2007-3-8光纤音频信号

2007-3-8光纤音频信号 THKGT-1型光纤音频信号传输实验仪 光纤音频信号传输技术实验 研究光导纤维传递光、信息和图像的学科称为纤维光学。用光导纤维(也称光纤)来传递 光能，具有光能损失小、数值孔径大、分辨率高、可弯曲、结构简单、使用方便等优点。 自20世纪70年代初第一条适合通信用的石英光导纤维问世以来，光纤技术已取得惊人的发展，并成为现代科学技术领域中重要组成部分。因此，了解光纤理论和光纤技术的基本知识，十分必要。 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。 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较好信号传输质量。 二、实验设备 1(THKGT-1型光纤音频信号传输实验仪。 2(函数信号发生器。 3(双踪示波器。 1 THKGT-1型光纤音频信号传输实验仪 三、实验原理 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的电光特性及使用方法，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 2 THKGT-1型光纤音频信号传输实验仪 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，具有代表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较大的纤芯内部，覆上一层折 3 THKGT-1型光纤音频信号传输实验仪 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阶跃折射率型和渐变折射率型光纤。 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3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，如图4所示。偏离中心轴线的光线沿曲线蛇行前进。上述两种光纤纤 4 THKGT-1型光纤音频信号传输实验仪 芯直径为50,100µm，称为多模光纤。图5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6所示，光线1以θ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在对面界面上发生第二次全m 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值θ时，折射光线在纤芯和包层界面上的入射角Фa 5 THKGT-1型光纤音频信号传输实验仪 才会大于临界角Ф，光线才能在光纤内多次全反射而传递到另一端。在光纤端面上，入射角 m θ′>θ的那些光线，折射后在界面上的入射角小于临界角Ф，光线将射出界面，如图中光线2。am 这个入射角θ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Na 定义为 22N=nsinθ= (1) n,n0a12 式中n是入射光线所在介质的折射率，n和n分别为光纤的纤芯和包层的折射率。由式(1)012 可见，纤芯和包层的折射率相差越大，θ越大，光纤的数值孔径就越大，它的值一般在0.1,0.6a 之间，对应的θ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a 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2θmax范围外入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 6 THKGT-1型光纤音频信号传输实验仪 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实际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、P分别为光纤的输入和输出光功率，L为光纤i0 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 7 THKGT-1型光纤音频信号传输实验仪 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)对光的散射现象通 -4常称为瑞利散射。由瑞利散射造成的损耗与λ成正比，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 8 THKGT-1型光纤音频信号传输实验仪 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)。 (4)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。 (5)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 9 THKGT-1型光纤音频信号传输实验仪 包层表面不圆度=2(D-D)/(D+D) (4) maxminmaxmin 式中d、d是芯径最大值和最小值，D、D是包层表面直径的最大值和最小值。 maxminmaxmin 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。 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7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7 发光二极管驱动和调制电路 10 THKGT-1型光纤音频信号传输实验仪 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8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8 发光二极管的正弦信号调制原理 3(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9所示，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 11 THKGT-1型光纤音频信号传输实验仪 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。 图9 光信号接收端的工作原理图 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 打开实验仪电源，面板上两个三位半数显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 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 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/光电传输特性曲线。 2(光纤传输系统频响的测定 将输入选择开关打到“外”，在音频信号输入接口上从函数信号发生器输入正弦波，将双踪 12 THKGT-1型光纤音频信号传输实验仪 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接口，保持输入信号的幅度不变，调节函数信号发生器输出频率，记录输入信号频率变化时输出信号幅度的变化，分别测定系统的低频和高频截止频率。 3(LED偏置电流与无失真最大信号调制幅度关系测定 将从函数信号发生器输入的正弦波频率设定在1kHz，输入信号幅度(音频幅度)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，调节函数信号发生器输出幅度，使其从零开始增加，同时在接收端信号输出处通过示波器观察波形变化，直到波形出现截止现象时，记录此时电压波形的峰-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(多种波形光纤传输实验 将输入选择开关打到“外”，在音频信号输入接口上分别从函数信号发生器输入方波信号和三角波信号，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接口，保持输入信号的幅度不变，调节函数信号发生器输出频率，从接收端通过示波器观察输出波形变化情况，记录输入信号频率变化时输出信号幅度的变化，分别测定系统的低频和高频截止频率。 在数字光纤传输系统中往往采用方波来传输数字信号。 5(音频信号光纤传输实验 13 THKGT-1型光纤音频信号传输实验仪 将输入选择打到“内”，按下内音频信号触发按钮，通过调节发送光强度电位器改变发送端LED的静态偏置电流，收听在接收端发出的语音片音乐声，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，并同时通过示波器观察分析语音信号波形变化情况。 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反偏压，为什么, 5(如果纤芯的中心和包层的中心不同心，这样的光纤有什么不好, 14 THKGT-1型光纤音频信号传输实验仪 THKGT-1型光纤音频信号传输实验仪 使用 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 书 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的电光特性及使用方法，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。信号传输的频响:20Hz,20kHz 。 THKGT-1型光纤音频信号传输实验仪由以下几部分组成: 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。 一、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1所示，信号调制采用光强度调制的方法，发 15 THKGT-1型光纤音频信号传输实验仪 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0,20mA，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想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、三角波信号。 输入选择:打到“外”选择外接音频信号，打到“内”选择内置语音片产生的音频信号。 内音频触发:按下按钮，启动内置语音片信号发生器，此时当输入选择开关打到“内”时，音频信号叠加到静态的LED驱动电流上。 音频幅度:用于调节音频信号的幅度。 发送光强度:用于调节LED静态驱动电流，调节范围为0,20mA，对应发送光强度显示为0,2000。 16 THKGT-1型光纤音频信号传输实验仪 图1 发光二极管的驱动和调制电路 二、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，为了使学生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。 三、光纤耦合器 光纤耦合器将LED发出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。 17 THKGT-1型光纤音频信号传输实验仪 四、光信号的检测与解调 图2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 图2 光信号接受端的工作原理图 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。 接收光强度显示:显示静态光接收强度，面板显示0,2000对应静态电压0,20mV。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。 18 THKGT-1型光纤音频信号传输实验仪 19