实验一音频信号光纤传输技术实验

1 音音频频信信号号光光纤纤传传输输技技术术实实验验 目目的的要要求求 1 熟悉半导体电光 光电器件的基本性能 2 了解音频信号光纤传输的结构 3 学习分析集成运放电路的基本方法 4 了解 音频信号在光纤通信的基本结构和原理 仪仪器器设设备备 1 ZY120FCom13BG3 型光纤通信原理实验箱 2 20MHz 双踪模拟示波器 3 FC PC FC PC 单模光跳线 4 数字万用表 5 850nm 光发端机和光收端机 6 连接导线 7 电话机 实实验验原原理理 一一 半半导导体体发发光光二二极极管管结结构构 工工作作原原理理 特特性性及及驱驱动动 调调制制电电路路 光纤通讯系统中 对光源器件在发光波长 电光效率 工作寿命 光谱宽度和调 制性能等许多方面均有特殊要求 所以不是随便哪种光源器件都能胜任光纤通讯任 务 目前在以上各个方面都能较好满足要求的光源器件主要有半导体发光二极管 LED 半导体激光二极管 LD 本实验采用LED 作光源器件 图 1 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 在图 1 中 有源层与左侧的N 层之间形成的是p N 异质 结 而与右侧P 层之间形成的是p P 异质结 故这种结构又称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 h E E E 12g 2 其中 h 上普朗克常数 是光波的频率 E 是有源层内导电电子的能量 E 1 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 2g 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 图 2 HFRB 1424 型 LED 的正向伏安特性 本实验采用HFBR 1424 型半导体发光二极管的正向特性如图2 所示与普通 的二极管相比 在正向电压大于1V 以后 才开始导通 在正常使用情况下 正向 压降为 1 5V 左右 半导体发光二极管输出的光功率与其驱动电流的关系称 LED 的电光特性 为了使传输系统的发送端能够产生一个无非线性失真 而峰 峰值又最大的光信号 使用LED 时应先给它一个适当的偏置电流 其值等于这一 特性曲线线性部分中点电流值 而调制电流的峰 峰值应尽可能大地处于这电光 特性的线性范围内 音频信号光纤传输系统发送端LED 的驱动和调制电路如图3 示 以 BG1 为 主构成的电路是LED 的驱动电路 调节这一电路中的W2 可使 LED 的偏置电流 在 0 50mA 的范围内变化 被传音频信号由IC1 为主构成的音频放大电路放大后 经电容器 C4 耦合到基极 对LED 原工作电流进行调制 从而使LED 发送出光 强随音频信号变化的光信号 并经光导纤维把这一信号传至接收端 图 3 LED 的驱动和调制电路 根据理想运放电路开环电压增益大 可近似为无限大 同相和反相输入阻 抗大 也可近似为无限大 和虚地等三个基本性质 可以推导出图6 所示音频 C2 w1 C1 R1 R2 R3 C3 C4 R4W2 LED Re Rb mA 光纤 IC1 BG1 3 广大闭环增益为 G j v v 1 Z Z 0121 其中 Z Z分别为放大器反馈阻抗和反相输入端的接地阻抗 只要C 选得足 123 够小 C选得足够大 则在要求带宽的中频范围内 C 阻抗很大 它所在支路 23 可视为开路 而C的阻抗很小 它可视为短路 在此情况下 放大电路的闭环增 2 益 G j 1 R R C 的大小决定了高频端的截止频率f 而 C的值决 21322 定着低频端的截止频率f 故该电路中的R R R 和 C C 是决定音频 112323 放大电路增益和带宽的几个重要参数 二二 光光导导纤纤维维的的结结构构及及传传光光原原理理 光纤按其模式性质通常可以分成两大类 单模光纤 多模光纤 无论单模或 多模光纤 其结构均由纤芯和包层两部分组成 纤芯的折射率较包层折射率大 对 于单模光纤 纤芯直径只有5 10 m 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50 m 或 62 5 m 允许多种电 磁场形态的光波传播 以上两种光纤的包层直径均为125 m 按其折射率沿光 纤截面的径向分布状况又分成阶跃型和渐变型两种光纤 对于阶跃型光纤 在纤芯 和包层中折射率均为常数 但纤芯一包层界面处减到某一值后 在包层的范围内折 射率保持这一值不变 根据光射线在非均匀介质中的传播理论分析可知 经光源 耦合到渐变型光纤中的某些光射线 在纤芯内是沿周期性地弯向光纤轴线的曲线传 播 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 包层的外径为b 折射率为 且 1 n 2 n 1 n 2 n 图 4 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 三三 系系统统的的组组成成 图 5 示给出了一个音频信号直接光强调制光纤传输系统的结构原理图 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 4 I V 变换及功放电路组成的光信号接收器的三个部分 图 5 音频信号光纤传输实验系统原理图 本实验采用中心波长0 85 m 附近的 GaAs 半导体发光二极管 LED 作光 源 峰值响应波长为0 8 0 9 m 的硅光二极管 SPD 作光电检测元件 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 实实验验内内容容 一一 音音频频信信号号光光纤纤传传输输实实验验 1 连接导线 模拟信号源模块T303 与光发模块T111 连接 2 用 FC FC 光纤跳线 1310nm 光发端机 1310nmT 与 1310nm 光收端机 1310nmR 连接起来 3 将拨码开关BM1 BM2 和 BM3 分别拨至模拟 1310nm 和 1310nm K121 拨下 4 接上交流电源 先开交流开关 再看直流开关K01 K02 五个发光管 全亮 5 打开模拟信号源模块 K60 光发模块 K10 的直流电源 6 调节模拟信号源模块的电位器W306 使 TP303 波形幅度为2V 7 用万用表监控R110 两端的电压 红色插T103 黑色插 T104 调节半 导体激光器驱动电流 W112 使之小于25mA 8 调节电位器W111 W112 和 W121 使得 TP121 处波形的幅度为2V 且无 明显失真 用示波器观察TP111 TP112 TP121 波形 观察模拟信号的光纤调制 过程 9 将 T303 换成 T302 三角波 或T301 方波 观察各测试点的波形效 果 10 拆除 T111 连接导线 音频线将电脑语音输出端与实验箱的外语音输入端 T252 连接 T252 与 T111 连接 T121 与 T261 连接 并使电脑播放音乐 11 打开语音信号处理模块电源开关 调节音量 W261 判断光纤传输 音乐信号的效果 用示波器观察测试点波形 12 依次关闭直流电源 交流电源 拆除导线 拆除各光学器件 将实验箱放 好 二二 模模拟拟电电话话光光纤纤传传输输系系统统实实验验 功 放 Rb W2 LED SPD R f I V 变换 Re E 信号源 光纤 5 1 调节电位器 使1310nm 光纤通信系统能够正常传输模拟信号 2 连接导线 电话用户模块T401 与光发模块T111 连接 T412 与 T121 连接 T402 与 T4111 连接 并在电话甲 和电话已口上分别接上电话机 3 用 FC FC 光纤跳线 1310nm 光发端机 1310nmT 与 1310nm 光收端机 1310nmR 连接起来 4 将拨码开关BM1 BM2 和 BM3 分别拨至模拟 1310nm 和 1310nm K121 拨下 5 接上交流电源 先开交流开关 再看直流开关K01 K02 五个发光管 全亮 6 打开 电话用户接口模块 K40 K41 和 光发模块 K10 的直流电源 7 用万用表监控R110 两端的电压 红色插T103 黑色插 T104 调节半 导体激光器驱动电流 W112 使之小于25mA 8 摘机进行俩个人通话实验 用示波器测试并比较TP401 TP402 的波形 由于话音信号的波形比较复杂 所以可