音頻信號的光纖傳輸+實驗報告.doc

音頻信號光纖傳輸實驗 摘要: 實驗通過對LED-傳輸光纖組件的電光特性的測量，得出了在合適的偏置電流下，其具有線性。驗證了硅光電二極管可以把傳輸光纖出射端輸出的信號轉(zhuǎn)變成與之成正比的光電流。AbstracfThe 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.實驗的歷史地位:光纖自20世紀(jì)60年代問世以來，其在遠距離信息傳輸方面的應(yīng)用得到了突飛猛進的發(fā)展，以光纖作為信息傳輸介質(zhì)的“光纖通信”技術(shù)，是世界新技術(shù)革命的重要標(biāo)志，也是未來信息社會各種信息網(wǎng)的主要傳輸工具。隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展,一個以微電子技術(shù),激光技術(shù),計算機技術(shù)呵現(xiàn)代通信技術(shù)為基礎(chǔ)的超高速寬帶信息網(wǎng)將使遠程教育.遠程醫(yī)療.電子商務(wù).智能居住小區(qū)越來越普及.光纖通信以其諸多優(yōu)點將成為現(xiàn)代通信的主流,未來信息社會的一項基礎(chǔ)技術(shù)和主要手段.2.實驗?zāi)康?了解音頻信號光纖傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)熟悉半導(dǎo)體電光/光電器件的基本性能及主要特性的測試方法了解音頻信號光纖傳輸系統(tǒng)的調(diào)試技能3.待解決的幾個主要問題:聲音是一種低頻信號，你可能有這樣的經(jīng)歷，當(dāng)你說話的聲音較低時，只有你旁邊的人可以聽見你的聲音，要讓聲音傳的遠些你必須大聲喊。這說明了低頻信號的傳播受周圍環(huán)境的影響很大，傳播的范圍有限。為了解決上述的問題，在通信技術(shù)中一般是使用一個高頻信號作為載波利用被傳輸?shù)男盘枺ㄈ缫纛l信號）對載波進行調(diào)制。當(dāng)信號到達傳輸?shù)攸c時需要對信號進行解調(diào)，也就是將高頻載波濾掉，最終得到被傳輸?shù)囊纛l信號。隨著通信容量的增加和信息傳遞速度的加快，上述傳播過程的缺陷也暴露了出來，主要為以下幾點：1信號間的干擾；2 對接手端和發(fā)射端阻抗匹配要求較高；3 傳播速度受到一定的限制。專家們一致認為解決上述問題的關(guān)鍵是利用光作為信號的載體，也就是所說的光纖通信。本實驗的目的就是去了解光纖傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，以及半導(dǎo)體電光/光電器件的基本性能及主要特性的測試方法。二. 實驗介紹1.實驗原理通信基本原理通信，簡單點說就是信息的傳輸。比如打電話，就是將我們的聲音傳輸?shù)胶苓h的地方，這就是一種通信。下面就是通信系統(tǒng)組成示意圖。 光纖通信所謂光纖通信，就是用激光做載波，光纖為傳輸媒質(zhì)的信號傳輸。下圖所示為直接光強調(diào)制光纖傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理方塊圖。它主要包括光信號發(fā)送器，傳輸光纖，光信號接收器三部分組成。 但是，要確保接收到的信號與我們發(fā)送的信號一樣，要求傳輸過程中的各種變換都必須是線性變換。因此，只有在各部分共有的線性工作頻率范圍內(nèi)的信號才能通過傳輸系統(tǒng)而不失真。對于語音信號，頻譜在3003400 范圍內(nèi)，由于光導(dǎo)纖維對光信號具有很寬的頻帶，故在音頻范圍內(nèi)，整個系統(tǒng)的頻帶寬度主要決定于發(fā)送端調(diào)制放大電路和接收端功放電路的幅頻特性。發(fā)光二極管(LED)的電光特性LED的P-I特性曲線光纖通信系統(tǒng)中使用的LED的光功率是經(jīng)稱為尾纖的光導(dǎo)纖維輸出，出纖光功率與LED驅(qū)動電流的關(guān)系稱為電光特性。為了避免和減少非線性失真，使用時應(yīng)先給LED一個適當(dāng)?shù)钠秒娏鱅，其值等于這一特性曲線線性部分中點對應(yīng)的電流值，而調(diào)制信號的峰峰值應(yīng)位于電光特性的直線范圍內(nèi)。光信號的發(fā)送 光信號發(fā)送器的原理圖被傳音頻信號由以IC1為主要元件構(gòu)成的音頻放大電路放大后經(jīng)電容器 藕合到BG1基極，對LED的工作電流進行調(diào)制，從而使LED發(fā)送出光強隨音頻信號變化的光信號，并經(jīng)光導(dǎo)纖維把這一信號傳至接收端。對于高頻信號，電容可看作短路；對于低頻信號，電容可看作開路，且電容越大，允許通過的最低頻率就越低。只要 選得足夠小（只允許高頻信號通過）， 選得足夠大（較低頻率的信號也可通過，但仍有截止頻率），則在要求帶寬的中頻范圍內(nèi)， 的阻抗很大，它所在支路可視為開路，而 的阻抗很小，它可視為短路。 在此情況下，根據(jù)運放電路的特性計算出：放大電路的閉環(huán)增益為 C3的大小決定了高頻端的截止頻率f2，而C2的值決定著低頻端的截止頻率f1。故該電路中的R1,R2,R3,C2和C3是決定音頻放大電路增益和帶寬的幾個重要參數(shù)。 4.光信號的接收光電檢測器件SPD： 響應(yīng)度：描述光電檢測器光電轉(zhuǎn)換能力的一種物理量。定義為：其中：I為光電檢測器的平均輸出電流； P為光電檢測器的平均輸入功率。光信號接收器原理圖光信號的接收主要是利用 硅光電二極管 (SPD)把傳輸光纖出射端輸出的光信號的光功率轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之成正比的光電流I0 ，然后經(jīng)I / V 轉(zhuǎn)換電路再把光電流轉(zhuǎn)換成電壓V0輸出 。V0和I0之間有以下關(guān)系： 以IC3 為主要元件構(gòu)成的是一個集成音頻功放電路，只要調(diào)節(jié)外接的電位器Wnf，就可改變功放電路的電壓增益，功放電路中電容Cnf的大小決定著該電路的下限截止頻率。2.實驗設(shè)計思想: 音頻信號的光纖傳輸系統(tǒng)主要包括：光信號發(fā)送器；傳輸光纖以及光信號接收器。三個部分。光信號發(fā)送器由半導(dǎo)體發(fā)光二極管（Light Emitted Diode 簡稱LED），以及由它的調(diào)制、驅(qū)動電路組成；光信號接收器包括了發(fā)光二極管的電流/電壓（I/V）轉(zhuǎn)換電路和功放電路。組成該系統(tǒng)時，光源LED的發(fā)光中心波長必須在傳輸光纖呈現(xiàn)低損耗的 、 或 附近，光電檢測器件的峰值響應(yīng)波長也應(yīng)與此接近。本實驗采用發(fā)光中心波長為0.85 的半導(dǎo)體發(fā)光二極管作光源，峰值響應(yīng)波長為 5 的硅光電二極管（Silica Photo Diode 簡稱 SPD）作光電檢測元件。 在傳播過程中，為了避免或減小波形失真，要求載波的頻率寬度能覆蓋被傳信號的頻率范圍。由于光導(dǎo)纖維對光信號具有很寬的頻帶，完全可以將頻譜在3003400 范圍的音頻信號覆蓋。整個系統(tǒng)的頻帶寬度（即可傳信號的頻率寬度）主要決定于發(fā)送端調(diào)制放大電路和接收端功放電路的幅頻特性。光信號發(fā)送器：光信號發(fā)送器由信號放大電路，和LED的驅(qū)動電路組成。放大后的信號進入右側(cè)的信號發(fā)送系統(tǒng)。LED的正常工作需要有一定的正向偏壓，一般是在1.2-1.4V之間，光功率與LED驅(qū)動電流的關(guān)系稱為電光特性。由NPN三極管構(gòu)成的LED的驅(qū)動電路，就是給LED提供正常工作所需的正向偏壓。本實驗儀LED最大允許工作電流為50mA，把偏置電流選為LED最大允許工作電流的一半，可使LED獲得無截止畸變幅度最大的調(diào)制，有利于信號的遠距離傳送。光信號接收器：光信號接收器由光電轉(zhuǎn)換器和集成音頻功放電路組成。光電轉(zhuǎn)換器是由峰值響應(yīng)波長與發(fā)送端LED的發(fā)光中心波長很接近的硅光電二極管（SPD）和運算放大器組成。硅光電二極管的任務(wù)是把傳輸光纖出射端輸出光信號的光功率轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之成正比的光電流I0，然后經(jīng)運算放大器組成的I / V 轉(zhuǎn)換電路把光電流轉(zhuǎn)換成電壓V0輸出，然后經(jīng)功放電路放大后還原成音頻信號播放。三.實驗儀器本實驗使用的是四川大學(xué)物理系研制的YOFA型音頻信號光纖傳輸技術(shù)實驗儀，包括：1.光纖2.雙蹤示波器 功率計、音頻信號發(fā)送器和音頻信號接收器3.音頻信號發(fā)生器四.實驗內(nèi)容本實驗包括了以下幾部分內(nèi)容：1 光信號發(fā)送器特性的研究（1）LED傳輸光纖組件電光特性的測定（2） LED 偏置電流與無截止畸變最大調(diào)制幅度關(guān)系的測定（3） 光信號發(fā)送器調(diào)制放大電路幅頻特性的測定2. 光信號接收器特性的研究(1) 硅光電二極管特性及響應(yīng)度的測定(2) 光信號的檢測(3) 光電信號的放大 3.原始數(shù)據(jù)表格LED傳輸光纖組件電光特性的測量I偏(mA)048121620光功率P(uW)012.017.1硅光電二極管特性及響應(yīng)度的測試 Rf=23.8(k)I偏(mA)048121620Vo(mV)7.29.521.849.388.2135.1LED偏執(zhí)電流與無截止畸變最大調(diào)制幅度關(guān)系的測定:f=1KHz,測量中,如mA表指針在原設(shè)定的偏執(zhí)電流附近擺動,盡管波形畸變不明顯,但說明輸出已失真,此時應(yīng)減小信號的調(diào)制幅度.I偏(mA)048121620電壓峰值(mA)(峰-峰值)12.556110170250280光信號發(fā)送器調(diào)制放大電路幅頻特性的測定:I偏=15mA,Vi=10mv時F(kHz)0.10.511.522.533.5Vi(mV)1010101010101010Vo(mV)300300300300290290290287F(kHz)44.5579121620Vi(mV)101010987.565.8Vo(mV)280275265235210180140110光信號的檢測:I偏=15mA,Vi=10mVF(kHz)0.10.8511.522.533.5發(fā)送器Vo(mV)300300300290290280280265接收器Vo(mV)6565687070706868F(kHz)44.5579121620發(fā)送器Vo(mV)250250240210190150120100接收器Vo(mV)6565605550403020五.數(shù)據(jù)處理:LED電光特性曲線文字描述: 由圖像可以看出在4mA到19mA之間成線性關(guān)系IP特性曲線I0.3025210.399160.9159662.0714293.7058825.676471光功率P(uW)01217.1R=I/P=(0.915966-0.39916)/( 3.8-1.3)= 0.206722LED偏置電流與無截止畸變最大調(diào)制幅度的關(guān)系曲線Vmax-I偏放大倍數(shù)隨頻率變化的關(guān)系曲線:F(kHz)0.10.511.522.533.5G3030303029292928.7F(kHz)44.5579121620G2827.526.526.1111126.252423.3333318.96552可以看出在大于運放的截止頻率和飽和頻率之間，運放放大倍數(shù)最大，隨著頻率的增加運放的放大功能減弱。發(fā)送器Vo(mV), 接收器Vo(mV)曲線由圖像可以看出來，電勢隨著頻率的增大而變小。5.實驗中常見問題的分析 （1）發(fā)送器W1和W2在實驗前（開機之前）和實驗后都要逆時針旋轉(zhuǎn)到最小，防止開機就有較大的電流損壞LED； （2）LED上的直流偏置電流要小于20mA，否則會燒壞LED； （3）調(diào)節(jié)音頻信號發(fā)生器輸出的正弦信號的幅度，使其峰峰值小于等于20mV（實驗過程中保持Vi20mV峰峰值）； （4）實驗過程中如果出現(xiàn)截止或飽和削波失真，說明調(diào)制信號幅度過大，要適當(dāng)減小調(diào)制信號幅度，保證不失真； （5）當(dāng)調(diào)制幅度過強時，毫安表指示會在原來設(shè)定的偏置電流的附近左右擺動，要減小調(diào)制信號幅度。1 線路連接沒有問題，示波器、信號發(fā)生器均工作正常，但屏幕上沒有信號，或者只有干擾信號。 2測量中，偏流調(diào)不到要求的20mA。這種情況大多是由于輸入信號太大，造成輸出波形失真，從而導(dǎo)致該現(xiàn)象發(fā)生。測量出的信號轉(zhuǎn)換功率太低，只有10幾個W。正常情況下，輸出功率應(yīng)能達到20至30幾個W。 如果數(shù)值較低，一種情況可能是光纖離光源的距離較遠造成的（光纖距透鏡太遠），教師可以將接口處打開，調(diào)整這一距離，也可以請實驗室人員處理。另一種情況也可能是LED被燒壞。六、實驗結(jié)論1.實驗通過對LED-傳輸光纖組件的電光特性的測量，得出了在合適的偏置電流下，其具有線性。驗證了硅光電二極管可以把傳輸光纖出射端輸出的信號轉(zhuǎn)變成與之成正比的光電流。2. 拓展實驗內(nèi)容光纖中的傳播時間和速度由于光在透光介質(zhì)中的傳播速度反比于介質(zhì)的折射率C = Kn-1因此可以斷定光在光纖中的傳播速度小于光在空氣中的傳播速度C0 3108m/s.本實驗通過測量一串光脈沖信號在一個特定長度光纖中的傳播時間，來求出光在光纖中的傳播速度，從而算出光纖的平均折射率。我們在光纖的輸入端輸入一連串穩(wěn)定的光脈沖信號，并在光纖的輸出端接收這些信號，由于光纖的長度引起一個脈沖信號的時間延遲T1T1 =L/C1其中C1為光在光纖中的速度，L為光纖長度，如果我們測出了T1則C1 = L/T1再由C1/C0 = n0 /n1 求出光纖的平均折射率n1=(C0/C1)n0其中C1為光在光纖中的速度，C0為光在空氣中的速度，n0為空氣的折射率七、參考文獻大學(xué)物理實驗教程 北京郵電大學(xué)出版社 北京郵電大學(xué)物理實驗中心編北京郵電大學(xué)物理實驗中心 /jpjs/szdw.htm清華大學(xué)物理實驗中心 30/八、物理實驗課程小結(jié)1.學(xué)習(xí)課程的收獲:學(xué)習(xí)了大學(xué)物理實驗這一課程后使我受益匪淺。從基礎(chǔ)知識到所學(xué)內(nèi)容的綜合應(yīng)用，以及獨立研究都獲得了很大的提高。在物理實驗課程的學(xué)習(xí)過程中，老師認真講解實驗所用到的基礎(chǔ)理論知識，并嚴格按照數(shù)據(jù)測量、誤差分析、數(shù)據(jù)處理、實驗結(jié)果分析的步驟要求我們。是我們練就了一套系統(tǒng)的、扎實的實驗方法的基本功。最值得一提的是，這一課程采用了多形式、多元化的