光纤音频信号传输技术实验

光纤音频信号传输技术实验 TKGT-1 学院:工业制造学院 专业:测控技术与仪 器 班级:2010级2班 人:邱兆芳 学号:201010114201 光纤音频信号传输技术实验 1(引言 随着Internet网络时代的到来，人们对数据通讯的带宽、速度的要求越来越高，光纤通讯具有频带宽、高速、不受电磁干扰影响等一系列优点，正在得到不断发展和应用。通过使用THKGT-1型光纤音频信号传输实验仪做音频信号光纤传输实验，让学生熟悉了解信号光纤传输的基本原理。同时学生可以了解光纤传输系统的基本结构及各部件选配原则，初步认识光发送器件LED的电光特性及使用，光检测器件光电二极管的光电特性及使用方法，基本的信号调制与解调方法，完成光纤通讯原理基本实验。 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。 光纤广泛应用于各种工业控制、分布式数据采集等场合，特别适合电力系统自动化、交通控制等部门。 通过本实验的学习，在了解光导纤维的基本结构和光在其中传播规律的基础上，要建立起光导纤维的数值孔径、光纤色散、光纤损耗、集光本领等基本概念。 [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。 [实验仪器] THKGT-1型光纤音频信号传输实验仪，函数信号发生器，双踪示波器。 [实验原理] 光纤传输系统如图1所示，一般由三部分组成:光信号发送端;用于传送光信号的光纤;光信号接收端。光信号发送端的功能是将待传输的电信号经电光转换器件转换为光信号，目前，发送端电光转换器件一般采用发光二极管或半导体激光管。发光二极管的输出光功率较小，信号调制速率相对低，但价格便宜，其输出光功率与驱动电流在一定范围内基本上呈线性关系，比较适宜于短距离、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，适宜于远距离、高速、数字信号的传输。光纤的功能是将发送端光信号以尽可能小的衰减和失真传送到光信号接收端，目前光纤一般采用在近红外波段0.84μm、1.31μm、1.55μm有良好透过率的多模或单模石英光纤。光信号接收端的功能是将光信号经光电转换器件还原为相应的电信号，光电转换器件一般采用半导体光电二极管或雪崩光电二极管。组成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匹配。本实验发送端电光转换器件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，传输光纤采用多模石英光纤，接收端光电转换器件采用峰值响应波长为0.8,0.9μm的硅光电二极管。下面对各部分作进一步介绍。 图1 光纤传输系统 2(光纤结构与光纤传输的工作原理 光纤是传导光波的玻璃纤维(也有塑料光纤)，它由纤芯和包层组成，纤芯位于光纤的中心部位，光主要在这一部分里传输。纤芯外面由包层围绕，纤芯折射率比包层折射率约大1%。对于不同的应用，有许多不同类型的光纤。根据纤芯折射率的分布，具有代性的光纤是阶跃折射率型和渐变折射率型两种。 目前用于光通讯的光纤一般采用石英光纤，它是在折射率n2较大的纤芯外表，覆上一层折射率n1较小的包层，光在纤芯与包层的界面上发生全发射而被限制在纤芯内传播，如图2所示，光纤实际上是一种介质波导，光被闭锁在光纤内，只能沿光纤传输，光纤的芯径一 按照传输光模式可分为多模光纤和单模光纤，按照光纤折射率分般从几微米至几百微米， 布方式不同可以分为阶跃折射率型和渐变折射率型光纤。 n 0 图2 光纤传输的工作原理 阶跃折射率型光纤包含两种圆对称的同轴介质，两者都质地均匀，但折射率不同，外层折射率低于内层折射率。阶跃折射率型光纤纤芯与包层间折射率的变化是阶梯状的，如图40-2所示。光线的传输是在纤芯与包层的界面上产生全反射，呈锯齿形前进。 渐变折射率型光纤是一种折射率沿光纤横截面渐变的光纤，这样改变折射率的目的是使各种模传播的群速相近，从而减小模色散增加通讯带宽。渐变折射率型光纤纤芯的折射率从中心轴线开始沿径向逐渐减小。偏离中心轴线的光线沿曲线蛇行前进。上述两种光纤纤芯直径为50,100µm，称为多模光纤。图2为单模光纤，其纤芯直径为3,10µm。 多模折射率阶跃型光纤由于各模传输的群速度不同而产生模间色散，传输的带宽受到限制。多模折射率渐变型光纤由于其折射率特殊分布使各模传输的群速度一样而增加信号传输的带宽。单模光纤是只传输单种光模式的光纤，单模光纤可传输信号带宽最高，目前长距离光通讯大都采用单模光纤。 光纤是玻璃细丝，性脆、易断，为提高其抗拉强度，保护表面和使用方便，在包层表面又涂履一层硅酮树脂一类的材料，称涂履层。 石英光纤的主要技术指标有衰减特性，数值孔径和色散等。 (1)数值孔径:数值孔径描述光纤与光源、探测器和其他光学器件耦合时的特性，它的大小反映光纤收集光的能力。数值孔径是光纤传光性质的结构参数之一，是表示光学纤 ,维集光能力的一个参量。如图2所示，光线1以角入射在光纤端面上，光线经折射后进入光纤，以角Ф入射到纤芯和包层间的光滑界面上。只要我们选择适当的入射角θ，总可以使角Ф大于临界角Ф，使光线1在界面上发生全反射。全反射光线1又以同样的角度Ф在对面界m 面上发生第二次全反射。如果光导纤维是均匀的圆柱体，入射光线经无数次全反射后从另一端以和入射角θ相同的角度射出。 ,在光纤端面上，当光线入射角小于一定时，折射光线在值纤芯和包层界面上的入射a 角Ф才会大于临界角，光线才能在Ф光纤内多次全反射而传递到另一端。在光纤端面上，m 入射角θ′>θa的那些光线，折射后在界面上的入射角小于临界，光线将射出角Ф界面，如图m 40-2中光线2。这个入射角θa称为光学纤维的孔径角，它的数值由光学纤维的数值孔径决定。光纤的数值孔径N定义为 22,n,n N=n0sin= (1) a21 式中n0是入射光线所在介质的折射率，n2和n1分别为光纤的纤芯和包层的折射率。由式(40-1)可见，纤芯和包层的折射率相差越大，越大，光纤的数值θ孔径就越大，它的值一a 般在0.1,0.6之间，对应的θa在9?,33?。数值孔径是表示光纤集光能力的一个参量，它越大就表示光线接受的光通量越多。 如图2所示，在立体角2θmax范围内入射到光纤端面的光线1在光纤内部界面产生全反射而得以传输，在2θma射到光纤端面的光线2则在光纤内部界面不产生全反射而是透射范围外入x 到包层而马上被衰减掉。多模光纤具有较大的数值孔径，单模光纤的数值孔径相对较小，所以一般单模光纤需用LED半导体激光器作为其光源。 (2)光纤的损耗: 光纤的传输损耗是光纤传输特性的一个重要指标，它直接影响着光纤的传输效率。对于通信应用中的光纤，低的损耗特别重要。对于传感用光纤，效率问题也十分重要，因为有时它会影响测量的灵敏度。 实现光通信的首要问题是如何降低光传输的损耗，光纤的损耗从最初的几千分贝每公里降到20dB/km(1970年)，以后又逐渐减低到0.47dB/km(1976年)，以至0.2 dB/km，这样，使光纤通讯在20世纪70年代初即成为现实。 当光从光纤的一端射入而从另一端射出时，光强将减弱，这意味着光在光纤中传播时产生了损耗，光纤在传输中的损耗大小由下式计算: a=(10/L)lg(P/P) (2) i0 式中a为光纤的衰减系数，单位为dB/km，P、P0分别为光纤的输入和输出光功率，L为i 光纤长度，以km为单位。光纤中引起光能量衰减(损耗)的原因有吸收损耗、散射损耗和辐射损耗。 (1) 吸收损耗 吸收损耗与组成光纤材料的电子受激跃迁和分子共振有关。当电子与光子相互作用时，电子会吸收能量而被激发到较高能级。分子的共振吸收与原子构成分子时共价键的特性有关。当光子的频率与分子的振动频率接近或相等时发生共振，并大量吸收光能量。以上吸收损耗是材料本身所固有的，就是在不含任何杂质的材料中也存在上述现象，所以又被称为本征吸收。 (2) 散射损耗 玻璃中的散射损耗是由于材料密度的微观变化、成分起伏以及在制造光纤过程中遇到不均匀或不连续的情况时，一部分光就会散射到各个方向，而不能传输到终点，从而造成散射损耗。 材料在形成的过程中由于内部密度的不均匀致使材料中出现折射率的差异，从而引起光的散射效应，造成光能的损失。这种不均匀微粒(不均匀程度远小于光波长)对光的散 -4射现象通常称为瑞利散射。由瑞利散射造成的损耗成正比，与λ它随着光波长的增加而急剧减小。在小于1μm的波长范围内，瑞利散射是光纤中主要的损耗因素。 (3) 辐射损耗 当光纤有一定曲率半径的弯曲时，就会产生辐射损耗。光纤可能受到两种类型的弯曲:弯曲半径比光纤直径大很多的弯曲，例如当光缆拐弯时就会发生这样的弯曲;微弯曲，当把光纤组合成光缆时可能使光纤的轴线产生随机性的微弯曲。当曲率半径很大时(轻度弯曲)，辐射损耗较小一般可不予考虑，当曲率半径变小时损耗呈指数增长。 光纤的损耗是各种因素影响的总结果，它可以简单地归结为固有损耗和非固有损耗两类。固有损耗包括由光纤材料的性质和微观结构引起的吸收损耗和散射损耗。它们是光纤中都存在的损耗因素，从原理上讲是不可克服的，因而它们决定了光纤损耗的极限值。非固有损耗是指杂质吸收、结构不完善引起的散射和弯曲辐射损耗等。非固有损耗可以通过光纤制造技术的完善，得以消除或减小，它们对总损耗的影响已不是主要问题。 光纤的损耗主要有由于材料吸收引起的吸收损耗，纤芯折射率不均匀引起的散射(瑞利散射)损耗，纤芯和包层之间界面不规则引起的散射损耗(称为界面损耗)，光纤弯曲造成的损耗，纤维间对接(永久性的拼接和用连接器连接)的损耗，以及输入与输出端的耦合损耗。在0.8,0.9μm波段内损耗约2dB/km，属于低损耗区，这是目前光通信仅用的短波长“窗口”。在1.3μm，0.5dB/km;在1.55μm、0.2dB/km是最低损耗，这是近期光通信希望获得的长波长“窗口”。 石英光纤在近红外波段0.84μm、1.31μm、1.55μm有较好透过率。因此传输系统光源的发射光波长必须与其吻合，目前长距离光通讯系统多采用1.31μm或1.55μm 单模光纤。(目前，单模光纤传输损耗在1.31μm和1.55μm分别为0.35dB/km和0.2dB/km)。 (3)光纤的色散直接影响可传输信号的带宽，色散主要由三部分组成:折射率色散;模色散;结构色散。折射率色散是由于光纤材料的折射率随不同光波长变化而引起，采用单波长、窄谱线的半导体激光器可以使折射率色散减至最小。采用单模光纤可以使模色散减至最小。结构色散由光纤材料的传播常数及光频产生非线性关系所造成。目前单模光纤的传输带宽可达数GHz。 (4)光纤的几何参数:根据国际电报电话咨询委员会(CCITT)建议，光纤几何参数包括以下内容:芯径、包层表面直径、芯径不圆度、包层表面不圆度、包层表面相对于纤芯中心的不同心度。它们分别由下面公式来定义: 纤芯不圆度=2(d-d)/(d+d) (3) maxminmaxmin 包层表面不圆度=2(D-D)/(D+D) (4) maxminmaxmin 式中dma、dmin是芯径最大值和最小值，D、Dmin是包层表面直径的最大值和最小xmax 值。 包层表面相对纤芯中心的不同心度=y/d (5) 式中y是纤芯中心和包层表面中心的距离，d是芯径。 一、仪器的评价 1、简介仪器的设计目标 1)光信号发送端的工作原理 系统采用的发光二极管的驱动和调制电路如图3所示，信号调制采用光强度调制的方法，发送光强度调节电位器用以调节流过LED的静态驱动电流，从而相应改变发光二极管的发射光功率，设定的静态驱动电流调节范围为0,20毫安，对应面板光发送强度驱动显示值0,2000单位， 图43 发光二极管驱动和调制电路 当驱动电流较小时发光二极管的发射光功率与驱动电流基本上呈线性关系，音频信号经电容、电阻网络及运放跟随隔离后耦合到另一运放的负输入端，与发光二极管的静态驱动电流相叠加使发光二极管发送随音频信号变化的光信号，如图40-4所示，并经光纤耦合器将这一光信号耦合到传输光纤。可传输信号频率的低端可由电容、电阻网络决定，系统低频响应不大于20Hz。 2) 光信号接收端的工作原理 光信号接收端的工作原理图如图40-5所示，传输光纤把从发送端发出的光信号通过光120 纤耦合器将光信号耦合到光电转换器件光电二极管，光电二极管把光信号转变为与之成正100 比的电流信号，光电二极管使用时应反偏压，经运放的电流电压转换把光电流信号转换成 80与之成正比的电压信号，电压信号中包含的音频信号经电容电阻耦合到音频功率放大器驱亚洲区 动喇叭发声。光电二极管的频响一般较高，系统的高频响应主要取决于运放等的响应频率。 60欧洲区 北美区40 20 0 一月二月三月四月 图4 发光二极管的正弦信号调制原理 图5光信号接收端的工作原理图 2、仪器装置结构与特点 集光纤信号传输系统各部件于一体，结构紧凑; 采用优质大线径石英光纤，具有良好的光传输特性; 设有外接、内置信号接口; 数字显示静态电光?光电传输特性，便于测量; 传输系统信号频响为:20Hz20KHz，失真度小 3、评价仪器的设计优势 仪器结构式能反映光纤通信的完整过程 仪器能各展示现象的功能 仪器能各调试和测量通信信号的功能 二、仪器的质量评价 1、仪器信号传输质量评价 1)光纤传输系统静态电光/光电传输特性测定 打开仪器电源，连接光纤，分别观测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，填写 并在方格纸上绘制静态电光/光电传输特性曲线。 发送 光强 度 接收 光强 度 2)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 分别接到发送端示波器接口和接收端音频信号输出口， 保持输入信号的幅度不变，连续调节信号发生器输出 频率(可以从1k赫兹开始，使频率连续调小或连续 调大)，记录输出端信号电压幅度的变化情况，分别 测定系统的低频和高频截止频率(可以信号衰减为 正常信号(如频率1k赫兹)响应电压幅度的三分之 一左右视为截止)。作关系曲线如右图并要求给出具体 数据即最低和最高截止频率。 3)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， 保持不变。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 节信号发生器的信号源输出幅度，使其从零伏开始 增加，同时在信号接收端观察波输出波形电压变化， 直到波形出现失真现象时，记录下此时电压波形的 峰-峰值，由此确定LED在不同偏置电流下信号 输出的最大幅度。作关系曲线如右图并要求给出具 体数据。 4)多种波形光纤传输实验 通过信号发生器的上档键切换方波与正弦波，将方波信号和三角波信号先后输 入音频接口，分别改变输入频率和输入电压，从接收端观察输出波形变化情况。(结论:在数字光纤传输系统中往往采用方波来传输数字信号，但我们本套系统，不太适合方波传播)。 5)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(1000个发送光强度左右)，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。 [光纤音频信号传输实验仪板面图] 图6 实验仪面板图 2、实现教育目标的质量评价 在实验过程中能从多方面的实现实验的要求 学习音频信号光纤传输系统的基本结构和各部件的选配原则 熟悉光纤传输系统中电光/光电转换器件的基本性能 如何在音频信号光纤传输系统中获得较好的信号传输质量 基本上能作为教学仪器的要求，满足教学需求 三、意见 就个人来看，此仪器完全能达到我所需的要求，因为个人的能力还不够要求仪器更好的地步，所以对仪器没有更好的改进意见，在老师的指导下基本能很好的完成实验。