音頻信號(hào)的光纖傳輸+實(shí)驗(yàn)報(bào)告.doc

音頻信號(hào)光纖傳輸實(shí)驗(yàn) 摘要: 實(shí)驗(yàn)通過對(duì)LED-傳輸光纖組件的電光特性的測(cè)量，得出了在合適的偏置電流下，其具有線性。驗(yàn)證了硅光電二極管可以把傳輸光纖出射端輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)變成與之成正比的光電流。AbstracfThe experimental transmission through the LED-fiber components of the electro-optical properties Measuring obtained at the right bias current, with its linear. Verification of the silicon photodiode fiber can transmit a radio-signal output into with the current proportional to the light.一.前言:1.實(shí)驗(yàn)的歷史地位:光纖自20世紀(jì)60年代問世以來，其在遠(yuǎn)距離信息傳輸方面的應(yīng)用得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，以光纖作為信息傳輸介質(zhì)的“光纖通信”技術(shù)，是世界新技術(shù)革命的重要標(biāo)志，也是未來信息社會(huì)各種信息網(wǎng)的主要傳輸工具。隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展,一個(gè)以微電子技術(shù),激光技術(shù),計(jì)算機(jī)技術(shù)呵現(xiàn)代通信技術(shù)為基礎(chǔ)的超高速寬帶信息網(wǎng)將使遠(yuǎn)程教育.遠(yuǎn)程醫(yī)療.電子商務(wù).智能居住小區(qū)越來越普及.光纖通信以其諸多優(yōu)點(diǎn)將成為現(xiàn)代通信的主流,未來信息社會(huì)的一項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù)和主要手段.2.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解音頻信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)熟悉半導(dǎo)體電光/光電器件的基本性能及主要特性的測(cè)試方法了解音頻信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)的調(diào)試技能3.待解決的幾個(gè)主要問題:聲音是一種低頻信號(hào)，你可能有這樣的經(jīng)歷，當(dāng)你說話的聲音較低時(shí)，只有你旁邊的人可以聽見你的聲音，要讓聲音傳的遠(yuǎn)些你必須大聲喊。這說明了低頻信號(hào)的傳播受周圍環(huán)境的影響很大，傳播的范圍有限。為了解決上述的問題，在通信技術(shù)中一般是使用一個(gè)高頻信號(hào)作為載波利用被傳輸?shù)男盘?hào)（如音頻信號(hào)）對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制。當(dāng)信號(hào)到達(dá)傳輸?shù)攸c(diǎn)時(shí)需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，也就是將高頻載波濾掉，最終得到被傳輸?shù)囊纛l信號(hào)。隨著通信容量的增加和信息傳遞速度的加快，上述傳播過程的缺陷也暴露了出來，主要為以下幾點(diǎn)：1信號(hào)間的干擾；2 對(duì)接手端和發(fā)射端阻抗匹配要求較高；3 傳播速度受到一定的限制。專家們一致認(rèn)為解決上述問題的關(guān)鍵是利用光作為信號(hào)的載體，也就是所說的光纖通信。本實(shí)驗(yàn)的目的就是去了解光纖傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，以及半導(dǎo)體電光/光電器件的基本性能及主要特性的測(cè)試方法。二. 實(shí)驗(yàn)介紹1.實(shí)驗(yàn)原理通信基本原理通信，簡(jiǎn)單點(diǎn)說就是信息的傳輸。比如打電話，就是將我們的聲音傳輸?shù)胶苓h(yuǎn)的地方，這就是一種通信。下面就是通信系統(tǒng)組成示意圖。 光纖通信所謂光纖通信，就是用激光做載波，光纖為傳輸媒質(zhì)的信號(hào)傳輸。下圖所示為直接光強(qiáng)調(diào)制光纖傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理方塊圖。它主要包括光信號(hào)發(fā)送器，傳輸光纖，光信號(hào)接收器三部分組成。 但是，要確保接收到的信號(hào)與我們發(fā)送的信號(hào)一樣，要求傳輸過程中的各種變換都必須是線性變換。因此，只有在各部分共有的線性工作頻率范圍內(nèi)的信號(hào)才能通過傳輸系統(tǒng)而不失真。對(duì)于語音信號(hào)，頻譜在3003400 范圍內(nèi)，由于光導(dǎo)纖維對(duì)光信號(hào)具有很寬的頻帶，故在音頻范圍內(nèi)，整個(gè)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。發(fā)光二極管(LED)的電光特性LED的P-I特性曲線光纖通信系統(tǒng)中使用的LED的光功率是經(jīng)稱為尾纖的光導(dǎo)纖維輸出，出纖光功率與LED驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系稱為電光特性。為了避免和減少非線性失真，使用時(shí)應(yīng)先給LED一個(gè)適當(dāng)?shù)钠秒娏鱅，其值等于這一特性曲線線性部分中點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流值，而調(diào)制信號(hào)的峰峰值應(yīng)位于電光特性的直線范圍內(nèi)。光信號(hào)的發(fā)送 光信號(hào)發(fā)送器的原理圖被傳音頻信號(hào)由以IC1為主要元件構(gòu)成的音頻放大電路放大后經(jīng)電容器 藕合到BG1基極，對(duì)LED的工作電流進(jìn)行調(diào)制，從而使LED發(fā)送出光強(qiáng)隨音頻信號(hào)變化的光信號(hào)，并經(jīng)光導(dǎo)纖維把這一信號(hào)傳至接收端。對(duì)于高頻信號(hào)，電容可看作短路；對(duì)于低頻信號(hào)，電容可看作開路，且電容越大，允許通過的最低頻率就越低。只要 選得足夠?。ㄖ辉试S高頻信號(hào)通過）， 選得足夠大（較低頻率的信號(hào)也可通過，但仍有截止頻率），則在要求帶寬的中頻范圍內(nèi)， 的阻抗很大，它所在支路可視為開路，而 的阻抗很小，它可視為短路。 在此情況下，根據(jù)運(yùn)放電路的特性計(jì)算出：放大電路的閉環(huán)增益為 C3的大小決定了高頻端的截止頻率f2，而C2的值決定著低頻端的截止頻率f1。故該電路中的R1,R2,R3,C2和C3是決定音頻放大電路增益和帶寬的幾個(gè)重要參數(shù)。 4.光信號(hào)的接收光電檢測(cè)器件SPD： 響應(yīng)度：描述光電檢測(cè)器光電轉(zhuǎn)換能力的一種物理量。定義為：其中：I為光電檢測(cè)器的平均輸出電流； P為光電檢測(cè)器的平均輸入功率。光信號(hào)接收器原理圖光信號(hào)的接收主要是利用 硅光電二極管 (SPD)把傳輸光纖出射端輸出的光信號(hào)的光功率轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之成正比的光電流I0 ，然后經(jīng)I / V 轉(zhuǎn)換電路再把光電流轉(zhuǎn)換成電壓V0輸出 。V0和I0之間有以下關(guān)系： 以IC3 為主要元件構(gòu)成的是一個(gè)集成音頻功放電路，只要調(diào)節(jié)外接的電位器Wnf，就可改變功放電路的電壓增益，功放電路中電容Cnf的大小決定著該電路的下限截止頻率。2.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想: 音頻信號(hào)的光纖傳輸系統(tǒng)主要包括：光信號(hào)發(fā)送器；傳輸光纖以及光信號(hào)接收器。三個(gè)部分。光信號(hào)發(fā)送器由半導(dǎo)體發(fā)光二極管（Light Emitted Diode 簡(jiǎn)稱LED），以及由它的調(diào)制、驅(qū)動(dòng)電路組成；光信號(hào)接收器包括了發(fā)光二極管的電流/電壓（I/V）轉(zhuǎn)換電路和功放電路。組成該系統(tǒng)時(shí)，光源LED的發(fā)光中心波長(zhǎng)必須在傳輸光纖呈現(xiàn)低損耗的 、 或 附近，光電檢測(cè)器件的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)也應(yīng)與此接近。本實(shí)驗(yàn)采用發(fā)光中心波長(zhǎng)為0.85 的半導(dǎo)體發(fā)光二極管作光源，峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為 5 的硅光電二極管（Silica Photo Diode 簡(jiǎn)稱 SPD）作光電檢測(cè)元件。 在傳播過程中，為了避免或減小波形失真，要求載波的頻率寬度能覆蓋被傳信號(hào)的頻率范圍。由于光導(dǎo)纖維對(duì)光信號(hào)具有很寬的頻帶，完全可以將頻譜在3003400 范圍的音頻信號(hào)覆蓋。整個(gè)系統(tǒng)的頻帶寬度（即可傳信號(hào)的頻率寬度）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。光信號(hào)發(fā)送器：光信號(hào)發(fā)送器由信號(hào)放大電路，和LED的驅(qū)動(dòng)電路組成。放大后的信號(hào)進(jìn)入右側(cè)的信號(hào)發(fā)送系統(tǒng)。LED的正常工作需要有一定的正向偏壓，一般是在1.2-1.4V之間，光功率與LED驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系稱為電光特性。由NPN三極管構(gòu)成的LED的驅(qū)動(dòng)電路，就是給LED提供正常工作所需的正向偏壓。本實(shí)驗(yàn)儀LED最大允許工作電流為50mA，把偏置電流選為L(zhǎng)ED最大允許工作電流的一半，可使LED獲得無截止畸變幅度最大的調(diào)制，有利于信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳送。光信號(hào)接收器：光信號(hào)接收器由光電轉(zhuǎn)換器和集成音頻功放電路組成。光電轉(zhuǎn)換器是由峰值響應(yīng)波長(zhǎng)與發(fā)送端LED的發(fā)光中心波長(zhǎng)很接近的硅光電二極管（SPD）和運(yùn)算放大器組成。硅光電二極管的任務(wù)是把傳輸光纖出射端輸出光信號(hào)的光功率轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之成正比的光電流I0，然后經(jīng)運(yùn)算放大器組成的I / V 轉(zhuǎn)換電路把光電流轉(zhuǎn)換成電壓V0輸出，然后經(jīng)功放電路放大后還原成音頻信號(hào)播放。三.實(shí)驗(yàn)儀器本實(shí)驗(yàn)使用的是四川大學(xué)物理系研制的YOFA型音頻信號(hào)光纖傳輸技術(shù)實(shí)驗(yàn)儀，包括：1.光纖2.雙蹤示波器 功率計(jì)、音頻信號(hào)發(fā)送器和音頻信號(hào)接收器3.音頻信號(hào)發(fā)生器四.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容本實(shí)驗(yàn)包括了以下幾部分內(nèi)容：1 光信號(hào)發(fā)送器特性的研究（1）LED傳輸光纖組件電光特性的測(cè)定（2） LED 偏置電流與無截止畸變最大調(diào)制幅度關(guān)系的測(cè)定（3） 光信號(hào)發(fā)送器調(diào)制放大電路幅頻特性的測(cè)定2. 光信號(hào)接收器特性的研究(1) 硅光電二極管特性及響應(yīng)度的測(cè)定(2) 光信號(hào)的檢測(cè)(3) 光電信號(hào)的放大 3.原始數(shù)據(jù)表格LED傳輸光纖組件電光特性的測(cè)量I偏(mA)048121620光功率P(uW)012.017.1硅光電二極管特性及響應(yīng)度的測(cè)試 Rf=23.8(k)I偏(mA)048121620Vo(mV)7.29.521.849.388.2135.1LED偏執(zhí)電流與無截止畸變最大調(diào)制幅度關(guān)系的測(cè)定:f=1KHz,測(cè)量中,如mA表指針在原設(shè)定的偏執(zhí)電流附近擺動(dòng),盡管波形畸變不明顯,但說明輸出已失真,此時(shí)應(yīng)減小信號(hào)的調(diào)制幅度.I偏(mA)048121620電壓峰值(mA)(峰-峰值)12.556110170250280光信號(hào)發(fā)送器調(diào)制放大電路幅頻特性的測(cè)定:I偏=15mA,Vi=10mv時(shí)F(kHz)0.10.511.522.533.5Vi(mV)1010101010101010Vo(mV)300300300300290290290287F(kHz)44.5579121620Vi(mV)101010987.565.8Vo(mV)280275265235210180140110光信號(hào)的檢測(cè):I偏=15mA,Vi=10mVF(kHz)0.10.8511.522.533.5發(fā)送器Vo(mV)300300300290290280280265接收器Vo(mV)6565687070706868F(kHz)44.5579121620發(fā)送器Vo(mV)250250240210190150120100接收器Vo(mV)6565605550403020五.數(shù)據(jù)處理:LED電光特性曲線文字描述: 由圖像可以看出在4mA到19mA之間成線性關(guān)系IP特性曲線I0.3025210.399160.9159662.0714293.7058825.676471光功率P(uW)01217.1R=I/P=(0.915966-0.39916)/( 3.8-1.3)= 0.206722LED偏置電流與無截止畸變最大調(diào)制幅度的關(guān)系曲線Vmax-I偏放大倍數(shù)隨頻率變化的關(guān)系曲線:F(kHz)0.10.511.522.533.5G3030303029292928.7F(kHz)44.5579121620G2827.526.526.1111126.252423.3333318.96552可以看出在大于運(yùn)放的截止頻率和飽和頻率之間，運(yùn)放放大倍數(shù)最大，隨著頻率的增加運(yùn)放的放大功能減弱。發(fā)送器Vo(mV), 接收器Vo(mV)曲線由圖像可以看出來，電勢(shì)隨著頻率的增大而變小。5.實(shí)驗(yàn)中常見問題的分析 （1）發(fā)送器W1和W2在實(shí)驗(yàn)前（開機(jī)之前）和實(shí)驗(yàn)后都要逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到最小，防止開機(jī)就有較大的電流損壞LED； （2）LED上的直流偏置電流要小于20mA，否則會(huì)燒壞LED； （3）調(diào)節(jié)音頻信號(hào)發(fā)生器輸出的正弦信號(hào)的幅度，使其峰峰值小于等于20mV（實(shí)驗(yàn)過程中保持Vi20mV峰峰值）； （4）實(shí)驗(yàn)過程中如果出現(xiàn)截止或飽和削波失真，說明調(diào)制信號(hào)幅度過大，要適當(dāng)減小調(diào)制信號(hào)幅度，保證不失真； （5）當(dāng)調(diào)制幅度過強(qiáng)時(shí)，毫安表指示會(huì)在原來設(shè)定的偏置電流的附近左右擺動(dòng)，要減小調(diào)制信號(hào)幅度。1 線路連接沒有問題，示波器、信號(hào)發(fā)生器均工作正常，但屏幕上沒有信號(hào)，或者只有干擾信號(hào)。 2測(cè)量中，偏流調(diào)不到要求的20mA。這種情況大多是由于輸入信號(hào)太大，造成輸出波形失真，從而導(dǎo)致該現(xiàn)象發(fā)生。測(cè)量出的信號(hào)轉(zhuǎn)換功率太低，只有10幾個(gè)W。正常情況下，輸出功率應(yīng)能達(dá)到20至30幾個(gè)W。 如果數(shù)值較低，一種情況可能是光纖離光源的距離較遠(yuǎn)造成的（光纖距透鏡太遠(yuǎn)），教師可以將接口處打開，調(diào)整這一距離，也可以請(qǐng)實(shí)驗(yàn)室人員處理。另一種情況也可能是LED被燒壞。六、實(shí)驗(yàn)結(jié)論1.實(shí)驗(yàn)通過對(duì)LED-傳輸光纖組件的電光特性的測(cè)量，得出了在合適的偏置電流下，其具有線性。驗(yàn)證了硅光電二極管可以把傳輸光纖出射端輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)變成與之成正比的光電流。2. 拓展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容光纖中的傳播時(shí)間和速度由于光在透光介質(zhì)中的傳播速度反比于介質(zhì)的折射率C = Kn-1因此可以斷定光在光纖中的傳播速度小于光在空氣中的傳播速度C0 3108m/s.本實(shí)驗(yàn)通過測(cè)量一串光脈沖信號(hào)在一個(gè)特定長(zhǎng)度光纖中的傳播時(shí)間，來求出光在光纖中的傳播速度，從而算出光纖的平均折射率。我們?cè)诠饫w的輸入端輸入一連串穩(wěn)定的光脈沖信號(hào)，并在光纖的輸出端接收這些信號(hào)，由于光纖的長(zhǎng)度引起一個(gè)脈沖信號(hào)的時(shí)間延遲T1T1 =L/C1其中C1為光在光纖中的速度，L為光纖長(zhǎng)度，如果我們測(cè)出了T1則C1 = L/T1再由C1/C0 = n0 /n1 求出光纖的平均折射率n1=(C0/C1)n0其中C1為光在光纖中的速度，C0為光在空氣中的速度，n0為空氣的折射率七、參考文獻(xiàn)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教程 北京郵電大學(xué)出版社 北京郵電大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心編北京郵電大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心 /jpjs/szdw.htm清華大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心 30/八、物理實(shí)驗(yàn)課程小結(jié)1.學(xué)習(xí)課程的收獲:學(xué)習(xí)了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)這一課程后使我受益匪淺。從基礎(chǔ)知識(shí)到所學(xué)內(nèi)容的綜合應(yīng)用，以及獨(dú)立研究都獲得了很大的提高。在物理實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)過程中，老師認(rèn)真講解實(shí)驗(yàn)所用到的基礎(chǔ)理論知識(shí)，并嚴(yán)格按照數(shù)據(jù)測(cè)量、誤差分析、數(shù)據(jù)處理、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析的步驟要求我們。是我們練就了一套系統(tǒng)的、扎實(shí)的實(shí)驗(yàn)方法的基本功。最值得一提的是，這一課程采用了多形式、多元化的