音频信号的光纤传输+实验报告

音频信号光纤传输实验
摘要:
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。

Abstracf
The experimental transmission through the LED-fiber components of the
electro-optical properties Measuring obtained at the right bias current, with its linear. Verification of the silicon photodiode fiber can transmit a radio-signal output into with the current proportional to the light.
一.前言:
1.实验的历史地位:
光纤自20世纪60年代问世以来，其在远距离信息传输方面的应用得到了突飞猛进的发展，以光纤作为信息传输介质的“光纤通信”技术，是世界新技术革命的重要标志，也是未来信息社会各种信息网的主要传输工具。

随着光纤通信技术的发展,一个以微电子技术,激光技术,计算机技术呵现代通信技术为基础的超高速宽带信息网将使远程教育.远程医疗.电子商务.智能居住小区越来越普及.光纤通信以其诸多优点将成为现代通信的主流,未来信息社会的一项基础技术和主要手段.
2.实验目的
了解音频信号光纤传输系统的结构
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
了解音频信号光纤传输系统的调试技能
3.待解决的几个主要问题:
声音是一种低频信号，你可能有这样的经历，当你说话的声音较低时，只有你旁边的人可以听见你的声音，要让声音传的远些你必须大声喊。

这说明了低频信号的传播受周围环境的影响很大，传播的围有限。

为了解决上述的问题，在通信技术中一般是使用一个高频信号作为载波利用被传输的信号（如音频信号）对载波进行调制。

当信号到达传输地点时需要对信号进行解调，也就是将高频载波滤掉，最终得到被传输的音频信号。

随着通信容量的增加和信息传递速度的加快，上述传播过程的缺陷也暴露了出来，主要为以下几点：
1信号间的干扰；
2 对接手端和发射端阻抗匹配要求较高；
3 传播速度受到一定的限制。

专家们一致认为解决上述问题的关键是利用光作为信号的载体，也就是所说的光纤通信。

本实验的目的就是去了解光纤传输系统的结构，以及半导体电光/光电器件的基本性能及主要特性的测试方法。

二. 实验介绍
1.实验原理
⑴通信基本原理
通信，简单点说就是信息的传输。

比如打，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。

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围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 围，由于光导纤维对光信号具有很宽的频带，故在音频围，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。

发光二极管(LED)的电光特性
LED的P-I特性曲线
光纤通信系统中使用的LED的光功率是经称为尾纤的光导纤维输出，出纤光功率与LED驱动电流的关系称为电光特性。

为了避免和减少非线性失真，使用时应先给LED一个适当的偏置电流I，其值等于这一特性曲线线性部分中点对应的电流值，而调制信号的峰峰值应位于电光特性的直线围。

⑶光信号的发送
光信号发送器的原理图
被传音频信号由以IC1为主要元件构成的音频放大电路放大后经电容器藕合到BG1基极，对LED的工作电流进行调制，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。

对于高频信号，电容可看作短路；对于低频信号，电容可看作开路，且电容越大，允许通过的最低频率就越低。

只要选得足够小（只允许高频信号通过），选得足够大（较低频率的信号也可通过，但仍有截止频率），则在要求带宽的中频围，的阻抗很大，它所在支路可视为开路，而的阻抗很小，它可视为短路。

在此情况下，根据运放电路的特性计算出：
放大电路的闭环增益为
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,C2和C3是决定音频放大电路增益和带宽的几个重要参数。

4.光信号的接收
光电检测器件SPD：
响应度：描述光电检测器光电转换能力的一种物理量。

定义为：
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。

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、或附近，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0.85 的半导体发光二极管作光源，峰值响应波长为 0.8—0.9.85 的硅光电二极管（Silica Photo Diode 简称SPD）作光电检测元件。

在传播过程中，为了避免或减小波形失真，要求载波的频率宽度能覆盖被传信号的频率围。

由于光导纤维对光信号具有很宽的频带，完全可以将频谱在300—3400 围的音频信号覆盖。

整个系统的频带宽度（即可传信号的频率宽度）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。

光信号发送器：
光信号发送器由信号放大电路，和LED的驱动电路组成。

放大后的信号进入右侧的信号发送系统。

LED的正常工作需要有一定的正向偏压，一般是在1.2-1.4V之间，光功率与LED驱动电流的关系称为电光特性。

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：
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。

硅光电二极管的任务是把传输光纤出射端输出光信号的光功率转变为与之成正比的光电流I0，然后经运算放大器组成的I / V 转换电路把光电流转换成电压V0输出，然后经功放电路放大后还原成音频信号播放。

三.实验仪器
本实验使用的是大学物理系研制的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.实验容
本实验包括了以下几部分容：
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
（3）光信号发送器调制放大电路幅频特性的测定
2. 光信号接收器特性的研究
(1) 硅光电二极管特性及响应度的测定
(2) 光信号的检测
(3) 光电信号的放大
3.原始数据表格
⑴LED传输光纤组件电光特性的测量
I偏(mA) 0 4 8 12 16 20
光功率P(uW) 0 1.3 3.8 7.5 12.0 17.1 ⑵硅光电二极管特性及响应度的测试 R f=23.8(kΩ)
I偏(mA) 0 4 8 12 16 20 V o(mV) 7.2 9.5 21.8 49.3 88.2 135.1
定的偏执电流附近摆动,尽管波形畸变不明显,但说明输出已失真,此时应减小信号的调制幅度.
偏i
五.数据处理:
⑴LED电光特性曲线
文字描述: 由图像可以看出在4mA到19mA之间Ｐ－Ｉ成线性关系
R=ΔI/ΔP=(0.915966-0.39916)/( 3.8-1.3)= 0.206722
⑶LED偏置电流与无截止畸变最大调制幅度的关系曲线V max-I偏
⑷放大倍数随频率变化的关系曲线:
可以看出在大于运放的截止频率和饱和频率之间，运放放大倍数最大，随着频率的增加运放的放大功能减弱。

⑸发送器V o(mV), 接收器V o(mV)曲线
由图像可以看出来，电势随着频率的增大而变小。

5.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）LED上的直流偏置电流要小于20mA，否则会烧坏LED；
（3）调节音频信号发生器输出的正弦信号的幅度，使其峰—峰值小于等于20mV（实验过程中保持Vi≤20mV[峰—峰值]）；
（4）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；
（5）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。

1．线路连接没有问题，示波器、信号发生器均工作正常，但屏幕上没有信号，或者只有干扰信号。

2．测量中，偏流调不到要求的20mA。

这种情况大多是由于输入信号太大，造成输出波形失真，从而导致该现象发生。

测量出的信号转换功率太低，只有10几个μW。

正常情况下，输出功率应能达到20至30几个μW。

如果数值较低，一种情况可能是光纤离光源的距离较远造成的（光纤距透镜太远），教师可以将接口处打开，调整这一距离，也可以请实验室人员处理。

另一种情况也可能是LED被烧坏。

六、实验结论
1.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。

2. 拓展实验容
光纤中的传播时间和速度
由于光在透光介质中的传播速度反比于介质的折射率
C = Kn-1
因此可以断定光在光纤中的传播速度小于光在空气中的传播速度C0 ≈ 3×108m/s.本实验
通过测量一串光脉冲信号在一个特定长度光纤中的传播时间，来求出光在光纤中的传播速度，从而算出光纤的平均折射率。

我们在光纤的输入端输入一连串稳定的光脉冲信号，并在光纤的输出端接收这些信号，由于光纤的长度引起一个脉冲信号的时间延迟T1
T1 =L/C1
其中C1为光在光纤中的速度，L为光纤长度，如果我们测出了T1则
C1 = L/T1
再由C1/C0 = n0 /n1 求出光纤的平均折射率n1=(C0/C1)n0
其中C1为光在光纤中的速度，C0为光在空气中的速度，n0为空气的折射率
七、参考文献
《大学物理实验教程》邮电大学邮电大学物理实验中心编
邮电大学物理实验中心/jpjs/szdw.htm
清华大学物理实验中心166.111.27.130/
八、物理实验课程小结
1.学习课程的收获:
学习了《大学物理实验》这一课程后使我受益匪浅。

从基础知识到所学容的综合应用，以及独立研究都获得了很大的提高。

在物理实验课程的学习过程中，老师认真讲解实验所用到的基础理论知识，并严格按照数据测量、误差分析、数据处理、实验结果分析的步骤要求我们。

是我们练就了一套系统的、扎实的实验方法的基本功。

最值得一提的是，这一课程采用了多形式、多元化的考试模式。

采取课题小论文、设计实验、自主学习实验、创新训练实验、总结报告相结合，理论与实际操作相结合.我个人对那些结合课本知识自主设计的小实验比较感兴趣，这类实验大大提高了我们独立学习的能力和自主创新的能力，并培养了我们的科研兴趣。

2.对物理实验课程的意见或建议
⑴在平时多开放物理实验室,可以让大家在课余时间也可以进行实验,如课上完不成的选做容以及同学们设想的各种创新实验
⑵开展创新大赛,同一种实验谁能设计出更好的方案奖获奖
3.自己对课程的希望
希望在实验中心的上能放一些关于实验的视频,使我们在实验前就能对实验有一个直观的了解,不至于在实验室对仪器过于生疏,不了解怎样使用.。