音頻信號光纖通信

1、音頻信號光纖傳輸實驗實驗?zāi)康?.        了解音頻信號光纖傳輸?shù)姆椒?、結(jié)構(gòu)及選配各主要部件的原則。2.        熟悉半導(dǎo)體電光/光電器件的基本性能及其主要特性的測試方法。3.        學(xué)習(xí)分析音頻信號集成運放電路的基本方法。4.        訓(xùn)練音頻信號光纖傳

2、輸系統(tǒng)的調(diào)試技術(shù)。實驗儀器YOF-A音頻信號光纖傳輸技術(shù)實驗儀、光功率計、多波段收音機、音箱實驗原理一、系統(tǒng)的組成圖1示出了一音頻信號光纖傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖，它由半導(dǎo)體發(fā)光二極管LED及其調(diào)  制、驅(qū)動電路組成的光信號發(fā)送部分、傳輸光纖部分和由硅光電池、前置電路和功放電路組成的光信號接收三個部分組成。圖1 光纖傳輸系統(tǒng)原理圖    塑料光纖很柔軟，而且可以彎曲，加工很方便。在光信息處理技術(shù)、光學(xué)計量、短距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫嬉勋@得較好的應(yīng)用。本系統(tǒng)中，我們采用的傳輸光纖是進口低損耗多模塑料光纖，它的纖維直徑是lmm，芯徑為99

3、0m，包層厚度為5m。半導(dǎo)體發(fā)光二極管是采用發(fā)光亮度很高的可見紅色光發(fā)光二極管作為光源，光電轉(zhuǎn)換采用高靈敏的硅光電池作為轉(zhuǎn)換元件，整個傳輸過程一目了然。    為了避免或減少諧波失真，要求整個傳輸系統(tǒng)的頻帶寬度要能復(fù)蓋被傳信號的頻譜范圍，對于語音信號，其頻譜在300-3400Hz的范圍內(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。二、半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)的結(jié)構(gòu)及工作原理光纖通訊系統(tǒng)中對光源器件在發(fā)光波長、電光功率、工作壽命、光譜寬度和調(diào)制性能等許多方面均有特殊要求。

4、所以不是隨便哪種光源器件都能勝任光纖通訊任務(wù)，目前在以上各個方面都能較好滿足要求的光源器件主要有半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)和半導(dǎo)體激光器(LD)。光纖傳輸系統(tǒng)中常用的半導(dǎo)體發(fā)光二極管是一個如圖2所示的N-p-P三層結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，中間層通常是由直接帶隙的GaAs(砷化鎵)p型半導(dǎo)體材料組成，稱有源層，其帶隙寬度較窄，兩側(cè)分別由AlGaAs的N型和P型半導(dǎo)體材料組成，與有源層相比，它們都具有較寬的帶隙。具有不同帶隙寬度的兩種半導(dǎo)體單晶之間的結(jié)構(gòu)稱為異質(zhì)結(jié)，在圖2中，有源層與左側(cè)的N層之間形成的是P-N異質(zhì)結(jié)，而與右側(cè)P層之間形成的是p-P異質(zhì)結(jié)，敵這種結(jié)構(gòu)又稱N-p-P雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，簡稱DH結(jié)構(gòu)

5、。當(dāng)給這種結(jié)構(gòu)加上正向偏壓時，就能使N層向有源層注入導(dǎo)電電子，這些導(dǎo)電電子一旦進入有源層后，因受到右邊p-P異質(zhì)結(jié)的阻擋作用不能再進入右側(cè)的P層，它們只能被限制在有源層內(nèi)與空穴復(fù)合，導(dǎo)電電子在有源層與空穴復(fù)合的過程中，其中有不少電子要釋放出能量滿足以下關(guān)系的光子：                             

6、;    (1)其中h是普朗克常數(shù)，是光波的頻率，E1是有源層內(nèi)導(dǎo)電電子的能量，E2是導(dǎo)電電子與空穴復(fù)合后處于價鍵束縛狀態(tài)時的能量。兩者的差值Eg與DH結(jié)構(gòu)中各層材料及其組份的選取等多種因素有關(guān)，制做LED時只要這些材料的選取和組份的控制適當(dāng)，就可使得LED的發(fā)光中心波長與傳輸光纖的低損耗波長一致。所以為了減少損耗，LED發(fā)光波長應(yīng)與傳輸光纖的低損耗波長一致，在實際通訊系統(tǒng)中，LED發(fā)出的光介于可見光的邊遠(yuǎn)區(qū)域。圖2 半導(dǎo)體發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)及工作原理光纖通訊系統(tǒng)中使用的半導(dǎo)體發(fā)光二極管的光功率為光導(dǎo)纖維的尾纖輸出功率，出纖光功率與LED驅(qū)動電流

7、的關(guān)系稱LED的電光特性，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，其修正等于這一特性曲線線性部分中點對應(yīng)的電流值，而調(diào)制信號的峰一峰值應(yīng)位于電光特性的直線范圍內(nèi)。對于非線性失真要求不高的情況，也可把偏置電流選為LED最大允許工作電流的一半，這樣可使LED獲得無截止畸變幅度最大的調(diào)制，這有利于信號的遠(yuǎn)距離傳輸。三、光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)及傳光原理    衡量光導(dǎo)纖維性能好壞有兩條重要指標(biāo)：一是看它的傳輸信息的距離有多遠(yuǎn)；二是看它攜帶的信息量有多大，前者決定于光纖的損耗特性，后者決定于光纖的脈沖響應(yīng)或基帶頻率特性。  &

8、#160; 經(jīng)過人們對光纖材料的提純，目前己使光纖的損耗容易做到20dB/Km以下。光纖的損耗與工作波長有關(guān)，所以在工作波長的選用上，應(yīng)盡量選用低損耗的工作波長，光纖通信最早是用短波長085um，近來發(fā)展至用13155um范圍的波長，因為在這一波長范圍內(nèi)光纖不僅損耗低，而且“色散”也小。    光纖的脈沖響應(yīng)或它的基帶頻率特性又主要決定于光纖的模式性質(zhì)。光纖按其模式性質(zhì)通常可以分成兩大類：(1)單模光纖；  (2)多模光纖。無論單模或多模光纖，其結(jié)構(gòu)均由纖芯和包層兩部分組成。纖芯的折射率較包層折射率大，對于單模光纖，纖芯直徑只有510

9、m，包層直徑為125m。在一定條件下，只允許一種電磁場形態(tài)的光波在纖芯內(nèi)傳播，多模光纖的纖芯直徑為202000m，包層厚度為35m，允許多種電磁場形態(tài)的光波傳播。按其折射率沿光纖截面的徑向分布狀況又分成階躍型和漸變型兩種光纖，對于階躍型光纖，在纖芯和包層中折射率均為常數(shù)，但纖芯折射率n，略大于包層折射率n：。所以對于階躍型多模光纖，可用幾何光學(xué)的全反射理論解釋它的導(dǎo)光原理。在漸變型光纖中，纖芯折射率隨離開光纖軸線距離的增加而逐漸減小，直到在纖芯一包層界面處減到某一值后，在包層的范圍內(nèi)折射率保持這一值不變，根據(jù)光射線在非均勻介質(zhì)中的傳播理論分析可知：經(jīng)光源耦合到漸變型光纖中的某些射線，在纖芯內(nèi)是

10、沿周期性地彎向光纖軸線的曲線傳播。本實驗采用階躍型多模塑料光纖作為信道，它具有芯折射率高，皮折射率低，芯和皮的交界面很清楚的特點。下面應(yīng)用幾何光學(xué)理論進一步說明這種光纖的傳光原理。階躍型多模光纖的結(jié)構(gòu)如圖3所示，它由纖芯和包層兩部分組成，芯子的半徑為a，折射率為n1：包層的外徑為B，折射率為n2，且n1>n2。圖3 階躍型多模光纖的結(jié)構(gòu)示意圖   當(dāng)一光束投射到光纖端時，進入光纖內(nèi)部的光射線若在光纖入射端面處的入射面包含光纖軸線的，稱為子午射線，這類射線在光纖內(nèi)部的行徑，是一條與光纖軸線相交、呈“Z”字形前進的平面折線：若耦合到光纖內(nèi)部的光射線在光

11、纖入射端面處的入射面不包含光纖軸線，稱為偏射線，偏射線在光纖內(nèi)部不與光纖軸線相交；其行徑是一條空間折線，以下我們只對子午射線的傳播性進行分析。圖4 子午傳導(dǎo)射線和漏射線   參看圖4，假設(shè)光纖端面與其軸線垂直。如前所述，當(dāng)一光線射到光纖入射端面時的入射面包含了光纖的軸線，則這條射線在光纖內(nèi)就會按子午射線的方式傳播。根據(jù)Snell定律及圖4所示的幾何關(guān)系有：               （1） &#

12、160;                          （2）   其中n0是光纖入射端面左側(cè)介質(zhì)的折射率。通常，光纖端面處于空氣介質(zhì)中，故n21。    由(2)式可知：如果所論光線在光纖端面處的入射角。較小，則它折射到光纖內(nèi)部后投射到芯子包層界面處的入射角。有可

13、能大于由芯子和包層材料的折射率n1和n2按下式?jīng)Q定的臨界角：                                  (3)在此情形下光射線在芯子包層界面處發(fā)生全內(nèi)反射。該射線所攜帶的光能就被局限在纖芯內(nèi)部而不外溢，滿足這一條件的射線稱為傳導(dǎo)射線。 

14、   隨著圖4中入射角1的增加，角就會逐漸減小，直到時，子午射線攜帶的光能均可被局限在纖芯內(nèi)。在此之后，若繼續(xù)增加1，則角就會變得小于。這時子午射線在芯子包層界面的每次反射均有部分能量溢出纖芯外，于是光導(dǎo)纖維再也不能把光能有效地約束在纖芯內(nèi)部，這類射線稱為漏射線。    設(shè)與對應(yīng)的1為1max，由上所述，凡是以1max為張角的錐體內(nèi)入射的子午射線，投射到光纖端面上時，均能被光纖有效地接收而且約束在纖芯內(nèi)。根據(jù)（2）式有：因其中n0表示光纖入端面空氣一側(cè)的折射率，其值為1，故：通常把上式定義為光纖的理論數(shù)值孔徑（Numerical Ap

15、eture）用英文字符NA表示。                 （4）它是一個表征光纖對子午線捕獲參數(shù)，其值只與纖芯和包層的折射率n1和n2有關(guān)，與光纖的半徑r無關(guān)。在（4）式中                     

16、;      （5）稱為纖芯包層之間的相對折射率差，愈大，光纖的理論數(shù)值孔徑NA愈大，表明光纖對于午射線捕獲的能力愈強，亦即由光源發(fā)出的光功率更易于耦合到光纖的纖芯內(nèi)，這對于作傳光用的光纖來說是有利的，但對于通訊用的光纖，數(shù)值孔徑愈大，模式色散也增加，這不利于傳輸容量的提高。四、LED的驅(qū)動及調(diào)制電路音頻信號光纖傳輸系統(tǒng)發(fā)送端LED的驅(qū)動和調(diào)制電路如圖5示，以BGl為主組成的電路是LED的驅(qū)動電路，調(diào)節(jié)這一電路中的W2可使LED的偏置電流在0-60mA的范圍內(nèi)變化。被傳音頻信號經(jīng)由數(shù)字解調(diào)電路或ICl組成的音頻放大電路放大后再經(jīng)電容器

17、C耦合到BGl的基極，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。圖5 LED的驅(qū)動和調(diào)制電路 根據(jù)運放電路理論圖5中音頻放大電路的閉環(huán)增益為：                                

18、;  (6)  其中Z2、Z1分別為放大器反饋阻抗和反相輸入端的接地阻抗，只要C3選得足夠小，C2選得足夠大，則在要求帶寬的中頻范圍內(nèi)，C3的阻抗很大，它所在支路可視為開路，而C2的阻抗很小，它可視為短路，在此情況下，放大電路的閉環(huán)增益。C3的大小決定著高頻端的截止頻率f2，而C2的值決定著低頻端的截止頻率f1。故該電路中的R2、R3，R4和C2，C3是決定音頻放大電路增益和帶寬的幾個重要參數(shù)。五、光信號接收器圖6是光信號接收器的電路原理圖，其中SPD是峰值響應(yīng)波長與發(fā)送端LED光源發(fā)光中心波長很接近的硅光電池，SPD的任務(wù)是把經(jīng)傳輸光纖出射端輸出的光信

19、號的光功率轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之成正比的光電流I。然后經(jīng)ICl組成的I-V轉(zhuǎn)換電路，再把光電流轉(zhuǎn)換成電壓V。輸出，V0與I0之間具有以下比例關(guān)系：                                       

20、; (7)以IC2(LA4112)為主構(gòu)成的是一個音頻功放電路，該電路的電阻元件(包括反饋電阻在內(nèi))均集成在芯片內(nèi)部，只要調(diào)節(jié)外接的電位器W2，可改變功放電路的電壓增益，從而可以改變功放電路的輸出功率，功放電路中電容CNf的大小決定著該電路的下限截上頻率。實驗內(nèi)容一、光信號的調(diào)制與發(fā)送實驗    11  LED-傳輸光纖組件電光特性的測定半導(dǎo)體發(fā)光二極管是一種電光轉(zhuǎn)換器件，它的電氣特性與普通的半導(dǎo)體二極管一樣，具有單向?qū)щ娦?。在電光轉(zhuǎn)換驅(qū)動電路中處于正向工作狀態(tài)即它的正極接驅(qū)動電路的高電位端，負(fù)極接低電位端。工作時，驅(qū)動電路必須限制在小于其最大

21、允許電流Imax的范圍內(nèi)(對本系統(tǒng)采用的LED，Imax=60mA)，為此在驅(qū)動電路中必須設(shè)置適當(dāng)?shù)南蘖麟娮瑁駝t會使LED損壞。光纖通訊技術(shù)中所用的LED及光電轉(zhuǎn)換器件均是價格昂貴的光電器件，使用過程中應(yīng)注意安全。本實驗系統(tǒng)LED輸出的光功率與傳輸光纖是直接耦合的，LED的正負(fù)極通過光纖繞線盤上的電流插口與發(fā)送器的調(diào)制驅(qū)動電路連接。測量LED光纖組件的電光特性時，首先用兩端為兩芯插頭的連接線，一頭插入傳輸光纖繞線盤上的電流插孔，另一頭插入發(fā)送部分的“LED插孔”，然后把光探測器的窗口插入傳輸光纖的遠(yuǎn)端，另外兩只插頭接光功率計面板上的光探測器插孔，光功率計應(yīng)在無光時調(diào)零。以上準(zhǔn)備工作就緒后，開

22、啟發(fā)送器的電源開關(guān)便可進行測試。測試電路如圖7示，測試時，調(diào)節(jié)發(fā)送器前面板上的“偏流調(diào)節(jié)”旋鈕，使LED的驅(qū)動電流ID<60mA的任一適當(dāng)值，并觀察光功率計的示值。在保持LED驅(qū)動電流不變的情況下，適當(dāng)調(diào)整傳輸光纖遠(yuǎn)端與光功率計探測器的耦合狀態(tài)，使光功率計指示最大后保持這一最佳耦合狀態(tài)不變。然后調(diào)節(jié)“偏流調(diào)節(jié)”旋鈕，使發(fā)送器前面板上的毫安表的示值(即LED的驅(qū)動電流ID)在0-60mA范圍內(nèi)變化，從零開始，每隔5或1OmA讀取一次光功率計的示值P0，直到ID=60mA為止。根據(jù)以上測量數(shù)據(jù)，以P0為縱坐標(biāo)，ID為橫坐標(biāo)，便可在(P0，ID)坐標(biāo)系中畫出包括傳輸光纖與LED的連接損耗及傳輸

23、光纖的傳輸損耗在內(nèi)的LED光纖組件的電光特性曲線。圖7 LED傳輸光纖組件電光特性的測定實測數(shù)據(jù)為：圖8 LED光纖組件的電光特性曲線   在額定的工作區(qū)ID從1060mA基本上是線性的，非線性偏差P/P<8。    12  LED偏置電流與無截止畸變最大調(diào)制幅度關(guān)系的測定    與其它光源比較，半導(dǎo)體發(fā)光二極管的優(yōu)點就在于只需調(diào)制它的驅(qū)動電流就可簡單地實現(xiàn)光訊號的調(diào)制。進行光訊號調(diào)制時，首先根據(jù)LED的光電特性曲線選擇一個適當(dāng)?shù)钠齐娏?一般選為其電光特性較好線段中點對應(yīng)的驅(qū)動

24、電流)，然后把1KHz的正弦訊號經(jīng)兩芯插頭引至發(fā)送部分的“信號輸入”插孔，并用示波器觀測圖5中標(biāo)明的晶體三極管發(fā)射極電阻Rc兩端的電壓波形，即“發(fā)射信號測量點”的波形。由于V0=ReID，所以V0的波形反映了LED驅(qū)動電流ID(在LED電光特性的線形范圍內(nèi)也即代表了傳輸光纖中傳輸?shù)墓夤β?隨時間的變化波形，如觀察到的這一波形具有嚴(yán)重的削波失真，適當(dāng)減少調(diào)制信號幅度，或調(diào)節(jié)發(fā)送器前面板上控制輸入信號幅度的W1旋鈕，可使光訊號的波形為一正弦波。    如果LED的光電特性曲線在驅(qū)動電流從零至其允許的最大電流范圍內(nèi)線性度較好，因而大幅度調(diào)制引起的光訊號非線性失

25、真很小，此時調(diào)制幅度主要受削波失真的限制，在此情況下，為了獲得最大幅度的光訊號(因在接收器靈敏度一定時，光訊號幅度愈大，光訊號傳輸?shù)木嚯x就愈遠(yuǎn))，LED偏置電流可以選為其最大允許驅(qū)動電流的一半。    在LED不同偏置電流情況下，調(diào)節(jié)調(diào)制信號幅度通過示波器可以觀測到無削波失真的光訊號最大幅度隨LED偏置電流變化的情況。    13光信號發(fā)送器調(diào)制放大電路幅頻特性的測定為了減小傳輸過程中因系統(tǒng)帶寬有限引起的諧波失真，要求傳輸系統(tǒng)幅頻特性的帶寬能覆蓋被傳信號的頻譜范圍，對于語音信號，其頻譜在300-3400Hz范圍內(nèi)，對于音樂信

26、號，是在20-20KHz范圍內(nèi)。在光纖傳輸系統(tǒng)中，作為信道的光導(dǎo)纖維，其帶寬遠(yuǎn)大于音頻范圍帶寬，故在音頻信號光纖傳輸系統(tǒng)中，系統(tǒng)的帶寬主要取決于電子放大電路。    參看圖5，測量發(fā)送器音頻放大電路幅頻特性：    先將1KHz交流信號通過信號輸入插孔并調(diào)節(jié)信號大小，使調(diào)制輸入信號峰一峰值為某一適當(dāng)值，比如20mV(通過示波器觀測發(fā)送部分“輸入信號測量點”的波形即可確定)。然后在保持調(diào)制輸入信號幅度不變的情況下，在10Hz-20KHz范圍內(nèi)，改變調(diào)制信號的頻率，用示波器觀測發(fā)送部分標(biāo)明的調(diào)制放大器輸出端“射極輸出測

27、量點”電壓波形的峰一峰值，并列表記下不同頻率Vin和V0的測量結(jié)果。測量時頻率變化的間隔程度，由實驗人員根據(jù)實際情況合理確定，在上、下截止頻率附近，頻率間隔應(yīng)適當(dāng)密集一些。根據(jù)以上測試條件下的Vin值和各測試頻率f所對應(yīng)的V0值，便可在坐標(biāo)紙上繪出發(fā)送器調(diào)制放大電路的幅頻特性曲線(頻率軸以logf進行分度)、確定出帶寬及增益，并與理論計算結(jié)果比較。圖9 發(fā)送部分音頻放大電路幅頻特性曲線二、光信號的接收實驗    1，  硅光電池光電特性及響應(yīng)度的測定半導(dǎo)體硅光電池光電特性的測定，測定電路如圖10所示。圖10 硅光電二極管光電

28、特性的測定   1)  保持發(fā)送部分的所有聯(lián)接狀態(tài)不變，把光探測器的插頭從光功率計上抽出并轉(zhuǎn)插到接收部分的SPD輸入插孔內(nèi)，把數(shù)字萬用表(200mV檔)接至接收部分的信號轉(zhuǎn)換測量點和地的兩個對應(yīng)插孔內(nèi)。   2)  開啟發(fā)送器和接收器的電源開關(guān)，旋動發(fā)送器前面板的“偏流調(diào)節(jié)”旋鈕，使LED的驅(qū)動電流為30mA，然后在保持發(fā)送端LED的驅(qū)動電流ID不變的情況下，調(diào)整傳輸光纖遠(yuǎn)端與被測硅光電池的耦合至最佳狀態(tài)(即數(shù)字萬用表指示電壓最大的狀態(tài))。并在以后的測試過程中注意保持這一最佳耦合狀態(tài)不變。 3)調(diào)節(jié)發(fā)送端

29、LED的驅(qū)動電流，從零開始，每增加5mA或10mA讀取一次接收端IV變換電路輸出電壓，根據(jù)已測得的LED光纖組件的光電特性曲線和IV變換電路的反饋電阻Rf30K值便可由這些測量數(shù)據(jù)算出被測硅光電池的光電特性曲線，由這一特性曲線，就可按下公式算出被測硅光電池的響應(yīng)度：   其中P0表示兩個測量點對應(yīng)的入照光功率的差值，I0是對應(yīng)的光電流的差值，由于硅光電池的光電特性具有很好的線性度，故一般選取零光功率輸入和最大光功率輸入情況下對應(yīng)的兩個測量點進行計算。    響應(yīng)度表征了硅光電池的光電轉(zhuǎn)換效率，它是一個在光電轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計工作

30、中需要知道的重要參數(shù)。被測偏置電流與測量電壓值列表：I0(mA)0102030405060V0(mV)-0.1-38-78-119-159-199-237根據(jù)已知的反饋電阻Rf30K值和LED光纖組件的電光特性曲線可列下表：P0(W)0306090120150180I0(A)01.32.645.36.67.9 圖11 硅光電二極管光電特性的測定   硅光電池的響應(yīng)度   數(shù)據(jù)顯示A，在P0180時，有較穩(wěn)定的響應(yīng)度。    2  光信號的檢測  

31、  在保持前項實驗時LED尾纖與接收器光電檢測元件的最佳耦合狀態(tài)不變和把發(fā)送端LED的偏置電流設(shè)置為50mA的情況下，調(diào)節(jié)發(fā)送端音頻信號源的頻率和幅度，用示波器觀測接收端I-V變換電路輸出電壓的波形變化情況，并記錄卜某一確定頻率下(比如1KHz)這一波形無截止畸變的最大峰一峰值，根據(jù)I-V變換電路中Rf值與光電二極管的響應(yīng)度R值計算與此情況對應(yīng)的光信號光功率變化的幅值，并與由LED一傳輸光纖組件的電光特性曲線確定的最大調(diào)制幅度情況下光功率變化幅值比較。    3  光電信號的放大    在前面各項實驗聯(lián)接的基礎(chǔ)上，把接收端功放電路的電位器WNt調(diào)至最小。然后在保持發(fā)送端輸入信號幅度不變(其值以LED的光信號不出現(xiàn)截止失真和功放電路輸出不出現(xiàn)飽和失真為宜)的