五邑大学音频信号光纤传输技术实验-绝对零度资料

1、近代物理实验 实验10 音频信号光纤传输技术实验实验10 音频信号光纤传输技术实验在信息爆炸的时代里，信息技术（IT）日新月异，社会已经进入了信息化的时代。人们上网浏览、发电子邮件、召开电子会议（电视电话会议）等都离不开信息传递。信息的积累和信息的传输正以几何级数的速度增长。原有的电气通信系统的通信容量已经不能满足实际的需要，取而代之的是光通信系统，光通信主要可分为大气通信与光纤通信。大气通信是光在大气中传播的通信方式，容易受到空气的吸收、散射、折射干扰而使光信号衰减快、传播方向发生变化，但大气通信设备简单，可用于人造卫星或宇宙飞船之间信息传输；光纤通信利用光在光导纤维中传播来传输信息，197

2、0年美国康宁公司制造出世界上第一根可供通信用的低损耗石英玻璃光纤，使光纤通信进入了实用阶段。光纤通信具有宽频带、高速、抗干扰等一系列优点，正在不断发展。通过本实验可了解光纤传输的基本原理。【实验目的】1. 学习音频信号光纤传输系统的基本原理及各部件选配原则。2. 训练如何在音频光纤传输系统中获得较好信号传输质量。3. 熟悉光纤传输系统中电光/光电转换器件的基本性能。【仪器用具】 TKGT-1型音频信号光纤传输实验仪；GFG-8016G型信号发生器（参见示波器实验中信号源使用）；SS7802型双踪示波器（参见示波器实验）。【实验原理】1传输光纤的工作原理目前用于光通讯的光纤一般采用石英光纤，它是

3、在折射率较大的纤芯外部，覆上一层折射率较小的包层，光在纤芯与包层的界面上发生全反射而被限制在纤芯传播，如图21-1所示。光纤实际上是一种介质波导，光被闭锁在光纤内，只能沿光纤传输，光纤芯径一般从几微米到几百微米。按照传输光模式可分为多模光纤和单模光纤，按照光纤折射率分布方式不同可以分为折射率阶跃型和折射率渐变型光纤。折射率阶跃型光纤包含两种圆对称的同轴介质，两者都质地均匀，但折射率不同，外层折射率低于内层折射率。折射率渐变型光纤是一种折射率沿光纤横截面渐变的光纤，这样改变折射率的目的是使各种模传播的群速相近，从而减少模色散增加通讯带宽。多模折射率阶跃型光纤由于速度不同而产生模间色散，传输的带宽

4、受到限制。多模折射率渐变型由于其折射率特殊分布使各模传输的群速度一样而增加信号传输的带宽。单模光纤是只传输单种光模式的光纤，单模光纤可传输信号带宽最高，目前长距离光通讯大都采用单模光纤。石英光纤的主要技术指标有数值孔经、衰减特性和色散等。图21-1 传输光纤工作原理数值孔径。数值孔径描述光纤和光源、探测器和其他光学器件耦合时特性。它的大小反映光纤收集光的能力，见图21-5所示。在立体角范围内入射到光纤端面的光线在光纤内部界面产生全反射而得以传输，在立体角范围外入射到光纤端面的光线在光纤内部界面不产生全反射而是透射到包层而马上被衰减掉。计算公式见（1）式。 （21-1）光纤的数值孔径定义为：，它

5、的值一般在0.10.6之间，对应的在9°33°。多模光纤具有较大的数值孔径，单模光纤的孔径数值较小，所以一般单模光纤需用LD半导体激光器作为光源。光纤的损耗（衰减特性）。光纤的损耗主要有由于材料吸收引起的吸收损耗，纤芯折射率不均匀引起的散射（瑞利散射）损耗，纤芯和包层之间界面不规则引起的散射损耗（称为界面损耗），光纤弯曲造成的损耗，纤维间对接（永久性的拼接和用连接器相连）的损耗，以及输入与输出端的耦合损耗。石英光纤在近红外波段0.84m，1.31m，1.55m有较好的透过率。因此传输系统光源的发射光波长必须与其相合，目前长距离传输通讯系统多采用1.31m或1.55m单模光纤

6、。单模光纤传输损耗在1.31m和1.55m分别为0.35db/km和0.2db/km。光纤的色散。光纤的色散直接影响可传输信号的带宽。色散主要由三部分组成：折射率色散；模色散；结构色散。折射率色散是由于光纤材料的折射率随不同波长变化而引起，采用单波长，窄谱线的半导体激光器可以使折射率色散减至最小。采用单模光纤可以使模色散减至最小。结构色散由光纤材料的传播常数及光频产生非线性关系所造成 。目前单模光纤的传输带宽可达数GHz。2半导体发光二极管LED原理 光纤通讯系统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方面均有特殊要求。目前能较好满足要求的光源器件主要有半导体发光二极管（

7、LED）、半导体激光器（LD）。发光二极管的输出功率较小，信号调制速率相对低，但价格便宜，其输出光功率与驱动电流在一定范围内基本上呈线性关系，比较适宜短距离，低速，模拟信号的传输；半导体激光器输出功率大，信号调制速率高，但价格较高，适宜于远距离，高速，数字信号的传输。 发光二极管是一种半导体二极管。当给pn结加正偏压时，使n层向p层注入导电电子，导电电子进入p层后与空穴复合发射光波。发光中心波长计算公式为： (21-2)其中为光波波长，为普朗克常数，为光速，为半导体材料能级间隙。制作LED时，通过选取材料和组成成分控制（即控制），可以使LED发光波长与传输光纤低损耗波长一致。图21-2 LED

8、电光特性与信号调制 LED电光特性与信号调制见图21-2。图中为偏置电流，为光功率，为时间。从图中可以看到，电光特性曲线具有中间区域线性而两端区域非线性特点。特性曲线的非线性将带来信号变换的非线性失真。因此，使用时应给LED加一个适当的偏置电流（电光特性曲线线性部分中点对应的电流值），而调制信号的峰峰值位于电光特性的直线范围内。当偏置电流较小时，调制信号将出现截止失真；当偏置电流较大时，调制信号将出现饱和失真。3半导体光电二极管原理半导体光电二极管具有一个PN结，在管壳上有一个能让光照射入光敏区的窗口。它工作在反向偏置电压状态或无偏压状态。当有光子能量大于PN结半导体材料的带隙宽度的光波照射到

9、光电二极管的管芯时，PN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，同时产生一个空穴。在空间电荷区电场的作用下，这些光生自由电子和空穴将分别向N区和P区运动，到达电极并沿外电路闭合形成光电流。 光电二极管的伏安特性为： （21-3）其中为无光照的反向饱和电流，为二极管的端电压（正向电压为正，反向电压为负），为电子电荷，为波耳兹曼常数，为结温，为无偏压状态下光照射时的短路电流（与光照时的光功率成正比）。在本实验中，光电二极管反偏压使用。使用中，应选择二极管峰值响应波长与传输光纤低损耗波长一致的光电二极管。4 光纤传输系统原理光纤传输系统原理如图21-3所示一般由三部分组成：光信号

10、发送端、用于传送光信号的光纤、 光信号接收端。光信号发送端（见图21-3中发送端虚线框）的功能是将待传输的电信号经电光转换器件转换为光信号。光纤的功能是将发送端光信号以尽可能小的衰减和失真传送到光信号接受端。光信号接收端（见图21-3中接收端虚线框）的功能是将光信号经光电转换器件再还原为相应的电信号。光纤信息传输是用光作为载波来传输信息。就像无线电通信是用无线电波作为载波来传输信息。光纤信息传输安调制方式可分为光强调制（直接检波）通信和光频率调制（相干光）通信。本实验主要探讨光强调制（直接检波）通信。图 21-3 光纤传输系统原理首先传输系统应提供一定功率的稳定的载波光，由直流信号控制载波光功

11、率的大小。要传递的交流信号与直流信号相加后加在电光转换器件上，使发出光功率变化与信号强弱变化一致（称为光强调制）。这种被信号调制的光，通过光纤传输后，到达光电转换器。光电转换器再将光信号转换成电信号，通过解调后提取出交流信号，送示波器显示或扬声器发声。由此完成信息传输的3个步骤：调制、传输、解调。5. 系统电光/光电转换图21-4 系统电光/光电转换原理图见图21-4。横轴表示电光变换输入电流，纵轴表示光电变换输出电压，曲线1表示特性曲线，中间线性两端非线性。输入信号波形1表示电光变换输入的电流信号，输出信号波形2表示光电变换输出电压信号。使用时调制信号的峰峰值位于特性曲线1的线性范围内，可以

12、减少非线性失真。特性曲线1的线性部分中点Q对应的电流值为最佳偏置电流；当偏置电流较小时，调制信号将出现截止失真；当偏置电流较大时，调制信号将出现饱和失真。5 传输幅频特性在音频信号传输过程中，除要求损耗小外，还要求信号不失真。信号失真的主要原因：1)发光二极管电光特性曲线的非线性带来失真，2)发光二极管偏置电流（控制载波光强）选取不当造成的对大幅度信号的截止失真和饱和失真，3)不同频率的信号经过传输后的衰减不同所致（见图21-5传输信号的幅频特性）。例如，若频率高的信号衰减快，则经过传输，女高音的声音有可能变成男低音的声音（传输过程中高频损失大，造成声音低沉）。图21-5 传输信号幅频特性由于

13、光信号发送电路和光信号接收电路以及光纤传输特性影响（不同频率的信号经过光纤传输后的衰减不同），传输信号的幅频特性与光信号发送端、光信号接收端、传输光纤等有关。本实验系统带宽主要是发送端和接收端电路带宽，光纤对带宽影响较小。图21-5表示传输系统对于相同的输入电压得到输出电压幅度与频率的关系，称为幅频特性图，图中横轴取对数坐标。由图21-5可见，频率过低或过高，其传输的效率都会降低和波形失真，只有中间一段频率范围的衰减较小。这段频率的信号传输后将失真较小。图中（低频段截止频率）与（高频段截止频率）是信号幅度降为图形的中间段电压信号幅度最大值的0.707倍时所对应的低频段和高频段的频率。与之差为频

14、带宽度B(传输信号大致不失真的频率范围)。图 21-6 TKGT-1光纤音频信号传输实验仪面板图1-发射光强度显示；2-输入选择；3-音频输入端口；4-示波器端口；5-内音频触发；6-发射光强度调节；7-音频幅度调节；8-电源保险；9-电源开关；10-传输光纤；11-音量调节；12-音频输出端口；13-扬声器；14-接收光强度显示；15-光接收；16-光发射【仪器介绍】1. TKGT型光纤音频信号传输实验仪TKGT-1光纤音频信号传输实验仪由以下几部分组成：1、 光信号的调制和发送2、 传输光纤3、 光纤耦合器4、 光信号的检测与解调一、光信号的调制和发送音频输入端口3：连接外加的音频信号(由

15、GFG-8016G型信号发生器提供)。GFG-8016G型信号发生器提供外加的正弦波、方波、三角波，输出交流信号频率可调节，交流信号频率可显示。示波器端口4：该端口与音频输入端口3是并联关系，将该端口连接示波器的波形测量通道1可以对音频输入端口3输入的交流电压峰峰值进行测量。 输入选择开关2：打向“外”选择外接交流信号（由GFG-8016G型信号发生器提供），打向“内”选择实验仪提供的内置语音片产生的语音信号。内音频触发按钮5：按下此按钮5，启动实验仪内置语音片信号产生器。音频幅度调节旋钮7：是实验仪内部设置的交流信号幅度衰减调节旋钮参见图21-3。注意该旋钮转到最左端时实验仪所传输的交流信号

16、幅度将衰减最大，即在发光二极管上迭加的交流音频信号电流将很小，观测音频信号的实验效果会较差（即使此时由GFG-8016G型信号发生器提供外接音频信号信号幅度很大）。一般情况可将音频幅度调节旋钮7调到最右端，即将实验仪所传输的音频信号幅度衰减最小。发送光强度调节旋钮6：用于调节发光二极管静态偏置电流，调节范围约为020mA，对应光发送强度显示为02000单位发送光强度显示1：显示静态发送光强度，发送光强度显示为02000单位对应发光二极管LED静态偏置电流020mA（即1mA/100单位，对应图21-3中电光变换输入电流平均值）。注意用光发送强度显示不能测量输入交流信号峰峰值，应用示波器测量。二

17、、光纤耦合器光纤耦合器将发光二极管发射的光信号耦合到石英光纤和将经光纤传输的光信号耦合到光电检测器件光电二极管。三、光信号的检测与解调音频输出端口12：用于连接示波器通道2，观察测量实验仪经解调输出的音频信号波形和峰峰值。音量调节旋钮11：用于调节扬声器13的发音音量，该旋钮调到最左端时扬声器13的发音音量最小。光接收强度显示14：显示静态光接收强度，面板显示02000单位，对应静态电压020mV（即1mV/100单位，对应图21-4中光电变换输出的电压的平均值）。注意用光接收强度显示不能测量接收到交流信号峰峰值，应用示波器测量。【实验内容与要求】1. 光纤传输系统静态电光/光电传输特性测定打

18、开仪器电源开关9，在没有音频信号输入的条件下（使实验仪音频输入端口3处交流电压峰峰值为0，实现方法为关闭GFG-8016G型信号发生器电源或调节GFG-8016G型信号发生器输出幅度调节旋钮使信号源输出交流信号电压峰峰值为0），调节发送光强度调节旋钮6，同时观测发送光强度显示1中和光接收强度显示14中显示的数据。发送光强度显示1显示数据关系为每100单位对应电光变换输入电流1mA（即1mA/100单位），光接收强度显示14显示数据关系为每100单位对应光电变换输出电压1mV（即1mV/100单位）。调节发送光强度6，参照表21-1的数据表格，记录电光变换输入电流I(mA)和对应光电变换输出电压

19、数据V(mV)，并作出V-I曲线图。从V-I曲线图中确定线性部分，线性部分中点对应的电流值为最佳偏置电流。表21-1 光纤传输系统静态电光/光电传输特性（V-I曲线）I (mA)0.000.501.001.502.002.503.003.504.00V(mV)I (mA)6.008.0010.0012.0014.0016.0018.0019.0019.99V(mV)2 发光二极管LED偏置电流与可传输无失真最大交流信号幅度关系测定将GFG-8016G型信号发生器输入的正弦波频率设定在1KHZ，音频幅度调节电位器7置于最大位置(转到最右端)，然后在发光二极管LED静态偏置电流分别为5mA（对应发

20、送光强度显示1显示为500单位）、10mA（对应发送光强度显示1显示为1000单位）两种情况下，调节GFG-8016G型信号源交流信号输出幅度，使其从零开始增加，同时在实验仪音频输出端12处用示波器的通道2观察正弦波型变化，直到波型出现截止现象时，记录下此时实验仪音频输出端12输出电压波型的峰-峰值，由此确定发光二极管LED在不同偏置电流下可传输无失真最大交流信号的峰-峰值，数据记录表21-3。 表 21-3 发光二极管LED偏置电流与可传输无失真最大信号幅度关系偏置电流电压峰-峰值（mV）5mA10mA3 光纤传输系统幅频特性的测定（1）由GFG-8016G型信号发生器提供频率、幅度可调的正

21、弦交流信号。将GFG-8016G型信号发生器输出的正弦波连音频输入端口3，将实验仪输入选择开关2打向“外”，连通GFG-8016G型信号发生器输出信号。将双踪示波器的通道1接到实验仪的示波器端口4，用示波器的通道1测量GFG-8016G型信号发生器输出正弦交流信号峰-峰值。示波器的通道2接实验仪音频信号输出端口12，用示波器的通道2测量实验仪音频信号输出端口12交流信号峰-峰值，有关示波器的调节和使用参见示波器实验。调节静态发送光强度旋钮6使发送光强度显示1显示为1000单位。将实验仪音频幅度调节7转到最右端，使实验仪所传输的音频信号幅度衰减最小。表 21-2 光纤传输系统幅频特性（曲线用数据

22、表）输入频率f(Hz)20.030.040.050.060.080.0100200400输出电压V (mv)输入频率f(Hz)6008001.00k1.50k2.00k2.50k3.00k3.50k4.00k输出电压V (mv)输入频率f(Hz)4.50k5.00k5.50k6.00k7.00k8.00k9.00k10.0k11.0k输出电压V (mv)输入频率f(Hz)12.0k13.0k14.0k15.0k16.0k17.0k18.0k19.0k20.0k输出电压V (mv)（2）用示波器的通道1测量实验仪音频信号输入端3输入正弦信号峰-峰值，调节GFG-8016G型函数发生器使输出正弦电

23、压信号峰-峰值幅度为5伏（用示波器的通道1测量）并保持信号的幅度不变。调节信号发生器频率调节输出以下频率（参考表21-2选择频率点），频率数据记录GFG-8016G型函数发生器显示的频率数据。记录GFG-8016G型信号源信号频率变化时实验仪的音频输出端12输出交流信号电压峰-峰值，注意实验仪的音频输出端12输出交流信号电压峰-峰值U应用示波器的通道2测量(测量方法见示波器的使用实验)，并将数据记入表21-2。注意在测量幅频特性观察低频段峰峰值时，为了观察方便和准确，可以把示波器水平扫描速度调到最小再测量交流信号波峰和波谷的差值；测量幅频特性观察中、高频段峰峰值时，把示波器水平扫描速度适当放大，将交