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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
2、 较好信号传输质量。 二、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 光波属于电磁波的范畴,在均匀介
3、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
4、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,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 图3 常用的光探测器是半导体光电
5、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),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
6、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
7、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
8、 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
9、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
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