光纖音頻信號傳輸實驗指導

光纖信號傳輸實驗【教學目的】1．學習光纖信號傳輸系統(tǒng)的基本結(jié)構及各部件選配原則；2．熟悉光纖傳輸系統(tǒng)中電光/光電轉(zhuǎn)換器件的基本性能；3．訓練如何在光纖傳輸系統(tǒng)中獲得較好信號傳輸質(zhì)量。【教學重點】1.光纖信號的發(fā)射、傳輸、接收原理2.光纖信號傳輸系統(tǒng)幅度的調(diào)制【教學難點】1.光纖信號傳輸系統(tǒng)的基本結(jié)構2.光電轉(zhuǎn)換器件的基本性能【課程講授】提問1.光信號是如何獲得的？2.光信號在光纖中是如何進行傳輸?shù)?？一、實驗原理光纖傳輸系統(tǒng)如圖一所示一般由三部分組成：光信號發(fā)送端；用于傳送光信號的光纖；光信號接收端。光信號發(fā)送端的功能是將待傳輸?shù)碾娦盘柦?jīng)電光轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換為光信號，光纖的功能是將發(fā)送端光信號以盡可能小的衰減和失真?zhèn)魉偷焦庑盘柦邮斩?，目前光纖一般采用在近紅外波段0.84μm、1.31μm、1.55μm有良好透過率的多?；騿文Ｊ⒐饫w。光信號接收端的功能是將光信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器件還原為相應的電信號，光電轉(zhuǎn)換器件一般采用半導體光電二極管或雪崩光電二極管。組成光纖傳輸系統(tǒng)光源的發(fā)光波長必須與傳輸光纖呈現(xiàn)低損耗窗口的波段、光電檢測器件的峰值響應波段匹配。2．光信號發(fā)送端的工作原理系統(tǒng)采用的發(fā)光二極管的驅(qū)動和調(diào)制電路如圖二所示，信號調(diào)制采用光強度調(diào)制的方法，發(fā)送光強度調(diào)節(jié)電位器用以調(diào)節(jié)流過LED的靜態(tài)驅(qū)動電流，從而相應改變發(fā)光二極管的發(fā)射光功率。圖（二）3．光信號接收端的工作原理圖四是光信號接收端的工作原理圖，傳輸光纖把從發(fā)送端發(fā)出的光信號通過光纖藕合器將光信號藕合到光電轉(zhuǎn)換器件光電二極管，光電二極管把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之成正比的電流信號，光電二極管使用時應反偏壓，經(jīng)運放的電流電壓轉(zhuǎn)換把光電流信號轉(zhuǎn)換成與之成正比的電壓信號。光電二極管的頻響一般較高，系統(tǒng)的高頻響應主要取決于運放等的響應頻率。圖（三）4．傳輸光纖的工作原理目前用于光通訊的光纖一般采用石英光纖，它是在折射率n2較大的纖芯內(nèi)部，覆上一層折射率n1較小的包層，光在纖芯與包層的界面上發(fā)生全發(fā)射而被限制在纖芯內(nèi)傳播，如圖五所示。石英光纖的主要技術指標有衰減特性，數(shù)值孔經(jīng)和色散等。圖（四）二、實驗儀器雙蹤示波器、光纖信號傳輸實驗儀三、實驗步驟1．光纖傳輸系統(tǒng)靜態(tài)電光/光電傳輸特性測定分別打開光發(fā)送端電源和光接收端電源，面板上兩個三位半數(shù)字表頭分別顯示發(fā)送光驅(qū)動強度和接收光強度。調(diào)節(jié)發(fā)送光強度電位器，每隔100單位（相當于改變發(fā)光管驅(qū)動電流1ma）分別記錄發(fā)送光驅(qū)動強度數(shù)據(jù)與接收光強度數(shù)據(jù)，在坐標紙上繪制靜態(tài)電光/光電傳輸特性曲線。2．光纖傳輸系統(tǒng)頻響的測定將在調(diào)制信號輸入接口上從信號發(fā)生器輸入正弦波，將雙蹤示波器的通道1和通道2分別接到輸入正弦信號和信號接收端，保持輸入信號的幅度不變，調(diào)節(jié)信號發(fā)生器頻率，記錄信號變化時輸出端信號幅度的變化，分別測定系統(tǒng)的底頻和高頻截止頻率。3．LED偏置電流與無失真最大信號調(diào)制幅度關系測定將從信號發(fā)生器輸入的正弦波頻率設定在1kHz，輸入信號幅度調(diào)節(jié)電位器置于最大位置，然后在LED偏置電流為5、10ma兩種情況下，調(diào)節(jié)信號源輸出幅度，使其從零開始增加，同時在接收端信號輸出處觀察波型變化，直到波型出現(xiàn)截止現(xiàn)象時，記錄下電壓波型的峰-峰值，由此確定LED在不同偏置電流下光功率的最大調(diào)制幅度。4．多種波型光纖傳輸實驗將輸入選擇開關打到“外”，在音頻信號輸入接口上分別從函數(shù)信號發(fā)生器輸入方波信號和三角波信號，將雙蹤示波器的通道1和通道2分別接到發(fā)送端示波器接口和接收端音頻信號輸出接口，保持輸入信號的幅度不變，調(diào)節(jié)函數(shù)信號發(fā)生器輸出頻率，從接收端通過示波器觀察輸出波形變化情況，記錄輸入信號頻率變化時輸出信號幅度的變化，分別測定系統(tǒng)的低頻和高頻截止頻率。在數(shù)字光纖傳輸系統(tǒng)中往往采用方波來傳輸數(shù)字信號。5．音頻信號光纖傳輸實驗將輸入選擇打到“內(nèi)”，按下內(nèi)音頻信號觸發(fā)按鈕，通過調(diào)節(jié)發(fā)送光強度電位器改變發(fā)送端LED的靜態(tài)偏置電流，收聽在接收端發(fā)出的語音片音樂聲，考察當LED的靜態(tài)偏置電流小于多少時，音頻傳輸信號產(chǎn)生明顯失真，分析原因，并同時通過示波器觀察分析語音信號波形變化情況。四、數(shù)據(jù)記錄光纖傳輸系統(tǒng)靜態(tài)電光/光電傳輸特性測定驅(qū)動電流（mA）024681012141618發(fā)送光強度接受光強度2.光纖傳輸系統(tǒng)頻響的測定(1)低頻截止頻率：f1(2)高頻截止頻率：f23.LED偏置電流與無失真最大信號調(diào)制幅度關系測定(1)LED偏置電流為5MA信號源輸出電壓波型的峰-峰值:VP-P(2)LED偏置電流為10MA信號源輸出電壓波型的峰-峰值:VP-P4．多種波型光纖傳輸實驗(1)函數(shù)信號發(fā)生器輸入方波信號低頻截止頻率：f1高頻截止頻率：f2(2)函數(shù)信號發(fā)生器輸入方波信號低頻截止頻率：f1高頻截止頻率：f25．音頻信號光纖傳輸實驗音頻傳輸信號產(chǎn)生明顯失真時，LED的靜態(tài)偏置電流：I=MA六、數(shù)據(jù)處理在坐標紙上繪制靜態(tài)電光/光電傳輸特性曲線。當LED的靜態(tài)偏置電流小于I時，音頻傳輸信號產(chǎn)生明顯失真，分析原因，并同時通過示波器觀察分析語音信號波形變化情況。五．思考題1．本實驗中LED偏置電流是如何影響信號傳輸質(zhì)量？提示：當驅(qū)動電流較小時發(fā)光二極管的發(fā)射光功率與驅(qū)動電流基本上呈線性關系,因此驅(qū)動電流在0－20ma內(nèi)，光信號越強，傳輸質(zhì)量越高。2．本實驗中光傳輸系統(tǒng)那幾個環(huán)節(jié)引起光信號的衰減？提示：光信號的傳輸環(huán)節(jié)由于光纖的傳輸損耗會引起光信號的衰減，在光信號的發(fā)射端和接收端，光電二極管進行光電轉(zhuǎn)換時也會引起光信號的衰減。3．光傳輸系統(tǒng)中如何合理選擇光源與探測器？提示：組成光纖傳輸系統(tǒng)光源的發(fā)光波長必須與傳輸光纖呈現(xiàn)低損耗窗口的波段、光電檢測器件的峰值響應波段匹配。本實驗發(fā)送端電光轉(zhuǎn)換器件采用中心發(fā)光波長為0.84μm的高亮度近紅外半導體發(fā)光二極管，傳輸光纖采用多模石英光纖，接收端光電轉(zhuǎn)換器件采用峰值響應波長為0.8～0.9μm的硅光電二極管。4．光電二極管在工作時應正偏壓還是負偏壓，為什么？