光纤音频信号传输技术

光纤音频信号传输技术 74 实验 光纤音频信号传输技术 【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。 【仪器设备】 TKGT一1型音频信号光纤传输实验仪信号发生器双踪示波器。 【实验原理】 1引言 随着Internet网络时代的到来人们对通讯的带宽、速度的要求不断提高光纤通讯具有宽频带、高速、不受电磁干扰影响等一系列优点正在得到不断发展。音频信号光纤传输实验就是让我们熟悉了解信号光纤传输的基本原理。 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 0.84m、1.31m、1.55m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0.84m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0.8m至0.9m的硅光电二极管。下面对各部分作进一步介绍。 2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2所示信号调制采用光强度调制的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020毫安对应面板光发送强度驱动显示值0—2000单位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迭加使发光二极管发送随音频信号变化的光信号如图3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。 图1 75 3光信号接收端的工作原理 图4是光信号接收端的工作原理图传输光纤把从发送端发出的光信号通过光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。 4传输光纤的工作原理 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较大的纤芯内部覆上一层折射率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五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般从几微米至几百微米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布方式不同可以分为折射率阶跃型和折射率渐变型光纤。折射率阶跃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一层折射率低于内层折射率。梯度折射率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图2 图3 图4 76 相近从而减小模色散增加通讯带宽。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。石英光纤的主要技术指标有衰减特性数值孔经和色散等。 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特性。它的大小反映光纤收集光的能力如图5所示在立体角2max范围内入射到光纤端面的光线在光纤内部界面产生全反射而得以传输在2max范围外入射到光纤端面的光线则在光纤内部界面不产生全反射而是透射到包层而马上被衰减掉光纤的数值孔经定义为NASinmax它的值一般在0106之间对应的max在90330多模光纤具有较大的数值孔径单模光纤的数值孔经相对较小所以一般单模光纤需用LD半导体激光器作为其光源。 光纤的损耗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相连的损耗以及输入与输出端的耦合损耗。石英光纤在近红外波段0.84m、1.31m、1.55m有较好透过率。因此传输系统光源的发射光波长必须与其相合目前长距离光通讯系统多采用1.31m或1.55m单模光纤。目前单模光纤传输损耗在1.31m或1.55m分别为0.35dBkm和0.2dBkm。 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GHzs。 【仪器介绍】 TKGT一1型音频信号光纤传输实验仪信号传输的频响20Hz20kHz由以下几部分组成 1光信号的调制和发送 2传送光信号的光纤 3光纤耦合器 4光信号的检测与解调。 下面对各部分的使用及注意事项加以说明。 1光信号的调制和发送 系统采用的发光二极管的驱动和调制电路如图l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图5 77 的发射光功率设定的静态驱动电流调节范围为020mA对应面板光发送强度驱动显示值02000单位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迭加使发光二极管发送随音频信号变化的光信号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。 音频接口用于连接外加的音频信号。 示波器接口用于连接外加的正弦波方波三角波。 输入选择打向“外”选择外接语音信号打向“内”选择内置语音片产生的语音信号。 内音频触发按下按钮启动内置语音片信号产生器此时当输入选择开关打向“内”时语音信号迭加到静态的LED驱动电流上。 音频幅度用于调节语音信号的强度。 光发送强度用于调节LED静态驱动电流调节范围为020mA对应光发送强度显示为0 2000。 2传送光信号的光纤 传送光纤采用优质石英光纤是本仪器的关键器件为了使大家对光通讯各部分有较直观的理解仪器将光纤及光耦合器外置务请学生要小心不能将光纤取下随意弯曲以免光纤折断。 3光纤耦合器 光纤耦合器将LED发射的光信号耦合到石英光纤和将经光纤传输的光信号耦合到光电检测器件光电二极 管。 4光信号的检测与解调 图4是光信号接收端的工作原理图传输光纤把从发送端发出的光信号通过光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。 音频输出用于连接示波器观察输出解调的音频信号及各种输出波形。 音量调节用于调节扬声器的音量。 光接收强度显示显示静态光接收强度面板显示02000对应静态电压020mV。当有音频信号调制时显示的是平均值显示值会变动。当发送光强度为零时面板上显示的数值是光电二极管的暗电流产生的电压输出。 【实验步骤】 1光纤传输系统静态电光光电传输特性测定 分别打开光发送端电源和光接收端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 光纤传输系统频响的测定 将输入选痒开关打向外在音频输电传输特性曲线。 78 2 入接口上从信号发生器输入正弦波将双踪示波器的通道l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。 3LED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。 4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原因并同时在示波器中分析观察语音信号波形变化情况。 【思考】 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