光纖通訊實(shí)驗(yàn)

1、 光纖通訊實(shí)驗(yàn) 2014301020106 14級(jí)弘毅班 譚善Abstract: Here, we conduct audio signal optical fiber transmission experiment through using THKGT-1 optical signal transmission experimental apparatus. The target of experiment is that students can have a good command of the principle of fiber-optic communication. At m

2、ean time, students can understand the structure of fiber-optic transmission system. Preliminary, students should know how to use LED and understand its current-illumination characteristic. Finally, students are supposed to finish this experiment. Keyword: optical fiber signal transmission transition

3、 signal quality 摘要：本次試驗(yàn)通過(guò)使用THKGT-1型光纖音頻信號(hào)傳輸實(shí)驗(yàn)儀做音頻信號(hào)光纖傳輸實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生熟悉了解信號(hào)光纖傳輸?shù)幕驹怼Ｍ瑫r(shí)學(xué)生可以了解光纖傳輸系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及各部件選配原則，初步認(rèn)識(shí)光發(fā)送器件LED的電光特性及使用方法，光檢測(cè)器件光電二極管的光電特性及使用方法，基本的信號(hào)調(diào)制與解調(diào)方法，完成光纖通訊原理基本實(shí)驗(yàn)。關(guān)鍵詞：光纖信號(hào) 傳輸 轉(zhuǎn)換 信號(hào)質(zhì)量引言：光纖通訊（Fiber-optic communication）也稱(chēng)光纖通信，是指一種利用光與光纖（optical fiber）傳遞資訊的方式。屬于有線通信的一種。光經(jīng)過(guò)調(diào)變（modulation）后便能攜帶

4、資訊。自1980年代起，光纖通訊系統(tǒng)對(duì)于電信工業(yè)產(chǎn)生了革命性的影響 ，同時(shí)也在數(shù)位時(shí)代里扮演非常重要的角色。光纖通信 傳輸容量大，保密性好等 優(yōu)點(diǎn)。光纖通信現(xiàn)在已經(jīng)成為當(dāng)今最主要的有線通信方式。將需傳送的信息在發(fā)送端輸入到發(fā)送機(jī)中，將信息疊加或調(diào)制到作為信息信號(hào)載體的載波上，然后將已調(diào)制的載波通過(guò)傳輸媒質(zhì)傳送到遠(yuǎn)處的接收端，由接收機(jī)解調(diào)出原來(lái)的信息。 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 學(xué)習(xí)光纖信號(hào)傳輸系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)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(xùn)練如何在光纖傳輸系統(tǒng)中獲得較好信號(hào)傳輸質(zhì)量。 儀器設(shè)備1、 光纖音頻信號(hào)傳輸實(shí)驗(yàn)儀2、 雙蹤示波器實(shí)驗(yàn)原理&

5、#160;1、光纖傳輸系統(tǒng)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(hào)發(fā)送端；用于傳送光信號(hào)的光纖；光信號(hào)接收端。光信號(hào)發(fā)送端的功能是將待傳輸?shù)碾娦盘?hào)經(jīng)電光轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，光纖的功能是將發(fā)送端光信號(hào)以盡可能小的衰減和失真?zhèn)魉偷焦庑盘?hào)接收端，目前光纖一般采用在近紅外波段0.84m、1.31m、1.55m有良好透過(guò)率的多?；騿文Ｊ⒐饫w。光信號(hào)接收端的功能是將光信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器件還原為相應(yīng)的電信號(hào)，光電轉(zhuǎn)換器件一般采用半導(dǎo)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(zhǎng)必須與傳輸光纖呈現(xiàn)低損耗窗口的波段、光電檢測(cè)器件的峰值響應(yīng)波段匹配。2光信號(hào)發(fā)送端的工作原理 系

6、統(tǒng)采用的發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)和調(diào)制電路如圖二所示，信號(hào)調(diào)制采用光強(qiáng)度調(diào)制的方法，發(fā)送光強(qiáng)度調(diào)節(jié)電位器用以調(diào)節(jié)流過(guò)LED的靜態(tài)驅(qū)動(dòng)電流，從而相應(yīng)改變發(fā)光二極管的發(fā)射光功率3光信號(hào)接收端的工作原理 圖四是光信號(hào)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(hào)通過(guò)光纖藕合器將光信號(hào)藕合到光電轉(zhuǎn)換器件光電二極管，光電二極管把光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之成正比的電流信號(hào)，光電二極管使用時(shí)應(yīng)反偏壓，經(jīng)運(yùn)放的電流電壓轉(zhuǎn)換把光電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之成正比的電壓信號(hào)。光電二極管的頻響一般較高，系統(tǒng)的高頻響應(yīng)主要取決于運(yùn)放等的響應(yīng)頻率。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

7、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(shù)指標(biāo)有衰減特性，數(shù)值孔經(jīng)和色散等。5、 光信號(hào)的檢測(cè)與解調(diào) 傳輸光纖把從發(fā)送端發(fā)出的光信號(hào)通過(guò)光電耦合器將光信號(hào)耦合到光電二極管，光電二極管把光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之成正比的電流信號(hào)，光電二極管使用時(shí)應(yīng)反偏壓，經(jīng)運(yùn)放的電流電壓轉(zhuǎn)換把光電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之成正比的電壓信號(hào)，電壓信號(hào)中包含的音頻信號(hào)經(jīng)電電阻耦合到音頻功率放大器驅(qū)動(dòng)喇叭發(fā)聲。 光信號(hào)接受端的工作原理如圖所示：儀器部分按鈕詳細(xì)說(shuō)明音頻輸出：用于連接示波器觀察出解調(diào)的音頻信號(hào)及各種輸出波形

8、。 音量調(diào)節(jié)：用于調(diào)節(jié)揚(yáng)聲器的音量。 光接收強(qiáng)度顯示：顯示靜態(tài)光接收強(qiáng)度，面板顯示02000對(duì)應(yīng)靜態(tài)電壓020mV。當(dāng)有音頻信號(hào)時(shí)，顯示的是平均值，顯示值會(huì)變動(dòng)。當(dāng)發(fā)出光強(qiáng)度為零時(shí)，面板上顯示的數(shù)值是光電二極管的暗電流的產(chǎn)生的電壓輸出。 儀器裝置結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)： 集光纖信號(hào)傳輸系統(tǒng)各部件于一體，結(jié)構(gòu)緊湊； 采用優(yōu)質(zhì)大線徑石英光纖，具有良好的光傳輸特性； 設(shè)有外接、內(nèi)置信號(hào)接口；  數(shù)字顯示靜態(tài)電光光電傳輸特性，便于測(cè)量； 傳輸系統(tǒng)信號(hào)頻響為:20Hz-20KHz，失真度小。 儀器的人性化設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)：從

9、實(shí)驗(yàn)箱一眼就可以看出，分為三個(gè)部分，與原理上一樣的排布；每一個(gè)接口都有文字說(shuō)明，且還有兩個(gè)顯示發(fā)送光和接受光強(qiáng)度的顯示屏；光纖是外接在試驗(yàn)箱外面的，這樣就考慮到了學(xué)生可能不了解傳輸部分和光纖的樣子而迷惑。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1、光纖傳輸系統(tǒng)靜態(tài)電光/光電傳輸特性測(cè)定 將儀器面板上的電位器逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到最小，打開(kāi)儀器電源，連接光纖，分別觀測(cè)面板上兩個(gè)三位半數(shù)字表頭分別顯示發(fā)送光驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度和接收光強(qiáng)度。調(diào)節(jié)發(fā)送光強(qiáng)度電位器，每隔200單位（相當(dāng)于改變發(fā)光管驅(qū)動(dòng)電流2mA）分別記錄發(fā)送光驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)與接收光強(qiáng)度數(shù)據(jù)，填寫(xiě)表格并在方格紙上繪制靜態(tài)電光/光電傳輸特性曲線。實(shí)驗(yàn)表格發(fā)送光強(qiáng)度2004006

10、0080010001200140016001800接收光強(qiáng)度1223105147229331143135215581762實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：圖中可以看出，在發(fā)送光強(qiáng)度較小時(shí)，接收到的光強(qiáng)度信號(hào)較小，但并不與發(fā)送光強(qiáng)度信號(hào)成正比，在頻率較大時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)發(fā)送光強(qiáng)度和接收光強(qiáng)度成正比關(guān)系，從整體上看，發(fā)送光強(qiáng)度與接收光強(qiáng)度還是有很好的線性關(guān)系的，這個(gè)特性對(duì)于信號(hào)的傳輸和保真有著重要的作用。2、 光纖傳輸系統(tǒng)頻響的測(cè)定調(diào)節(jié)面板上的“發(fā)光強(qiáng)度調(diào)節(jié)”使發(fā)光強(qiáng)度指示為1000單位（相當(dāng)于改變發(fā)光管驅(qū)動(dòng)電流10mA）。選擇“內(nèi)信號(hào)”，“正弦波”將發(fā)射單元與接收單元接到示波器。調(diào)節(jié)“幅度調(diào)節(jié)”至最大，“音頻調(diào)節(jié)”也

11、調(diào)到最大。使兩波幅度一致，調(diào)節(jié)信號(hào)源至500Hz。每500Hz記錄一次數(shù)據(jù)。繪制光纖傳輸系統(tǒng)的幅頻特性曲線。頻率/Hz5001000150020002500接收幅度/V13.6013.4013.0012.8012.4030003501400044995000549812.3012.0011.6011.2010.9010.6059986498700475007999849910.3010.009.6009.2008.8008.400實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：從中可以觀察到，發(fā)送信號(hào)頻率與接收光強(qiáng)度成線性關(guān)系，曲線比較平直，但是還是有點(diǎn)彎曲，故正弦信號(hào)會(huì)出現(xiàn)失真。也可以看出，正弦信號(hào)激勵(lì)下穩(wěn)態(tài)響應(yīng)隨信號(hào)頻率的

12、增大而減小。3、 LED偏置電流與無(wú)失真最大信號(hào)調(diào)制幅度關(guān)系測(cè)定將發(fā)送光強(qiáng)度調(diào)為0，選擇“內(nèi)信號(hào)”“正弦波”，連接好示波器調(diào)節(jié)信號(hào)源幅度為1V，“音頻調(diào)節(jié)”至最大，調(diào)節(jié)信號(hào)源至1000Hz，觀察示波器的波形。然后調(diào)節(jié)發(fā)光強(qiáng)度至波形不失真，記錄此時(shí)發(fā)光強(qiáng)度指示，然后調(diào)節(jié)“幅度調(diào)節(jié)”旋鈕使波形出現(xiàn)峰峰值2V，調(diào)節(jié)發(fā)光強(qiáng)度旋鈕使波形不失真，記錄此時(shí)的發(fā)光強(qiáng)度示數(shù)，以此類(lèi)推，分別記錄波形峰峰值為3到10伏的剛好不失真時(shí)的發(fā)光強(qiáng)度指示。信號(hào)源幅度/V12345不失真光強(qiáng)一直失真一直失真413215168LED偏置電流/mA4.132.151.68信號(hào)源幅度/V678910不失真光/p>

13、LED偏置電流/mA1.310.930.820.600.48實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：從圖看出，信號(hào)源幅度越大，越容易失真，即失真越明顯，故為了減小失真，可以適當(dāng)減小信號(hào)源幅度，或減小偏置電流。4、 多種波形光纖傳輸實(shí)驗(yàn)1） 調(diào)節(jié)面板上的“發(fā)光強(qiáng)度調(diào)節(jié)”使發(fā)送光強(qiáng)度指示為1000單位（相當(dāng)于發(fā)光管驅(qū)動(dòng)電流10mA)。2） 將“輸入選擇”開(kāi)關(guān)打到“內(nèi)信號(hào)”，再“波形選擇”為“方波”，并將信號(hào)接到示波器。3） 調(diào)節(jié)信號(hào)源“幅度調(diào)節(jié)”旋鈕使信號(hào)源幅度最大，再調(diào)節(jié)“音頻調(diào)節(jié)”旋鈕為最大，調(diào)節(jié)“頻率調(diào)節(jié)”旋鈕改變頻率觀察示波器上波形的變化。再將“波形選擇”開(kāi)關(guān)打到“三角波”。改變頻率觀察波形變化，分析或記錄所觀測(cè)到

14、的波形變化。在數(shù)字光纖傳輸系統(tǒng)中往往采用方波來(lái)傳輸數(shù)字信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是：1、輸入方波，當(dāng)頻率很小時(shí)，示波器上的圖很大，即是顯示屏上的方波周期數(shù)很少，此時(shí)方波失真較小，隨著頻率的增加，顯示頻上的波的數(shù)量增加，波形失真依然較小，而且峰峰值并不改變，輸出信號(hào)依然很穩(wěn)定。2、 輸入三角波時(shí)，在頻率較小時(shí)的情況與方波類(lèi)似，但是當(dāng)頻率較大時(shí)，特別是頻率大于6000Hz時(shí)，接收信號(hào)嚴(yán)重失真，而且抖動(dòng)非常厲害，且有一個(gè)峰峰值突然變小的過(guò)程。此外，正弦波與三角波的現(xiàn)象類(lèi)似，不過(guò)正弦波的振幅隨頻率變化是線性的，也就是說(shuō)不是突變的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：這個(gè)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，方波信號(hào)在傳輸過(guò)程中的損耗很?。词д婧苄。?，而且信號(hào)的強(qiáng)度衰減也較弱，但是其它波形的信號(hào)失真會(huì)或多或少地大，這也就是人們經(jīng)常在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中往往采用方波來(lái)傳輸數(shù)字信號(hào)的原因。5、音頻信號(hào)光纖傳輸實(shí)驗(yàn)1） 調(diào)節(jié)面板上的“發(fā)光強(qiáng)度調(diào)節(jié)”使發(fā)送光強(qiáng)度指示為1000單位（相當(dāng)于發(fā)光管驅(qū)動(dòng)電流10mA)。2） 將“輸入選擇”開(kāi)關(guān)打到“內(nèi)音樂(lè)”，按照以上方法將信號(hào)接到示波器。3） 按下“內(nèi)音頻樂(lè)觸發(fā)”按鈕，微調(diào)“音量調(diào)節(jié)”收聽(tīng)在接收端發(fā)出的語(yǔ)音片音樂(lè)聲。同時(shí)通過(guò)示波器觀察分析語(yǔ)音信號(hào)波形變化情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：首先可以觀察到，示波器上的波是正弦波，每響一個(gè)音接收到的波跳動(dòng)一下，接收到的波形與輸入的波信號(hào)相比失真很小。另外，輸出波的振幅恒定，當(dāng)