音频信号光纤传输技术

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可通过全反通信的优点是光纤具有极大的传输信息的能力,传输损耗低, 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。
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。 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。
约翰· 丁达尔(John Tyndall, 1820~1893年) ,英国物理学家, 英国皇家学会物理学教授,著名 物理学家、化学家迈克尔· 法拉第 的学生和朋友 。首先发现和研究 了胶体中的丁达尔效应。这主要 是胶体中分散质微粒散射出来的 光。
高锟,Charles K.Kao,男,拥有英 国和美国双重国籍的物理学家、 2009年诺贝尔物理学奖得主。从 1957年开始,高锟即从事光导纤维 在通讯领域运用的研究。被称为 “光纤之父”。
【数据处理】
(1)描绘LED——传输光纤组件的电光特性曲线。
(2)描绘SPD的光电特性曲线,计算它在LED发光波长处的响应度R。
(3)总结分析在什么情况下被传输信号失真。
(一)LED——传输光纤组件电光特性的测定数据记录表:
偏置电流 ID(mA) 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0
4 实验步骤 光信号的调制与发送实验 . (必作)LED——传输光纤组件电光特性的测定,详见教材P.426。 实验要求调制电流每次增加2mA,直到最大值(约18~20mA)。 . (必作)LED偏置电流与无截止畸变最大调制幅度关系的测定,详见 教材P.426。 实验要求调制电流每次增加2mA,直到最大值(约18~20mA)。 注意每次调偏置电流时前,先将信号源的输出辐度调为零。 上电压波形的峰一峰值Ve-pp与最大调制电流幅度Ie-pp的关系是 Ie-pp=Ve-pp/ (11-1) . (选做)光信号发送器调制放大电路幅频特性的测定,详见教材P.42 6-427。
一个光纤通信系统示意图
3 实验原理
系统的组成
要保证接收信号与发送信号一样(不失真), 要求各种传输变换 (光/电和电/光)都必须是线性变换。对于语音信号,频谱在300— 3400Hz范围.整个系统的幅频特性主要决定于发送器和接收器。
3 实验原理 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 号发生器、传输光纤和由硅光电二极管SPD、前置电路和功放电路组成 的光信号接收器三个部分。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0.85 m、1.3 m或1.6 tm附近,光电检测器件 SPD的峰值响应波长也应与此接近。
音频信号光纤传输技术
大学物理实验中心
1 实验目的 (1)了解音频信号光纤传输系统的结构 (2)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
(3)学习音频信号光纤传输系统的调试技能
音频信号
光波调幅 发送
光接收 解调
音频信号
2 实验背景 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. 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。
4 实验步骤 光信号的接收实验 . (必作)硅光电二极管光电特性及响应度的测定,详见教材P.427。 实验要求调制电流每次增加2mA,直到最大值(约18~20mA)。 SPD光电流与I一V变换电路的输出电压之间的关系是 Io=Vo/Rf (11-2) 根据测量结果和LED的电光特性描绘SPD的光电特性和计算它在0.85 波长 处的响应度(单位是μ A/μ W): R=Δ Io/Δ Po (11-3) . (必做)语音信号的传输。 将音频信号(由收音机或单放机产生)接入发送器的输入端,接收器功放 输出端接上4 的扬声器,试验整个音频信号光纤传输系统的音响效果。试 验时,可适当调节发送器的LED偏置电流、调制放大电路反馈电阻及接收 器功放电路的 等系统参数,考察传输系统的听觉效果并用示波器监测系 统的输入和输出信号的波形变化。
偏置电流 ID(mA) 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0

光功率 Po(μW)
输出电压 Vo(mA)
光电流 Io(μA)
注意事项
1.实验前,电位器W1和W2逆时针旋到最小。 2.未加入交流信号时,LED的直流偏置电流最大不超过50mA。 3. 加入交流信号时,W1由最小开始调节。 要保证信号峰峰值小于20mV,否则烧毁实 验器件。 4.光滩头已处于最佳位置,不要调节。 5.光纤不能用力拉,容易断。 6.实验完毕,其他连线不要拆。
R2 30kW C3
2000pF mA
+Ec
R3 30kW Rb C1 +
4.7mF
LED
- + + R4 IC1
C4 +
w1

光波
w2
C2
R1
BG1
Re
传输光纤
1kW
-W 1k
-
LED的驱动和调制电路
调制光波
3 实验原理
(4)光信号接收器
I 0 •SPD响应度R: R P0
0.25~0.5mA/mW。
3 实验内容 (3) LED偏置电流与无截止畸变最大调制幅度关系的测定 用低频函数信号发生器作信号源(频率为1KHz的正弦波), 在LED偏置电流为20mA﹑30mA﹑40mA等各种情况下,调节函数信号 发生器输出幅度旋钮,用示波器测量无畸变时最大调制幅度。
3 实验内容 (4) 语音信号的传输 •开启随身听,在保持偏置电流不大于50mA的情况下,根据实验 情况适当调节发送器一侧的输入信号幅度、LED的偏置电流或接 收器前面板的“功放增益调节(wnf)”旋钮。 观察其产生的效果,并用示波器观察输入和输出波形的变化。
•本实验采用中心波长0.85μ m的CaAs半 导体发光二极管.
电光特性曲 线
ID
3 实验原理
(2)LED的偏置电流与失真
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 特性的直线范围内。对于非线性失真要求不高的情况,也可把偏置电流选为LED 最大允许工作电流的—半,这样可使LED获得无截止畸变幅度最大的调制。
•光电转换电路的输出电压:VO=IORf.
IC3 IC2
光信号接收器的电路原理图
光信号接收器
3 实验内容 (1) LED——传输光纤组件电光特性的测定
(2) 硅光电二极管光电特性及响应度的测定
(3) LED偏置电流与无截止畸变最大调制幅度关系的测定 (4) 语音信号的传输
实验仪器
光功率计
光信号接收器
半导体发光二极管(LED)的结构及工作原理
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内与空穴复 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。
光功率 Po(μW)
(二)LED偏置电流与无截止畸变最大调制幅度关系的测定数据 记录表: Re Ω
偏置电流 ID(mA) 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0
最大不失真电压Ve-pp(mV)
最大调制电流Ie-pp(mA)
(三)硅光电二极管光电特性及响应度的测定数据记录表: Rf
光信号发生器
音频信号发生器
3 实验内容 (1) LED——传输光纤组件电光特性的测定
•绘出LED电光特性P0-ID曲线
•调节W1,LED偏置电流ID从0.00 mA~22.00mA,步长 2.00mA。
w2
光功率计
3 实验内容 (2) 硅光电二极管光电特性及响应度的测定 LED偏置电流I从0.00 mA~22.00mA,步长 2.00 mA,用示波器 (或数字万用表)测光电转换输出电压Vo 。
ID-P0曲线
偏置电流ID
偏置电流过大,出现饱和失真
LED无失真时的调制输出信号 偏置电流过小,出现截止失真
最大调制幅度
无失真时的偏置电流I
光功率P0 图5-31-3 LED信号调制输出
时间 t
3 实验原理
(3)LED的驱动及调制电路
驱动电路:BG1放大器。 W1 :调节音频信号的幅度。
W2:调节LED偏置电流在0~80mA变化。
到1980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。
3 实验原理
光纤: 常用光纤是由各种导光材料做成的纤维丝,有石英光纤、玻璃光
纤和塑料光纤等多种。 光纤结构: 分两层,内层为纤芯,外层称包层,芯的折射率略大于包层, 利用光在内芯的折射或在芯与包层界面上的全反射实现光的传播。光波
h E1 E2 Eg
3 实验原理
(1) LED的电光特性
•LED作用:电/光转换
ID
•LED的出纤光功率Po与驱动电流ID的关系称为 电光特性(Po-ID)。
•LED的发光中心波长选择要与光纤的低损耗 传输波长以及SPD的峰值响应波长相适应。
P
P
•光纤通信常用LED的发光中心波长为: 0.85μ m、1.3μ m、1.6μ m.
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