光纤音频信号传输实验

1 光纤音频信号传输实验 一.实验目的 1.了解音频信号光纤传输系统的组成及选配各主要部件的原则。 2.熟悉光纤传输系统中半导体电光/光电转换器件的基本性能及主要特 性的测试方法。 3.训练如何在音频光纤传输系统中获得较好传输质量及其调试技能。 二.仪器组成及系统实验配套设备 OFC-Ⅲ型在 OFC-Ⅰ型及 OFC-Ⅱ型基础上，综合用户使用，囊括 了以下八大部分： 1.光信号发送器； 2.光纤信道； 3.光信号接收器； 4.光功率指示器； 5.调制信号发生器(可产生正弦波，三角波，矩形波，语音信号)； 6.频率计； 7.数字毫伏(直流、交流各一个)； 8.直流电流表； 最大限度地综合了系统实验所需要的各种设备，用户只需配备一部双 踪示波器，即可做完全部实验.既节省了配套开支，又使实验快捷方便。 三.音频信号光纤传输的基本原理 音频信号光纤传输系统由光信号发送端，光纤信道及光信号接收端组 成.光发送端将待传输的电信号经电光转换器件转换为光信号，经光纤信道 传输到接收端.光信号接收端再将光信号经光电转换器件还原为相应的电信 号.光发送端由调制电路和光源器件及其驱动电路组成，如图 1 所示。由于 Nemo 日期图章 (蓝) 2 光纤信道的频带极宽；所以系统的频带主要由调制电路决定。 光纤信道的主要优点是： 1.频带宽，信息容量大； 2.传输损耗低，传输距离长 3.材料资源丰富； 4.体积小，重量轻，便于敷设； 5.抗干扰性强，使用安全． 其性能价格比远远优于其他传输信道。目前已获得广泛的应用。 光信号接收器由光电变换电路（包含光电变换及 I/V变换）与功放电路 组成。如图 2 所示。目前发送端的光源器件即电光转换器件一般采用发光 二极管或半导体激光管。发光二极管的输出功率较小，信号调制速率较低， 但价格便宜，适合于短距离、低速、模拟信号的传输。激光二极管输出功 率大，信号调制速率高，但价格较高，适合于远距离、高速、数字信号的 3 传输。目前光纤一般采用近红外波段 0.84µm，1.30µm和 1.55µm有良好透 过率的多模或单模石英光纤．由于单模光纤只传输基模，没有模式色散， 频带比多模光纤更宽，尤其适合远距离大容量通信。 光信号接收端的功能是将光信号经光电转换器件（一般采用半导体光 电二极管或雪崩二极管）还原为相应的电信号。需要特别指出的是要组成 一个高效，宽频带的光纤传输系统，光源的发光波长必须与传输光纤呈现 低损耗窗口的波段，光电检测器件的峰值响应波段相匹配．例如：发送端 采用中心发光波长为 0.84µm的高亮度近红外半导体发光二极管，传输信道 采用在近红外波段 0.84µm有良好透过率的多模石英光纤，接收端采用峰值 响应波长为 0.8～0.9µm的硅光电二极管。 （一）光发送器的工作原理 参考图 1，音频信号光纤传输系统发送器由调制电路和 LED 的驱动电 路组成．信号调制采用光强度调制的方法，“偏流调节”电位器可使 LED的 偏置电流在 0-50mA的范围内变化(注意：为了防止 LED因使用电流过大而 过早的衰老，通常限制电流不超过 50mA)．在一定范围内，LED输出光功 率与驱动电流基本上呈线性关系．为了减小失真，调整“偏流调节”电位器， 4 使 LED的静态偏流置于线性段的中点，如 25mA。 根据运算电路理论不难看出，只要 C2 选得足够小，C1 选得足够大， C2的大小就决定了高频率端的截止频率 ƒ2，而 C1的值决定着低频端的截 止频率 ƒ1。 （二）光信号接收器的工作原理 参考图 2，半导体光电二极管 SPD 把传输光纤输出端输出的光信号的 光功率转变为与之成正比的光电流 I0，然后经 IC1组成的 I/V转换电路，再 把光电流转换成电压 V0输出，V0与 I0之间具有以下比例关系： V0=Rf I0 IC2构成音频功放电路，“音量调节”电位器调节扬声器的音量。为了减少实 验室各实验组之间的相互干扰，在不需要收听声音信号时，把电位器旋至 最小。 四．实验内容与实验步骤 ㈠ 光信号的调制与发送实验 参看实验仪面板，调制信号由“输入选择”“波段开关”“频率调节”“幅度调 节”等旋钮控制。 “输入选择”分为五档，其中： “ ”—断开调制信号源，使发送器工作于无信号输入的静态状态． “ ”－输入调制信号为正弦波，其幅度由 3位半数字交流毫伏表“输入 幅度显示”表示，最大量程 1.999 伏(注意；由于交流毫伏表频带限制，在 500Hz以下毫伏表指示为信号幅度准确值，500Hz以上指示偏小。不能代表 信号准确幅度)； “ ”—输入调制信号为三角波； “ ”——输入调制信号为矩形波； 以上三种信号的频率由“波段开关”与“频率调节”旋钮来控制， “波段开 关”为频率粗调，频率范围约为 10Hz～30KHz，分为 5个波段，“频率调节” 为频率细调，可以精确到 1Hz。频率的具体值由“频率计”指示。输入信号的 幅度由“幅度调节”旋钮控制。 5 “ ”—— 输入语音信号； 1．LED—— 传输光纤组件电光特性的测定 ①开机前的准备 将面板上“偏流调节”旋钮，逆时针旋至最小，以避免开机后 LED长期 工作于最大电流而引起疲劳缩短使用寿命；“幅度调节”逆时针旋至最小； 将“音量调节”旋钮旋至最小，以避免声音的相互干扰；将光纤发送电缆插 入“光纤输入”插孔，光纤接收电缆插入“光功率计输入”插孔；打开电源开关， 指示灯亮，表明已加电工作。 ②将“输入选择”调到“0”位；调整“光功率计调零”旋钮，使“光功率显示” 为零或接近零。 ③调整“偏流调节”旋钮，使 DC电流表指示从零逐渐增加，每增加 3mA 读取一次光功率指示值，直到 20mA 为止。实验完后，立即把电流表调整 为零。根据测量结果描绘 LED－传输光纤组件的电光特性曲线，并确定出 线性段较好的线段。 2．LED偏置电流与无截止畸变最大调制幅度关系的测定 调“输入选择”旋钮至“ ”位，调“波段开关”至 3档，调“频率调节”旋 钮，观察“频率计”显示约 1KHz，把双踪示波器的一条通道接到“发射监测”， 接地夹子夹在“接地点”。然后，调“偏流调节”，由 DC 电流表读出的 LED 偏流电流分别为 0 ，3mA ，6mA，9mA，……，20mA的各种情况下，旋 转“幅度调节”旋钮，调节信号源输出幅度，用示波器观察光信号无截止畸 变的最大调制幅度。将测试值用表格记录下来。 注意，测试完后，将偏流调至最小。 3．光信号发送器调制放大电路幅频特性的测定 参看图 1，把双踪示波器的通道 1 和通道 2 分别接到“输入监测”和“输 出监测”，用示波器观测放大器输入和输出端波形的峰—峰值，在 20Hz～ 20KHz的范围内改变信号源频率(始终保持输入端信号幅度不变)，观察并记 录对应每一个频点相应的输出信号的幅度，再根据记录结果在方格纸上绘 6 出幅频特性曲线。注意，①在频率范围的低端和高端观测点密一些，而中 间范围观测点可以疏一些。②输入信号幅度可选择 10mv或更小一点，以保 证在整个测量过程中输出波形不失真。 ㈡ 光信号接收及传输系统的综合实验 1．光纤传输系统静态电光/光电传输特性测定 将“输入选择”旋钮置于“0”位，将传输光纤的接收电缆插入“光纤输出” 插孔。调节偏流电位器，使“DC 电流表”的指示每隔 5mA 改变一次，观测 面板上“光接收强度显示”，分别记录偏流数据和光接收强度数据，在方格 纸上绘制静态电光/光电传输特性曲线。 2．LED偏置电流与无截止畸变最大调制幅度关系测定 将“输入选择”旋钮置于“ ”，将“波段开关”置于 3 档，调“频率调节” 旋钮，观察“频率计”，给发送端输入约 1000Hz的正弦波。将双踪示波器的 通道 1接至光信号发送器的“输入监测”，通道 2接至光信号接收器的“音频 输出”。在偏流为 10mA和 25mA两种情况下，分别调节信号源“幅度调节” 旋钮，使“输入监测”处的信号幅度从零开始慢慢增加，观察接收端“音频输 出”处波形变化，直到波形出现截止畸变现象时，记录下输入电压波形的峰 —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。 3．光纤传输系统幅频特性的测定 实验方法同前面叙述的发送器调制放大电路幅频特性的测定，不同处 是将双踪示波器的通道 1 和通道 2 分别接到发送电路的“输入监测”和接收 电路的“音频输出”。 ㈢ 多种波形光纤传输实验 调节“输入选择” 旋钮，分别将方波信号和三角波信号输入发送电路， 改变输入频率，从接收电路的“音频输出”端观察输出波形变化情况。 ㈣ 语音信号光纤传输实验 “输入选择”旋钮置于“ ”，从而将“语音片”的音乐声送入发送电路， 将“音量调节”调至合适位置，收听音频信号光纤传输系统的音响效果，试 7 验时，适当调节“幅度调节”“偏流调节”“音量调节”旋钮，考察听觉效果并用 示波器观测“音频输出”的波形变化。 思考题： 1．在远距离传输中，如何选择电光转换器件，光纤，光电转换器件? 2．为了保证传输不失真如何设定光源的偏流和调制幅度？ 3．当调置幅度较小时，指示 LED 偏流的“DC”电流表读数与调制信号 幅度无关，当调制信号幅度增加到一定程度后，电流表的读数将随调制信 号的幅度增加，为什么? 4．为什么“幅度调节”、“音量调节”旋钮都对语音传输的响果有影响？