音频的光纤传输及数字化编码

物理选做实验一

音

频

光

纤

传

输

网络工程 1101 班

111330125

杜易初

目录

概要

一、实验报告

1.实验名称

2.实验目的

3.仪器设备

4.实验原理

4.1 原理概述

4.2 系统组成

4.3 光导纤维的结构及传光原理

4.4 半导体发光二极管结构、工作原理、特性及驱动、调制电路

4.5 半导体光电二极管的结构、工作原理及特性

5.实验过程及数据

5.1 LED的伏安特性的测定

5.2 LED-传输光纤组件电光特性的测定

5.3 光电二极管反向伏安特性曲线的测定

二、音频信号数字化编码浅析

1.音频信号的形式

2.音频的数字化过程

2.1采样率（sample rate）

2.2采样深度（sample depth)

3.常见数字音频的文件格式

概要：

第一部分为完整的实验报告，第二部分为查阅科技文献后整理的小论文。

一．实验报告

1.实验名称

音频信号光纤传输实验

2.实验目的

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的结构及选配各主要部件的原则；

学习分析集成运放电路的基本方法；

训练音频信号光纤传输系统的测试技术。

3.仪器设备

YOF—B型音频信号光纤传输技术实验仪；

音频信号发生器；

示波器；

数字万用表。

4.实验原理

4.1原理概述

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。

4.2系统组成

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。

4.3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。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。按光纤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。

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。

4.4半导体发光二极管结构、工作原理、特性及驱动、调制电路

本实验采用LED 作光源器件。

图3 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。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= E g

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。

本实验采用HFBR-1424型半导体发光二极管。

下图为电信号转换成光信号的过程与光信号转换成电信号的过程：

4.5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E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。

5.实验过程及数据

5.1 LED的伏安特性的测定