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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
2、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，当光射线射到两种介质交界面
3、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）,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，
4、光电检测器件的峰值响应波段相匹配（本系统在微米）。,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,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
5、），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、散射和辐射等原因，光强不可避免地要随着传播距离的增加而减少。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：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
6、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
7、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/光电传输特性测定,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,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
8、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,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,将输入选择打向内，调节发
9、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,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,
