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1、音频信号光纤传输技术鲁东大学物理与电子工程学院 近代物理实验 光纤即为光导纤维的简称。光纤通信是以光波为载波，以光导纤维为传输媒质的一种通信方式。由发送电端机将待传送的模拟信号转换成数字信号，再由发送光端机将电信号转换成相应的光信号，并将它送入光纤中传输至接收端。接收光端机将传来的光信号转换成相应的电信号并进行放大，然后通过接收电端机恢复成原来的模拟信号。本实验就是让学生熟悉了解音频信号光纤传输的基本原理。引言一、实验目的 1学习音频信号光纤传输系统的基本结构及各部件选配原则。2熟悉光纤传输系统中电光/光电转换器件的基本性能。3训练如何在音频光纤传输系统中获得较好信号传输质量。二、仪器设备二、
2、仪器设备TKGT1型音频信号光纤传输实验仪信号发生器双踪示波器三、实验原理1 光纤通信原理2 光信号发送端的工作原理3 光信号接收端的工作原理4 光纤传输特性指标5 光纤通信的特点1 光纤通信原理图（1）光波在光纤中的传输 分析光纤的导光原理，一般可采用两种方法：一是波动理论法，一是射线法。波动理论法是根据电磁场理论，用麦氏方程求解光纤的场方程、特征方程，根据解答式分析其传输特性；射线法是将光波看成是一条条几何射线，用光射线理论分析光纤的传输特性。后者比较简单、直观。光波在两介质交界面的反射和折射光波在两介质交界面的反射和折射 光波属于电磁波的范畴，在均匀介质中传输时，其轨迹是一条直线，当光射
3、线射到两种介质交界面时，将发生反射和折射。由电磁场理论知道，反射和折射的基本规律是由斯涅尔定律和菲涅尔公式来表示的。下面我们以斯涅尔定律说明其物理概念。斯涅尔定律主要包括以下两个关系式：nsinnsin产生全反射的条件是：n2n1；c 阶跃型光纤就是利用光波的全反射原理，将光波限制在纤芯中向前传播。图（5）2 光信号发送端的工作原理 图（2）发光强度 调制后的光信号强度 时间 时间 音频调制信号 静态驱动电流 图2 音频信号调制二极管的发光强度音频信号调制二极管的发光强度 静态驱动电流 静态驱动电流 系统低频响应不小于20赫兹，取决电阻、电容网络。系统高频响应不大于20千赫兹，取决于运放电路的
4、响应频率。光纤通信的三个窗口波段：0.84 1.31 1.55微米（m），窗口波段与光纤传输呈现低损耗，与发光器件，光电检测器件的峰值响应波段相匹配（本系统在0.8-0.9微米）。在光纤应用中，常用的光源有：发光二极管(LED)和激光二极管(LD)。半导体激光器实质上是一个光波振荡器，它具有振荡、反馈与放大作用。根据光纤的特性通常选用长波长激光器，一般为1310nm。它通常是由P型限制层与有源层和N型限制层与有源层所组成的两个异质结。3 光信号接收端的工作原理光信号接收端的工作原理图3常用的光探测器是半导体光电二极管PIN和雪崩二极管。半导体光电二极管PIN具有体积小，材料合适、灵敏度高、响应
5、速度快等特点，在光纤通信系统中有着十分广泛的应用。其伏安特性为 。其中I0为无光照时的反向饱和电流，U为二极管的端电压（正向电压为正，反向电压为负），q为电子电荷，k为波尔兹曼常数，T为温度（单位为K），IL为无偏压状态下光照时的短路电流，与光照时的光功率成正比。4 光纤传输特性指标光纤传输特性指标光纤损耗：光纤的损耗是指光在光纤中传光纤损耗：光纤的损耗是指光在光纤中传播时，由于介质的吸收、散射和辐射等原播时，由于介质的吸收、散射和辐射等原因，光强不可避免地要随着传播距离的增因，光强不可避免地要随着传播距离的增加而减少。加而减少。光纤色散：光纤色散：光波信号在光纤中传输，或多或少都会使光波信号
6、波形展宽，发生失真，这种现象说明光纤中存在色散。数值孔径数值孔径：它决定了能够在光纤中传播的光束半孔径角的最大值，记作N.A.（numerical aperture）,定义为 5 光纤通信的特点频带宽、通信容量大频带宽、通信容量大用电磁波传输信号，其容量大小与所用载波的频率有关。光波的频率很高1014赫兹，比微波频率108-1010要高几个数量级。同样取其频率的1%作带宽，容量相差十万倍。损耗低损耗低同轴电缆线路内信号迅速衰减，每隔几公里就需要设一个中继站；而光纤通信的中继站可增大到几十公里或几百公里。目前，单模光纤传输损耗在1.31m和1.55m分别为0.35dB/km和0.2dB/km 质
7、量小，原材料资源丰富质量小，原材料资源丰富其材料密度只有铜的四分之一，节约稀有金属。抗干扰性强、保密性好抗干扰性强、保密性好不受高压电、雷电、电车线等电磁感应的影响和外界光频段的干扰，也易于屏蔽。另外光纤材料化学稳定性高，适合在恶劣环境下和危险情况下使用。四、实验内容与步骤1.光纤传输系统静态电光/光电传输特性测定.2.光纤传输系统频响的测定3.LED偏置电流与无失真最大信号调制幅度 关系的测定4.多种波形光纤传输实验5.音频信号光纤传输实验光纤传输系统静态电光光纤传输系统静态电光/光电传输特光电传输特性测定性测定 打开电源，面板上两个三位半数字表头分别显示发送光驱动强度和接收光强度。调节发送
8、光强度电位器，每隔200单位（相当于改变发光管驱动电流2mA）分别记录发送光驱动强度数据与接收光强度数据，在方格纸上绘制静态电光/光电传输特性曲线。光纤传输系统频响的测定光纤传输系统频响的测定 将输入选择开关打向外，在音频输入接口上从信号发生器输入正弦波，将双踪示波器的通道 1 和通道 2 分别接到输入正弦信号和发送端音频信号输出端.保持输入信号的幅度不变，调节信号发生器频率，记录信号变化时输出端信号幅度的变化，分别测定系统的低频和高频截止频率。LED偏置电流与无失真最大信号调偏置电流与无失真最大信号调制幅度关系测定制幅度关系测定 将从信号发生器输入的正弦波频率设定在1kHz，输入信号幅度调节
9、电位器置于最大位置，然后在LED偏置电流为5、10mA两种情况下，调节信号源输出幅度，使其从零开始增加，同时在接收端信号输出处观察波形变化，直到波形出现截止现象时，记录下电压波形的峰-峰值，由此确定LED在不同偏置电流下光功率的最大调制幅度。多种波形光纤传输实验多种波形光纤传输实验 分别将方波信号和正弦波信号输入音频接口，改变输入频率，从接收端观察输出波形变化情况,在数字光纤传输系统中往往采用方波来传输数字信号。音频信号光纤传输实验音频信号光纤传输实验 将输入选择打向内，调节发送光强度电位器改变发送端LED的静态偏置电流，按下内音频信号触发按钮，观察在接收端听到的语音片音乐声，考察当LED的静态偏置电流小于多少时，音频传输信号产生明显失真，分析原因，并同时在示波器中分析观察语音信号波形变化情况。正常信号波形 失真信号观察：截止失真 饱和失真 没有失真的信号截止失真的信号饱和失真的信号五思考题五思考题1本实验中LED偏置电流是如何影响信号传输质量？2本实验中光传输系统那几个环节引起光信号的衰减？3光传输系统中如何合理选择光源与探测器？4光电二极管在工作时应正偏压还是负偏压，为什么？附录光纤通信中常用单位的定义：dB=10 log10(Pout/Pin)Pout:输出功率;Pin:输入功率