］．半导体技术，2004·17·。