实验一音频信号光纤传输技术实验.doc

音频信号光纤传输技术实验
[目的要求]
1. 熟悉半导体电光/光电器件的基本性能。
2. 了解音频信号光纤传输的结构。
3. 学习分析集成运放电路的基本方法。
4. 了解音频信号在光纤通信的基本结构和原理
[仪器设备]
1. ZY120FCom13BG3型光纤通信原理实验箱。
2. 20MHz双踪模拟示波器。
3. FC/PC-FC/PC 单模光跳线
4. 数字万用表。
5. 850nm光发端机和光收端机
6. 连接导线
7. 电话机
[实验原理]
一． 半导体发光二极管结构、工作原理、特性及驱动、调制电路
光纤通讯系统中，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许多方面均有特殊要求。所以不是随便哪种光源器件都能胜任光纤通讯任务，目前在以上各个方面都能较好满足要求的光源器件主要有半导体发光二极管（LED）、半导体激光二极管（LD），本实验采用LED作光源器件。

图1 半导体发光二极管及工作原理
光纤传输系统中常用的半导体发光二极管是一个如图所示的N-P-P三层结构的半导体器件，中间层通常是由GaAs（砷化镓）p型半导体材料组成，称有源层，其带隙宽度较窄，两侧分别由GaAlAs的N型和P型半导体材料组成，与有源层相比，它们都具有较宽的带隙。具有不同带隙宽度的两种半导体单晶之间的结构称为异结。在图（1）中，有源层与左侧的N层之间形成的是p-N异质结，而与右侧P层之间形成的是p-P异质结，故这种结构又称N-p-P双异质结构。当给这种结构加上正向偏压时，就能使N层向有源层注入导电电子，这些导电电子一旦进入有源层后，因受到右边p-P异质结的阻挡作用不能再进入右侧的P层，它们只能被限制在有源层与空穴复合，导电电子在有源层与空穴复合的过程中，其中有不少电子要释放出能量满足以下关系的光子：
hυ = E-E = E
其中h上普朗克常数，υ是光波的频率，E是有源层内导电电子的能量，E是导电电子与空穴复合处于价健束缚状态时的能量。两者的差值 E与DH结构中各层材料及其组份的选取等多种因素有关，制做LED时只要这些选取和组份的控制适当，就可便得LED发光中心波长与传输光纤低损耗波长一致。

图2 HFRB-1424型LED的正向伏安特性
本实验采用HFBR-1424型半导体发光二极管的正向特性如图2所示与普通的二极管相比，在正向电压大于1V以后，才开始导通，在正常使用情况下，正向压降为1.5V左右。半导体发光二极管输出的光功率与其驱动电流的关系称LED的电光特性。为了使传输系统的发送端能够产生一个无非线性失真、而峰-峰值又最大的光信号，使用LED时应先给它一个适当的偏置电流，其值等于这一特性曲线线性部分中点电流值，而调制电流的峰-峰值应尽可能大地处于这电光特性的线性范围内。
音频信号光纤传输系统发送端LED的驱动和调制电路如图3示，以BG1为主构成的电路是LED的驱动电路，调节这一电路中的W2可使LED的偏置电流在0-50mA的范围内变化。被传音频信号由IC1为主构成的音频放大电路放大后经电容器C4耦合到基极，对LED原工作电流进行调制，从而使LED发送出光强随音频信号变化的光信号，并经光导纤维把这一信号传至接收端。
C
∽
w
C
R
R
R
C
C
R
W
LED
R
R
mA
光纤
IC1
BG1

图3 LED的驱动和调制电路
根据理想运放电路开环电压增益大（可近似为无限大）、同相和反相输入阻抗大（也可近似为无限大）和虚地等三个基本性质，可以推导出图6所示音频广大闭环增益为：
G(jω) = v/v = 1+Z/Z
其中Z、Z分别为放大器反馈阻抗和反相输入端的接地阻抗，只要C选得足够小，C选得足够大，则在要求带宽的中频范围内，C 阻抗很大，它所在支路可视为开路，而C的阻抗很小，它可视为短路。在此情况下，放大电路的闭环增益G（jω）=1+ R/R。C 的大小决定了高频端的截止频率f,而C的值决定着低频端的截止频率f。故该电路中的R、 R、R和C、C是决定音频放大电路增益和带宽的几个重要参数。
二． 光导纤维的结构及传光原理
光纤按其模式性质通常可以分成两大类①单模光纤②多模光纤。无论单模或多模光纤，其结构均由纤芯和包层两部分组成。纤芯的折射率较包层折射率大，对于单模光纤，纤芯直径只有5~10μm，在一定的条件下，只允许一种电磁场形态的光波在纤芯内传播，多模光纤的纤芯直径为50μm或62.5μm，允许多种电磁场形态的光波传播；以上两种光纤的包层直径均为125μm。按其折射率沿光纤截面的径向分布状况又分成阶跃型和渐变型两种光纤，对于阶跃型光纤，在纤芯和包层中折射率均为常数，但纤芯一包层界面处减到某一值后，在包层的范围内折射率保持这一值不变，根据光射线在非均匀介质中的传播理论分析可知：经光源耦合到渐变型光纤中的某些光射线，在纤芯内是沿周期性地弯向光纤轴线的曲线传播。
本实验采用阶跃型多模光纤作为信道，现应用几何光学理论进一步说明这种光纤的传光原理。阶跃型多模光纤结构如图所示，它由纤芯和包层两部分组成，芯子的半径为a，折射率为，包层的外径为b，折射率为,且>。

图4 阶型多模光纤的结构示意图
当一光束投射到光纤端面时，进入光纤内部的光射线在光纤入射端面处的入射面包含光纤轴线的称为子午射线，这类射线在光纤内部了行径，是一条与光纤轴线相交、呈“Z”字型前进的平面折线；若藉合到光纤内部的光射线在光纤入射端面处的入射面不包含光纤轴线，称为偏射线，偏射线在光纤内部不与光纤轴线相交；其行径是一条空间折线。
三． 系统的组成
图（5）示给出了一个音频信号直接光强调制光纤传输系统的结构原理图，它主要包括由LED及其调制、驱动电路组成的光信号发送器、传输光纤和由光电转换、I—V变换及功放电路组成的光信号接收器的三个部分。
∽
功 放
R
W
LED
SPD
R
I/V变换
R
E
信号源
光纤

图5 音频信号光纤传输实验系统原理图
本实验采用中心波长0.85μm附近的GaAs半导体发光二极管（LED）作光源、峰值响应波长为0.8~0.9μm的硅光二极管（SPD）作光电检测元件。由于光导纤维对光信号具有很宽的频带，故在音频范围内，整个系统的频带宽度主要决定于发送端调制放大电路和接收端功放电路的幅频特性。
[实验内容]
一． 音频信号光纤传输实验
1、连接导线：模拟信号源模块T303与光发模块T111连接。
2、用FC-FC光纤跳线1310nm光发端机（1310nmT）与1310nm光收端机（1310nmR）连接起来。
3、将拨码开关BM1,BM2和BM3分别拨至模拟，1310nm和1310nm。K121拨下。
4、接上交流电源，先开交流开关，再看直流开关K01，K02，五个发光管全亮
5、打开模拟信号源模块（K60）、光发模块（K10）的直流电源。
6、调节模拟信号源模块的电位器W306，使TP303波形幅度为2V.
7、用万用表监控R110两端的电压（红色插T103，黑色插T104）调节半导体激光器驱动电流（W112），使之小于25mA
8、调节电位器W111，W112和W121，使得TP121处波形的幅度为2V且无明显失真，用示波器观察TP111，TP112，TP121波形，观察模拟信号的光纤调制过程
9、将T303换成T302（三角波）或T301（方波），观察各测试点的波形效果。
10、拆除T111连接导线，音频线将电脑语音输出端与实验箱的外语音输入端（T252）连接，T252与T111连接，T121与T261连接，并使电脑播放音乐。
11、打开语音信号处理模块电源开关，调节音量（W261），判断光纤传输音乐信号的效果（用示波器观察测试点波形）。
12、依次关闭直流电源、交流电源，拆除导线，拆除各光学器件，将实验箱放好。
二． 模拟电话光纤传输系统实验
1、调节电位器，使1310nm光纤通信系统能够正常传输模拟信号。
2、连接导线：电话用户模块T401与光发模块T111连接，T412与T121连接，T402与T4111连接，并在电话甲、和电话已口上分别接上电话机。
3、用FC-FC光纤跳线1310nm光发端机（1310nmT）与1310nm光收端机（1310nmR）连接起来。
4、将拨码开关BM1,BM2和BM3分别拨至模拟，1310nm和1310nm。K121拨下。
5、接上交流电源，先开交流开关，再看直流开关K01，K02，五个发光管全亮
6、打开电话用户接口模块（K40，K41）和光发模块（K10）的直流电源。
7、用万用表监控R110两端的电压（红色插T103，黑色插T104）调节半导体激光器驱动电流（W112），使之小于25mA
8、摘机进行俩个人通话实验，用示波器测试并比较TP401，TP402的波形（由于话音信号的波形比较复杂，所以可以选用双音多频信号的按键音来观察测试点的波形），并做好记录。
9、依次关闭直流电源、交流电源，拆除导线，拆除各光学器件，将实验箱放好。
10、根据上述步骤，设计并执行850nm光纤传输系统模拟电话传输实验。
[思考题]
1. 根据电路图，分析W111，Ｗ112,W121的作用，并用实验验证。
2.
3. 光纤传输系统是否可以传输数字信号，为什么？
4. 能否用一个光纤传输两路模拟信号，如果可以，如何实现，如果不行，说明理由。
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