音频信号光纤传输技术实验
信号光纤传输技术实验.
音频信号光纤传输技术实验预习要求通过预习应理解以下几个问题：1．音频信号光纤传输系统由那几个部分组成、主要器件（LED 、SPD 和光纤）的工作原理；2．LED 调制、驱动电路工作原理3．LED 偏置电流和调制信号的幅度应如何选择、；4．测量SPD 光电流的I-V 变换电路的工作原理。
实验目的1．熟悉半导体电光/光电器件基本性能及主要特性的测试方法；2．了解音频信号光纤传输系统的结构及各主要部件的选配原则；3．掌握半导体电光和光电器件在模拟信号光纤传输系统中的应用技术；4．学习音频信号光纤传输系统的调试技术。
实验原理一．系统的组成音频信号光纤传输系统的原理图如图8-1-1所示。
它主要包括由LED （光源）及其调制、驱动电路组成的光信号发送器、传输光纤和由光—电转换、I —V 变换及功放电路组成的光信号接收器三个部分。
光源器件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1.5μｍ附近。
本实验采用中心波长0.85μｍ的GaAs 半导体发光二极管作光源、峰值响应波长为0.8～0.9μｍ的硅光二极管SPD 作光电检测元件。
为了避免或减少谐波失真，要求整个传输系统的频带宽度能够覆盖被传信号的频谱范围。
对于音频信号，其频谱在20Hz ～20KHz 的范围内。
光导纤维对光信号具有很宽的频带，故在音频范围内，整个系统的频带宽度主要决定于发送端调制放大电路和接收端功放电路的频率特性。
二、光纤的结构及传光原理衡量光纤信道性能好坏有两个重要指标：一是看它传输信息的距离有多远，二是看它单位时间内携带信息的容量有多大。
前者决定于光纤的损耗特性，后者决定于光纤的频率特性。
目前光纤的损耗容易做到每公里零点几dB 水平。
光纤的损耗与工作波长有关，所以在工作波长的选用上，应尽量选用低损耗的工作波长。
光纤通讯最早是用短波长0.85μｍ，近来发展到能用1.3～1.55μｍ范围的波长，在这一波长范围内光纤不仅损耗低，而且“色散”也小。
音频信号光纤传输实验
物理实验教案十二实验名称:音频信号光纤传输实验教学时数:3学时教学目的及要求:1、了解光纤通信的基本工作原理。
2、熟悉光纤传输系统中电光／光电转换器件的基本性能。
3、测试音频信号在光纤通信实验系统中的传输质量。
教学内容提要:1、光导纤维（1）光纤的结构光导纤维是用石英、玻璃或特制塑料等介质拉成的柔软而极细纤维，光能在其内部沿着轴线传播,简称光纤。
（2）光纤的类型光纤折射率沿径向分布有两种类型：阶跃型：由n1到n2有明显的边界，光全反射的传播路径是折线。
渐变型：从纤芯到包层芯折射率逐渐变小，光全反射的传播路径是光滑曲线，并产生自聚焦现象。
（3）光纤通信的优点光纤通信的主要优点：容量大、传输距离远、，抗电磁干扰能力强、保密性好、抗腐蚀、抗辐射、质量轻、体积小。
2、光纤通信系统基本组成和工作原理(1)光纤传输系统的基本组成光纤传输系统由“光信号发送端”、光信号的传输介质“光纤”和“光信号接收端”三部分组成。
（2）传输系统的技术参数本实验光纤传输系统：光源采用发光二极管，波长为0.84μm；传输介质采用多模石英光纤，低损耗窗口为0.84μm、1.3μm、1.55μm；硅光电二极管的峰值响应波段为0.8-0.9μm；因此，各个部分器件能够完全匹配。
(3)实验仪器TKGT-1型音频信号光纤传输实验仪;信号发生器;双踪示波器3、实验内容（1）测定光纤传输系统的静态电光／光电传输特性（2）测定光纤传输系统的幅频特性，测定系统的低频截止频率ƒL和高频截止频率ƒh。
（3）测定发光二极管偏置电流与无截止失真最大调制幅度的关系（4）观察各种波形在光纤中的传输（5）音频信号的传输实验教学重点与难点:教学重点是掌握光纤通信的基本工作原理;教学难点是确定传输系统的低频截止频率ƒL和高频截止频率ƒh。
思考题问题讨论:如何确定半导体材料的导电类型？实验报告的要求:实验原理部分要求，做光纤传输系统基本组成的方框图，并简述原理。
实验内容一、二、三项必做。
音频信号的光纤传输实验报告.doc
本实验使用的是四川大学物理系研制的YOF—A型音频信号光纤传输技术实验仪，包括：
1.光纤
2.双踪示波器
功率计、音频信号发送器和音频信号接收器
3.音频信号发生器四.实验Βιβλιοθήκη 容本实验包括了以下几部分内容：
1． 光信号发送器特性的研究
（1）LED—传输光纤组件电光特性的测定
（2） LED 偏置电流与无截止畸变最大调制幅度关系的测定
⑵光纤通信
所谓光纤通信，就是用激光做载波，光纤为传输媒质的信号传输。下图所示为直接光强调制光纤传输系统的结构原理方块图。它主要包括光信号发送器，传输光纤，光信号接收器三部分组成。
但是，要确保接收到的信号与我们发送的信号一样，要求传输过程中的各种变换都必须是线性变换。因此，只有在各部分共有的线性工作频率范围内的信号才能通过传输系统而不失真。对于语音信号，频谱在300—3400范围内，由于光导纤维对光信号具有很宽的频带，故在音频范围内，整个系统的频带宽度主要决定于发送端调制放大电路和接收端功放电路的幅频特性。
其中：I为光电检测器的平均输出电流； P为光电检测器的平均输入功率。
光信号接收器原理图
光信号的接收主要是利用硅光电二极管(SPD)把传输光纤出射端输出的光信号的光功率转变为与之成正比的光电流I0，然后经I / V转换电路再把光电流转换成电压V0输出。
V0和I0之间有以下关系：
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。
2.实验设计思想:
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（Light Emitted Diode 简称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。
光纤音频信号传输技术实验报告
光纤音频信号传输技术实验报告光纤音频信号传输技术实验报告引言：光纤技术作为一种高速、大容量的信息传输方式，已经在通信领域得到广泛应用。
然而，在音频信号传输方面，光纤技术的应用相对较少。
本实验旨在探究光纤音频信号传输技术的可行性，并对其性能进行评估。
一、实验原理光纤音频信号传输技术是利用光纤的高速传输特性，将音频信号转换为光信号进行传输。
具体实现过程包括：音频信号输入端通过调制电路将音频信号转换为光调制信号，然后通过光纤传输，再经过解调电路将光信号转换为音频信号输出到接收端。
二、实验设备和材料1. 音频信号发生器2. 光调制器3. 光解调器4. 光纤传输线5. 音频信号接收器6. 示波器7. 光源和光探测器三、实验步骤1. 将音频信号发生器与光调制器连接，调节发生器输出音频信号。
2. 将光调制器与光解调器连接，通过光纤传输线连接两者。
3. 将光解调器与音频信号接收器连接。
4. 调节光源和光探测器，使其适应光纤传输。
5. 打开音频信号发生器和音频信号接收器，并调节参数使音频信号传输正常。
6. 使用示波器对传输后的音频信号进行波形分析。
四、实验结果与分析经过实验，我们成功地实现了光纤音频信号的传输。
通过示波器观察到的波形显示，传输后的音频信号与输入信号基本一致，没有明显的失真和衰减。
这证明了光纤音频信号传输技术的可行性。
在实验过程中，我们还注意到了一些问题。
首先，光纤传输线的质量对音频信号的传输质量有很大影响。
如果光纤传输线质量较差，信号衰减较大，可能导致音频信号的失真。
因此，在实际应用中，应选择质量良好的光纤传输线。
其次，光调制器和光解调器的性能也会影响音频信号的传输质量。
如果这两个设备的响应速度较慢，可能会导致音频信号的延迟。
因此，在选择光调制器和光解调器时，应注意其响应速度和性能指标。
最后，光源和光探测器的选用也是影响音频信号传输质量的关键因素。
光源的亮度和光探测器的灵敏度会直接影响信号的传输距离和传输质量。
音频信号光纤传输技术实验报告
光纤广泛应用于各种工业控制、分布式数据采集等场合，特别适合电力系统自动化、交通控制等部门。
在光纤端面上，当光线入射角小于一定值?a时，折射光线在纤芯和包层界面上的入射角Ф才会大于临界角Фm，光线才能在光纤内多次全反射而传递到另一端。在光纤端面上，入射角θ′>θa的那些光线，折射后在界面上的入射角小于临界角Фm，光线将射出界面，如图40-2中光线2。这个入射角θa称为光学纤维的孔径角，它的数值由光学纤维的数值孔径决定。光纤的数值孔径N定义为
如图2所示，在立体角2θmax范围内入射到光纤端面的光线1在光纤内部界面产生全反射而得以传输，在2θmax范围外入射到光纤端面的光线2则在光纤内部界面不产生全反射而是透射到包层而马上被衰减掉。多模光纤具有较大的数值孔径，单模光纤的数值孔径相对较小，所以一般单模光纤需用LED半导体激光器作为其光源。
（2）光纤的损耗：
多模折射率阶跃型光纤由于各模传输的群速度不同而产生模间色散，传输的带宽受到限制。多模折射率渐变型光纤由于其折射率特殊分布使各模传输的群速度一样而增加信号传输的带宽。单模光纤是只传输单种光模式的光纤，单模光纤可传输信号带宽最高，目前长距离光通讯大都采用单模光纤。
光纤是玻璃细丝，性脆、易断，为提高其抗拉强度，保护表面和使用方便，在包层表面又涂履一层硅酮树脂一类的材料，称涂履层。
通过本实验的学习，在了解光导纤维的基本结构和光在其中传播规律的基础上，要建立起光导纤维的数值孔径、光纤色散、光纤损耗、集光本领等基本概念。
光纤音频信号传输实验报告
光纤音频信号传输实验报告光纤音频信号传输实验报告引言：在现代科技的快速发展下，音频信号传输技术也得到了极大的提升。
光纤作为一种高速、稳定的传输媒介，被广泛应用于音频信号传输领域。
本实验旨在通过搭建光纤音频传输系统，探究其传输效果和特点，并对比传统的电缆传输方式，以期能更好地了解光纤音频传输的优势与局限。
实验步骤：1. 实验器材准备：光纤收发器、音频源、音频放大器、音箱、电缆等。
2. 连接光纤收发器：将音频源与光纤收发器的输入端相连，将光纤收发器的输出端与音频放大器相连。
3. 连接音箱：将音频放大器与音箱相连。
4. 调试系统：打开音频源和音箱，调节音频源的音量和音箱的音量，确保音频信号正常传输。
实验结果：通过实验观察和数据分析，我们得出以下结论：1. 传输质量：光纤音频传输系统具有优异的传输质量，音频信号传输的稳定性和清晰度明显高于传统的电缆传输方式。
光纤传输不受外界电磁干扰的影响，能够减少信号失真和噪音干扰。
2. 传输距离：光纤音频传输系统的传输距离较远，可以达到几百米甚至更远的距离，而电缆传输方式的传输距离相对较短。
3. 安全性：光纤传输不产生电磁辐射和火花，具有较高的安全性，适用于一些对电磁辐射敏感的场所，如医院、实验室等。
4. 抗干扰能力：光纤传输系统具有良好的抗干扰能力，能够有效避免由于电缆传输中的电磁干扰而导致的信号失真和噪音问题。
讨论与分析：光纤音频传输系统相较于传统的电缆传输方式具有明显的优势，但也存在一些局限性。
首先，光纤传输系统的成本较高，需要专门的设备和技术支持。
其次，光纤传输系统对环境的要求较高，如温度、湿度等因素都会对传输质量产生影响。
此外，光纤传输系统在安装和维护上也相对复杂一些。
结论：通过本次实验，我们深入了解了光纤音频传输系统的特点和优势。
光纤传输具有传输质量高、传输距离远、抗干扰能力强等特点，适用于对音频传输质量要求较高的场所。
然而，光纤传输系统也存在一些限制，如成本高、环境要求高等。
【精选】6-1 音频信号在光纤中传输 实验报告
【精选】6-1 音频信号在光纤中传输实验报告
实验目的：通过实验了解和掌握音频信号的光纤传输原理和方法，培养实验操作和实验设计的能力。
实验原理：光纤传输是一种利用光学的方式携带信息的通讯方式。
当光线由光纤中传播时，在光线与光纤界面上发生反射，波动在光纤的芯和壳之间传递。
光纤传输的优点是可以输送高速数据，同时也可以很好的保障信息的安全性，适用于具有强抗干扰能力要求的音频信号传输场合。
实验仪器：音频采集卡、电脑、光纤接口、光纤线。
实验步骤：
1.将音频采集卡与电脑相连，启动电脑，打开音频采集卡的软件，保证采集卡和电脑连接正常。
2.将光纤接口插入音频采集卡的光纤接口处，将光纤线的一端连至光纤接口，将另一端的光纤线连接音频播放器的音源输出端口。
3.将音频播放器打开，选择要播放的音频文件，将音量调到适当大小。
4.在音频采集卡的软件中，打开音频输入通道的设置框，选择光纤接口，确认连接无误后，闭合设置框。
5.打开音频采集卡的录音控制面板，按下“开始录音按钮”，开始录制音频。
6.在录制过程中，调整音量大小、增益等参数，保证录制的音
频质量良好。
7.录制完毕后，停止录制，最后保存文件。
实验结果：经过实验测试，将音源通过光纤线传输到音频采集卡的效果比较理想，音色清晰饱满，无杂音，可达到很好的传输效果，适用于多种音频领域，如电视电影、歌曲音乐等方面。
实验结论：由于光纤传输具有抗干扰强、传输速度快、传输距离长等优点，因此在音频传输领域得到了广泛的应用，能够大大提高音频传输的质量和速度，也是未来音频传输领域的重要发展方向。
音频信号光纤实验报告
音频信号光纤实验报告音频信号光纤实验报告引言：音频信号光纤实验是一项重要的实验，它是研究音频信号传输和光纤通信原理的基础。
本文将介绍音频信号光纤实验的目的、实验原理、实验步骤、实验结果以及实验总结。
一、实验目的音频信号光纤实验的目的是通过实验，了解音频信号的特点以及光纤通信的原理。
通过实验，掌握如何使用光纤传输音频信号，并能够分析光纤传输中的损耗和失真情况。
二、实验原理音频信号是一种连续变化的电信号，它的频率范围通常在20Hz到20kHz之间。
光纤通信是一种利用光信号传输信息的技术，其原理是利用光的全反射特性，将光信号沿光纤传输。
在音频信号光纤实验中，我们需要将音频信号转换为光信号，并通过光纤传输到接收端。
具体的原理是，将音频信号输入到光电转换器中，光电转换器将音频信号转换为光信号，然后通过光纤传输到接收端。
接收端的光电转换器将光信号转换为音频信号。
三、实验步骤1. 准备实验所需材料和设备，包括音频信号源、光纤、光电转换器等。
2. 将音频信号源与光电转换器连接，确保连接正确。
3. 将光纤连接到光电转换器的输出端，并确保光纤连接牢固。
4. 将另一端的光纤连接到接收端的光电转换器的输入端。
5. 打开音频信号源和接收端的光电转换器，调节音频信号源的音量，观察接收端是否能够正常接收到音频信号。
6. 测量音频信号在光纤传输过程中的损耗情况，记录下相关数据。
四、实验结果通过实验，我们观察到音频信号能够成功通过光纤传输到接收端，并且能够正常播放。
在测量过程中，我们发现音频信号在光纤传输过程中会产生一定的损耗，损耗的大小与光纤的质量和长度有关。
我们还发现，如果光纤连接不牢固或者光纤质量较差，会导致音频信号的失真。
因此，在实际应用中，需要注意光纤的连接质量和选择合适的光纤。
五、实验总结通过音频信号光纤实验，我们深入了解了音频信号的特点以及光纤通信的原理。
我们掌握了如何使用光纤传输音频信号，并且能够分析光纤传输中的损耗和失真情况。
音频信号光纤传输技术实验
音频信号光纤传输技术实验[目的要求]1.熟悉半导体电光/光电器件的基本性能及主要特性的测试方法。
2.了解音频信号光纤传输的结构及选配各主要部件的原则。
3.学习分析集成运放电路的基本方法。
4.训练音频信号光纤传输系统的测试技术。
[仪器设备]1.YOF—B型音频信号光纤传输技术实验仪。
2.音频信号发生器。
3.示波器。
4.数字万用表。
[实验原理]一．系统的组成图（1）示给出了一个音频信号直接光强调制光纤传输系统的结构原理图, 它主要包括由LED及其调制、驱动电路组成的光信号发送器、传输光纤和由光电转换、I—V变换及功放电路组成的光信号接收器的三个部分。
图1 音频信号光纤传输实验系统原理图本实验采用中心波长0.85μm附近的GaAs半导体发光二极管（LED）作光源、峰值响应波长为0.8~0.9μm的硅光二极管（SPD）作光电检测元件。
由于光导纤维对光信号具有很宽的频带, 故在音频范围内, 整个系统的频带宽度主要决定于发送端调制放大电路和接收端功放电路的幅频特性。
二．光导纤维的结构及传光原理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, 对于单模光纤, 纤芯直径只有5~10μm, 在一定的条件下, 只允许一种电磁场形态的光波在纤芯内传播, 多模光纤的纤芯直径为50μm或62.5μm, 允许多种电磁场形态的光波传播；以上两种光纤的包层直径均为125μm。
按其折射率沿光纤截面的径向分布状况又分成阶跃型和渐变型两种光纤, 对于阶跃型光纤, 在纤芯和包层中折射率均为常数, 但纤芯一包层界面处减到某一值后, 在包层的范围内折射率保持这一值不变, 根据光射线在非均匀介质中的传播理论分析可知: 经光源耦合到渐变型光纤中的某些光射线, 在纤芯内是沿周期性地弯向光纤轴线的曲线传播。
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。
28音频信号光纤传输技术实验
·224· 实验28 音频信号光纤传输技术最早提出纤维光电子学概念的人是英国物理学家约翰·丁达尔（John Tyndall ）。
丁达尔在1870年发现光可以随着水流进入一个容器中，然而，直到第二次世界大战前这—发现未得到应用。
1966年英国标准通信实验室的高琨（C ．Kao ）提出，只要将玻璃中的杂质提纯使其传输损耗降低到20dB ／km 以下，玻璃纤维可以作为光信息的传输介质。
从那时开始，光学传输技术得到迅速发展，并成为一门重要的新技术。
各种新型光纤、光连接器光发射器件以及相应的电子学器件相继问世，到1980年，在世界范围内就建立起了实用且经济可行的光纤通信系统。
现在光纤通信已成为全球电信和数据通信网的支柱。
光纤是光学纤维的简称，是一种能传输光波的介质波导。
光纤由纤芯和包层组成，其基本结构如图4-28-l 所示，芯和包层是同轴圆柱体，包层有一定厚度。
芯的折射率为1n ，包层的折射率为2n ，为了限制光只在光纤芯区传输，必须满足21n n >的条件。
为了保护光纤，通常还将光纤制成单芯或多芯的光缆，用保护套包裹光纤。
在光缆中还要加入抗张力的钢丝或强力塑料芯，以提高其抗张力强度。
图4-28-1 光纤基本结构光纤通信是光纤应用的一个重要领域。
在通信网中采用光纤的优点是光纤具有极大的传输信息的能力。
因为通信容量与载波的工作频率有关，光波频率可达1014Hz ，比通常无线电通信用的微波频率高104~105倍，所以其通信容量比微波要高104~105倍。
另外，光纤还可以使通信双方完全电隔离，这可以使通信设备的雷电保护接地网的设计和安装十分简单。
图4-28-2是一个光纤通信系统示意图。
在发射端直接把信号调制到光波上，将电信号变换为光信号，然后将已调制的光波送入光缆中传输，在接收端将光信号还原成电信号。
整个过程与一般无线电通信过程十分相似。
在光纤与发射机、光纤与接受机之间装有耦合器，当传输距离较长时，还需用连接器把两根光纤连接起来。
物理实验报告音频信号光纤传输技术实验
物理实验报告音频信号光纤传输技术实验实验目的：1.了解音频信号光纤传输的原理和技术；2.掌握音频信号光纤传输的实验方法和步骤；3.研究光纤传输对音频信号的传输质量的影响。
实验器材：1.音源：使用一个音频扬声器；2.音频接口设备：使用一个音频接口设备将音频信号输入到计算机中；3.计算机：用于控制音频接口设备，产生和录制音频信号；4.光纤：选择一段长度较长的光纤；5.光纤传输设备：包括光纤发送器和光纤接收器；6.示波器：用于测量和观察音频信号。
实验原理：1.音频信号光纤传输是利用光纤的优异特性将音频信号通过光的折射传输到远处。
2.音频信号光纤传输系统主要包括光纤发送器和光纤接收器两个主要部分。
光纤发送器将音频信号转化为光信号，并通过光纤传输到光纤接收器，光纤接收器将光信号转换为音频信号。
实验步骤：1.将音源连接到音频接口设备上，通过计算机调节音频信号的频率和振幅。
2.连接光纤发送器和光纤接收器，确保光纤的连接端面干净，并避免光纤的弯曲和拉扯。
3.将音频接口设备的输出接口连接到光纤发送器的输入端，将光纤接收器的输出接口连接到音频接口设备的输入端。
4.打开音频接口设备和光纤传输设备，启动计算机。
5.调节音频信号的频率和振幅，观察光纤发送器的光信号是否正常发出，光纤接收器是否能正确接收到光信号并将之转换为音频信号。
6.使用示波器测量音频信号的频率和幅度，与原始音频信号进行比较，分析光纤传输对音频信号的传输质量的影响。
实验结果：通过实验观察和测量，得到了以下结果：1.音频信号经过光纤传输后，频率和幅度会有一定的损耗；2.光纤传输会引入一定的噪声，使音频信号的质量下降；3.光纤传输的距离会影响音频信号的传输质量，随着距离的增加，信号的损耗和噪声会增加。
实验结论：音频信号光纤传输技术是一种非常有效的传输技术，通过光纤传输可以将音频信号远距离传输，但需要注意传输距离对信号质量的影响。
同时，光纤传输还需要保证光纤连接的质量，避免光纤连接端面的污染和光纤的弯曲拉扯。
光传载音频信号实验报告
一、实验目的1. 了解光传载音频信号的原理及过程。
2. 掌握音频信号光纤传输系统的基本结构及各部件的选配原则。
3. 熟悉光纤传输系统中电光/光电转换器件的基本性能。
4. 训练如何在音频信号光纤传输系统中获得较好的信号传输质量。
二、实验原理光纤通信是一种利用光波在光纤中传输信息的通信方式。
其基本原理是：将电信号转换为光信号，通过光纤传输，在接收端再将光信号转换回电信号。
音频信号光纤传输实验就是将音频信号通过电光转换器转换为光信号，在光纤中传输，然后在接收端通过光电转换器将光信号转换回音频信号。
三、实验仪器1. 音频信号发生器2. 光纤传输实验仪3. 双踪示波器4. 光电转换器5. 电光转换器四、实验步骤1. 连接实验仪器，将音频信号发生器的输出信号接入电光转换器。
2. 打开实验仪，设置实验参数，如传输距离、传输速率等。
3. 通过实验仪发送光信号，观察光纤传输过程中的信号变化。
4. 在接收端，将光电转换器输出的电信号接入示波器，观察信号变化。
5. 调整实验参数，对比不同条件下的信号传输质量。
五、实验结果与分析1. 实验结果显示，在合适的偏置电流下，LED-传输光纤组件具有线性。
验证了硅光电二极管可以将传输光纤出射端输出的信号转变成与之成正比的光电流。
2. 实验过程中，通过调整实验参数，观察到了不同传输距离、传输速率下的信号传输质量。
结果表明，随着传输距离的增加，信号衰减逐渐增大；随着传输速率的提高，信号失真程度增加。
3. 实验数据表明，光纤通信在远距离、高速率传输方面具有明显优势。
与传统的铜线通信相比，光纤通信具有损耗低、频带宽、抗干扰能力强等特点。
六、实验总结通过本次实验，我们了解了光传载音频信号的原理及过程，掌握了音频信号光纤传输系统的基本结构及各部件的选配原则，熟悉了光纤传输系统中电光/光电转换器件的基本性能。
实验结果表明，光纤通信在远距离、高速率传输方面具有明显优势，是未来信息社会的重要传输工具。
实验十音频光纤传输技术
10
入射光功 率 pin
出射光功 率pout
α (dB/km)
7、 进行音频传输实验，在 4、5 步的基础上，在声光调制驱动源的 AM（0-5v）输入端收音 机调幅波信号，光接收器直流电压为 9~15V，电流约 0.2A 左右，接上阻抗 8Ω的音响喇 叭。
8、 输入音频信号，调节光纤接收端，听输出喇叭效果，分析音频传输的质量。
光导纤维是用细的石英玻璃制成的，每根光纤是由一个圆柱形的内芯和包层组成。内 芯的折射率略大于包层的折射率。当光纤直径远大于光波波长时，可以用几何光学的方法来 解释光在光纤中的传播
n2
n0
φ
θr
θi
n1
图 2 光导纤维中光的传输特性
当光线从光密物质射向光疏物质时，如入射角大于临界角时，光线产生全反射，即光线不再 离开光密介质。如图 2 所示，在角度 2θ 之间的入射光，除了在玻璃中吸收和散射之外，大 部分在界面上产生多次全反射，而以锯齿型的路线在光纤中传播。在光纤的末端以入射角相 等的出射角射出光纤。如图二所示，光被闭锁在光纤内，只能沿着光纤传输。光纤的芯径一 般几个微米至几百微米，按照传输光模式可分为多模光纤和单模光纤。本实验采用的是多模 光纤。
②光纤模式：指光波沿光纤传播的途径和方式。如同一信号采取很多模式传播，就会
导致信号畸变，因此希望模式数量越少越好。阶跃型的圆筒波导内的模式数量克表示为
πd (n21–n22)1/2
V=
(2)
λ0
式中 d 为纤芯直径，λ0 为入射光波长。D 一般取几个微米，n1 n2 之差不大于 1% ③传播损耗：光纤的损耗主要由于材料吸收引起的吸收损耗，纤芯折射率不均匀引起
四、实验步骤要求
1、 首先调整 He-Ne 激光器光线方向平行于导轨。 2、 调节 PM 声光调制器的俯仰及方位角，使入射光以布拉格角入射到调制器上。
音频信号光纤传输实验报告
音频信号光纤传输实验报告音频信号光纤传输实验报告引言：音频信号的传输一直以来都是一个重要的研究领域。
随着科技的进步，传统的电缆传输方式逐渐被光纤传输所取代。
本实验旨在通过光纤传输音频信号，探究其传输效果和优势。
实验设备和方法：实验中使用的设备包括音频发生器、光纤传输装置和音频接收器。
首先，将音频发生器与光纤传输装置相连，再将光纤传输装置与音频接收器相连。
然后，通过调节音频发生器的频率和振幅，观察音频信号在光纤中的传输效果。
实验结果：在实验过程中，我们发现光纤传输音频信号相比传统的电缆传输有以下几个明显的优势。
1. 传输距离远：光纤传输音频信号可以达到几十公里甚至上百公里的传输距离，远远超过了电缆传输的限制。
这使得音频信号可以在更广阔的范围内传输，满足不同场景下的需求。
2. 传输质量高：光纤传输音频信号不受外界干扰的影响，传输质量更加稳定。
相比之下，电缆传输容易受到电磁干扰和信号衰减的影响，导致音频信号质量下降。
3. 带宽大：光纤传输具有较大的带宽，可以同时传输多个音频信号。
这使得光纤传输在多媒体应用中具有更广泛的应用前景。
4. 体积小：光纤传输装置相对于传统的电缆传输设备来说更加小巧轻便。
这使得光纤传输在一些空间有限的场景下更为适用。
讨论与分析：通过本次实验，我们可以得出结论：光纤传输音频信号具有较大的优势，尤其在传输距离远、传输质量高和带宽大等方面。
然而，光纤传输也存在一些挑战和限制。
首先，光纤传输设备的成本较高，相比传统的电缆传输设备来说更加昂贵。
这使得光纤传输在一些经济条件较差的地区应用受限。
其次，光纤传输对于安装和维护的要求较高。
光纤传输装置需要专业的技术人员进行安装和维护，一旦出现故障需要专业人员进行修复。
这增加了光纤传输的使用成本和难度。
此外，光纤传输对于环境的要求也较高。
光纤传输装置需要在干燥、无尘、无腐蚀性气体的环境下运行，以保证传输质量和稳定性。
这对于一些特殊环境下的应用来说可能存在一定的限制。
音频信号光纤实验报告
一、实验目的1. 熟悉音频信号光纤传输系统的基本结构和各部件的选配原则。
2. 掌握光纤传输系统中电光/光电转换器件的基本性能。
3. 学习如何在音频信号光纤传输系统中获得较好的信号传输质量。
4. 了解光纤通信技术的基本原理和实际应用。
二、实验原理光纤通信技术是利用光波在光纤中传输信息的一种通信方式。
它具有传输速度快、通信容量大、抗干扰能力强等优点。
本实验主要研究音频信号在光纤中的传输过程，包括光源、光纤、光电检测器等部件的工作原理。
1. 光源：本实验采用中心波长为0.85μm的GaAs半导体发光二极管（LED）作为光源。
LED具有高效率、低功耗、体积小等优点，是光纤通信系统中常用的光源。
2. 光纤：本实验使用单模光纤，其芯径为5μm，外径为125μm。
单模光纤具有传输损耗低、频带宽、抗干扰能力强等特点。
3. 光电检测器：本实验采用峰值响应波长为0.8～0.9μm的硅光电二极管（SPD）作为光电检测器。
SPD具有响应速度快、灵敏度高等优点。
三、实验仪器1. LED驱动电源2. 信号发生器3. 双踪示波器4. 单模光纤5. 光电检测器6. 光纤连接器7. 信号放大器四、实验步骤1. 搭建实验系统：将LED驱动电源、信号发生器、单模光纤、光电检测器、光纤连接器等设备连接成音频信号光纤传输系统。
2. 测试系统性能：使用信号发生器产生音频信号，通过示波器观察LED输出光信号和SPD输出电信号的变化。
调整LED偏置电流和SPD光电流，使信号传输质量达到最佳。
3. 分析实验结果：根据实验数据，分析LED输出光信号的幅度、频率、相位等参数，以及SPD输出电信号的幅度、频率、相位等参数。
五、实验结果与分析1. LED输出光信号：实验结果显示，LED输出光信号的幅度随着偏置电流的增加而增加，但超过一定值后，幅度增加缓慢。
这表明LED具有非线性特性。
同时，实验发现，LED输出光信号的频率与输入音频信号的频率基本一致，说明LED具有良好的频率响应。
音频信号光纤传输技术实验
音频信号光纤传输技术实验
五邑大学物理实验中心
什么是光纤通信
本实验就是让学生熟悉了解音频信号光纤传输的基本原理。
由发送电端机将待传送的模拟信号转换成数字信号，再由发送光端机将电信号转 换成相应的光信号，并将它送入光纤中传输至接收端。接收光端机将传来的光信 号转换成相应的电信号并进行放大，然后通过接收电端机恢复成原来的模拟信号。
四、仪器实物
预习与思考
一．光通信的媒介有哪些？
二．光纤可以用于传播红外光和紫 外光吗？
三．LED的伏安特性有什么特点， 用于光纤传输信号时静态工作点 应选择在伏安特性曲线上哪个位 置比较合适？
图3
常用的光探测器是半 导体光电二极管PIN 和雪崩二极管。
半导体光电二极管PIN具有体积小，材料合适、
灵敏度高、响应速度快等特点，在光纤通信系
统中有着十分广泛的应用。其伏安特性
为
。其中I0为无光照时的反向饱和
电流，U为二极管的端电压（正向电压为正，
反向电压为负），q为电子电荷，k为波尔兹曼
常数，T为温度（单位为K），IL为无偏压状态
光波如何在 光纤中传播
分析光纤的导光原理，一般可采用两种方法：
方法一、波动理论法：波动理论法是根据电 磁场理论，用麦氏方程求解光纤的场方程、 特征方程，根据解答式分析其传输特性；
方法二、射线法：射线法是将光波看成是一 条条几何射线，用光射线理论分析光纤的传 输特性。后者比较简单、直观。
光波在两介质交界面的反射和折射
一．光纤通信原理 二．光信号发送端的工作原理 三．光信号接收端的工作原理 四．、光纤传输特性指标 五．、光纤通信的特点
1、光纤通信原理
由发送电端机将待传送的模拟信号转换成数字信号，再由发送光端 机将电信号转换成相应的光信号，并将它送入光纤中传输至接收端。 接收光端机将传来的光信号转换成相应的电信号并进行放大，然后 通过接收电端机恢复成原来的模拟信号。
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音频信号光纤传输技术实验[目的要求]1.熟悉半导体电光/光电器件的基本性能及主要特性的测试方法。
2.了解音频信号光纤传输的结构及选配各主要部件的原则。
3.学习分析集成运放电路的基本方法。
[仪器设备]1.YOF—B型音频信号光纤传输技术实验仪。
2.数字万用表。
[实验原理]一．系统的组成图（1）示给出了一个音频信号直接光强调制光纤传输系统的结构原理图，它主要包括由LED及其调制、驱动电路组成的光信号发送器、传输光纤和由光电转换、I—V变换及功放电路组成的光信号接收器的三个部分。
图1 音频信号光纤传输实验系统原理图本实验采用中心波长0.85μm附近的GaAs半导体发光二极管（LED）作光源、峰值响应波长为0.8~0.9μm的硅光二极管（SPD）作光电检测元件。
由于光导纤维对光信号具有很宽的频带，故在音频范围内，整个系统的频带宽度主要决定于发送端调制放大电路和接收端功放电路的幅频特性。
二．光导纤维的结构及传光原理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，对于单模光纤，纤芯直径只有5~10μm，在一定的条件下，只允许一种电磁场形态的光波在纤芯内传播，多模光纤的纤芯直径为50μm或62.5μm ，允许多种电磁场形态的光波传播；以上两种光纤的包层直径均为125μm 。
按其折射率沿光纤截面的径向分布状况又分成阶跃型和渐变型两种光纤，对于阶跃型光纤，在纤芯和包层中折射率均为常数，但纤芯一包层界面处减到某一值后，在包层的范围内折射率保持这一值不变，根据光射线在非均匀介质中的传播理论分析可知：经光源耦合到渐变型光纤中的某些光射线，在纤芯内是沿周期性地弯向光纤轴线的曲线传播。
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1n ，包层的外径为b ，折射率为2n ,且1n >2n 。
图 2 阶型多模光纤的结构示意图当一光束投射到光纤端面时，进入光纤内部的光射线在光纤入射端面处的入射面包含光纤轴线的称为子午射线，这类射线在光纤内部了行径，是一条与光纤轴线相交、呈“Z ”字型前进的平面折线；若藉合到光纤内部的光射线在光纤入射端面处的入射面不包含光纤轴线，称为偏射线，偏射线在光纤内部不与光纤轴线相交；其行径是一条空间折线。
参看图8-1-2，假设光纤端面与其轴线垂直。
对于子午光射线，根据smell 定律及图8-1-2所示的几何关系有：z i sin n sin n θθ10= （1） 其中απθ-=2z ，所以有αθcos n sin n i 10= （2）其中0n 是光纤入射端面左侧介质的折射率。
通常，光纤端面处 在空气介质中，故n 0 =1。
由（2）式可知：如果光线在光纤端面处的入射角i θ较小,则它进入光纤内部后投射到纤芯-包n 1 n 2 n 0 αi θz θ 121 1 22 222子午传导射线 漏射线 1 图3 子午传导射线与漏射线层界面处的入射角α 就会大于按下式决定的临界角c α： ()12n n arcsin c =α （3）在此情形下光射线在纤芯-包层界面处发生全内反射。
该射线所携带的光功率就被局限在纤芯内部而不外溢。
满足这一条件的射线称为传导射线。
随着图3中入射角i θ的增加，α角就会逐渐减小，直到c αα=时，子午射线携带的光功率均可被局限在纤芯内。
在此之后，若继续增加i θ，则α角就会变得小于c α， 这时子午射线在纤芯-包层界面处的全反射条件受到破坏，致使光射线在纤芯-包层界面处的每次反射均有部分光功率溢出纤芯外，光导纤维再也不能把光功率有效地约束在纤芯内部。
这类射线称为漏射线。
设与c αα=对应的i θ为max i θ，凡是以max i θ 为张角的锥体内入射的子午光线，投射到光纤端面上时，均能被光纤有效地接收而约束在纤芯内。
根据（2）式有：c max i cos n sin n αθ10=其中n o 表示光纤入射端面空气一侧的折射率，其值为1，故：()()21222121211n n sin n sin c max i -=-=αθ通常把此式定义为光纤的理论数值孔径（Numerical Aperture ）, 用英文字符NA 表示，即NA =()()211122212∆θn n n sin max i =-= （4） 它是一个表征光纤对子午射线捕获能力的参数，其值只与纤芯和包层的折射率 n 1 和 n 2 有关，与光纤的半径a 无关。
在（4）式中：△ =()()1212122212n /n n n /n n -≈- 称为纤芯和包层之间的相对折射率差，△ 愈大，光纤的理论数值孔径NA 愈大，表明光纤对子午线捕获的能力愈强，即由光源发出的光功率更易于耦合到光纤的纤芯内。
这对于作传光用途的光纤来说是有利的。
但对于通讯用的光纤，数值孔径愈大，模式色散也相应增加，这不利于传输容量的提高。
对于通讯用的多模光纤△ 值一般限制在1%左右。
由于通信用多模光纤的纤芯折射率n 1 是在1.50附近，故理论数值孔径的值在0.21左右。
三． 半导体发光二极管结构、工作原理、特性及驱动、调制电路光纤通讯系统中，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 4 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：hυ= E1-E2= Eg其中h上普朗克常数，υ是光波的频率，E1是有源层内导电电子的能量，E2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Eg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。
图 4 HFRB-1424型LED的正向伏安特性本实验采用HFBR-1424型半导体发光二极管的正向特性如图5所示与普通的二极管相比，在正向电压大于1V以后，才开始导通，在正常使用情况下，正向压降为1.5V左右。
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。
音频信号光纤传输系统发送端LED的驱动和调制电路如图5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发送出图 5 LED的驱动和调制电路根据理想运放电路开环电压增益大（可近似为无限大）、同相和反相输入阻抗大（也可近似为无限大）和虚地等三个基本性质，可以推导出图6所示音频广大闭环增益为：G(jω) = v0/v1= 1+Z2/Z1其中Z1、Z2分别为放大器反馈阻抗和反相输入端的接地阻抗，只要C3选得足够小，C2选得足够大，则在要求带宽的中频范围内，C3阻抗很大，它所在支路可视为开路，而C2的阻抗很小，它可视为短路。
在此情况下，放大电路的闭环增益G（jω）=1+ R2/R1。
C3的大小决定了高频端的截止频率f2,而C2的值决定着低频端的截止频率f1。
故该电路中的R1、R2、R3和C2、C3是决定音频放大电路增益和带宽的几个重要参数。
四．半导体光电二极管的结构、工作原理及特性半导体光电二极管与普通的半导体二极管一样，都具有一个p-n结，但光电二极管在外形结构方面有它自身的特点，这主要表现在光电二极管的管壳上有一个能让光射入其光敏区的窗口，此外，与普通二极管不周，它经常工作在反向偏置电压状态（如图6a所示）或无偏压状态（如图6b所示）。
在反偏电压下，p-n结的空间电荷区的垫垒增高、宽度加大、结电阻减小,所有这些均有利于提高光电二极管的高频响应性能。
图 6 光电二极管的结构及工作方式无光照时，反向偏置的p-n结只有很小的反向漏电流，称为暗电流。
当有光子能量大于p-n结半导体材料的带隙宽度Eg的光波照射到光电二极管的管芯时，p-n结各区域中的价电子吸收光能后将挣脱价键的束缚而成为自由电子，与此同时也产生一个自由空穴，这些由光照产生的自由电子空穴对统称为光生载流子。
在远离空间电荷区（亦称耗尽区）的p区和n区内，电场强度很弱，光生载流子只有扩散运动,它们在向空间电荷区扩散的途中因复合而被消失掉，故不能形成光电流。
形成光电流的主要靠空间电荷区的光生载流子，因为在空间电荷区内电场很强，在此强电场作用下，光生自由电子空穴对将以很高的速度分别向n区和p区运动，并很快越过这些区域到达电极沿外电路闭合形成光电流，光电流的方向是从二极管的负极流向它的正极，并且在无偏压短路的情况下与入射的光功率成正比，因此在光电二极管的p-n 结中，增加空间电荷区的宽度对提高光电转换效率有着密切的关系。
为此目的，若在p-n结的p区和n区之间再加一层杂质浓度很低以致可近似为本征半导体的I层，就形成了具有p-i-n三层结构的半导体光电二极管，简称PIN 光电二极管，PIN光电二极管的p-n结除具有较宽的空间电荷区外，还具有很大的结电阻和很小的结电容，这些特点使PIN管在光电转换效率和高频响应方面与普通光电二极管相比均得到了很大改善。
光电二极管的伏-安特性可用下式表示：I = I0[1 - exp(qv/kt)] + IL（6）其中I是无照的反向饱和电流，V是二极管的端电压（正向电压为正，反向电压为负），q为电子电荷，k为波耳兹曼常数，T是结温，单位为K，I L是无偏压状态下光照时的短路电流，它与光照时的光功率成正比。