光纤传输语音电路设计课程设计

东北石油大学课程设计

2016年2月26日

东北石油大学课程设计任务书

课程光电检测技术

题目光纤传输语音电路设计

专业应用物理姓名于栋超学号120901340224

主要内容：

应用集成电路、光敏二极管、三极管，设计光电发射与接收电路，光纤传输语音信号的功能。

基本要求：

1）设计光纤传输语音信号的框图。

2）设计光信号发射电路及光信号接收电路。

3）传输距离200米左右。

4）调试安装。

5）完成课程设计总结报告。

主要参考资料：

1）李芳健编著.光纤通信相关技术[M].北京：机械工业出版社, 2010.11.

2) 雷御堂编著，光电信息技术[M].北京：电子工业出版社. 2006.4.

3) 黄继昌等编著.检测专用集成电路及应用[M]. 北京：人民邮电出版社，2006.10. 完成期限

指导教师

专业负责人

年月日

第1章概述

1.1选题背景

光纤传输语音技术其实就是光纤通信技术。光纤通信技术的出现和发展，是基于电力通信的基础上的。

光纤通信，即光导纤维通信，是以光波作为信息载体，以光导纤维作为传输媒介，以实现信息传递的一种通信方式。随着当今世界科技的迅猛发展，光纤通信技术从光通信中脱颖而出，已成为现代通信的主要支柱之一，也是世界新技术革命的重要标志和未来信息社会中各种信息的主要传送工具，在现代电信网中起着举足轻重的作用。近年来，光纤通信的发展速度之快、应用面之广是通信史上罕见的，这主要在于它的通信容量大，传输距离远，信号串扰小，保密性能好，传输质量佳，抗电磁干扰，而且尺寸小，重量轻，寿命长，成本低等特点。光纤通信技术应用迅速增长，自1977年光纤系统首次商用安装以来，电话公司就开始使用光纤链路替代旧的铜线系统。今天的许多电话公司，在他们的系统中全面使用光纤作为干线结构和作为城市电话系统之间的长距离连接。提供商已开始用光纤铜轴混合线路进行试验。这种混合线路允许在领域之间集成光纤和同轴电缆，这种被称为节点的位置，提供将光脉冲转换为电信号的光接收机，然后信号再经过同轴电缆被传送到各个家庭。近年来，作为一种通信信号传输的恰当手段，光纤稳步替代铜线是显而易见的，这些光缆在本地电话系统之间跨越很长的距离并为许多网络系统提供干线连接。

光纤是一种采用玻璃作为波导，以光的形式将信息从一端传送到另一端的技术。今天的低损耗玻璃光纤相对于早期发展的传输介质，几乎不受带宽限制并具有独一无二的优势，点到点的光学传输系统由三个基本部分构成：产生光信号的光发送机、携带光信号的光缆和接收光信号的光接收机。光纤传输设备传输方式可简单的分成：多模光纤传输设备和单模光纤传输设备。光缆传输的实现与发展形成了它的几个优点。相对于铜线每秒1.54MHz的速率，光纤网络的运行速率

达到了每秒2.5GB。从带宽看，很大的优势是：光纤具有较大的信息容量，这意味这能够使用尺寸很小的电缆，将来就不用更新或者增强传输光缆中信号。

1.2发展前景

目前，在光纤通信领域应用方面有几个发展热点。首先是超高速传输系统和向超大容量波分复用系统的演进，现在虽然取得了一定的突破，但还是处于试验研究阶段。然后是光传送联网技术，即建立既可以实现超大容量光网络和网络扩展性、重构性、透明性，又允许网络的节点数和业务量的不断增长、互连任何系统和不同制式的信号的光联网。建设一个最大透明的、高度灵活的和超大容量的国家骨干光网络，不仅可以为未来的国家信息基础设施(NJJ)奠定一个坚实的物理基础，而且也对我国下一世纪的信息产业和国民经济的腾飞以及国家的安全有极其重要的战略意义。

从国内方面来看，在国内各研发机构、科研院所、大学的科研人员的共同努力下，我国已研制开发了一些具有自主知识产权的光纤通信高技术产品，取得了一批重要的研究与应用成果。这些研究工作和突出成果为O-TIME(光时代)计划的实施奠定了坚实的基础，为我国的信息基础设施建设做出了重大贡献。

现在光纤通信技术虽然已经发挥出了巨大的作用，但还有许多应用能力处于闲置，今后随着社会经济的不断发展，作为经济发展先导的信息需求也必然不断增长，光纤通信技术在应用需求的推动下，一定会有日新月异的发展！

第2章光纤传输语音电路设计原理

2.1光纤传输语音电路

根据设计任务要求作出如图1的电路框图：

图1 光纤传输语音电路图

发射器元器件选择：IC1选用LM358集成电路。VQ1选用BC547三极管。

C1选用0.1μF单体电容。VD选用IF-E96光电发射器(蓝底粉红点)。其他元件如图所示。

接收器元器件选择：VT选用IF-D93光电检测器(黑底红点)。C2、C3、CA、C6均选用0.1μF单体电容。其他元器件如图所示。

此电路可以通过1mm塑料光缆传送语音。发射器电路板(KIT26 T)上有一个话筒和调制LED发光的线路。LED装在塑料壳中以便于连接FO光缆进行发送。

在接收器(KIT26 R)板上有光电接收器、扬声器及用于将检测到的光信号变为电信号、放大并且转换为声波的电路。语音信号以光波形式在光缆内传输、不受任何电场和磁场的影响。传输距离远，抗干扰能力强。每个电路板需要一个9V电池，但连续使用时建议使用整流电源。装置中安装有4.3m直径1mm的塑料光缆。

此线路能很好地传送信号通过183m光缆。注意：这里使用的塑料光缆不是1μm的玻璃光缆,使用玻璃光缆可以在更远的距离(约32km)内通信。而塑料光缆实

验应用十分方便，而且在电子噪声环境中进行短距离通信有明显的抗干扰效果。

此电路组装在单面印制线路。

整体流程图如下图：

图2光电检测电路模块组成框图

2.2元器件的选择

2.2.1LM358集成电路

图3 LM358集成电路

LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。LM358 的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。

LM358集成电路的特点：

.内部频率补偿

.低输入偏流

.低输入失调电压和失调电流

.模输入电压范围宽，包括接地

.差模输入电压范围宽，等于电源电压范围

.直流电压增益高(约100dB)

.单位增益频带宽(约1MHz)

.电源电压范围宽：单电源(3—30V) .双电源(±1.5 一±15V)

2.2.2BC547三极管

功率三极管的主要作用是电流放大，以共发射极接法为例（信号从基极输入，从集电极输出，发射极接地），当基极电压UB有一个微小的变化时，基极电流IB也会随之有一小的变化，受基极电流IB的控制，集电极电流IC会有一个很大的变化，基极电流IB越大，集电极电流IC也越大，反之，基极电流越小，集电极电流也越小，即基极电流控制集电极电流的变化。但是集电极电流的变化比基极电流的变化大得多，这就是功率三极管的放大作用。IC 的变化量与IB变化量之比叫做功率三极管的放大倍数β（β=ΔIC/ΔIB, Δ表示变化量。），功率三极管的放大倍数β一般在几十到几百倍。

工作电压/电流用这个参数可以指定该管的电压电流使用范围。特征频率fT 当f= fT时，三极管完全失去电流放大作用。如果工作频率大于fT，电路将不正常工作。 hFE 电流放大倍数。 VCEO 集电极发射极反向击穿电压，表示临界饱和时的饱和电压。PCM 最大允许耗散功率。封装形式指定该管的外观形状，如果其它参数都正确，封装不同将导致组件无法在电路板上实现。

2.2.3IF-E96光电发射器

IF-E96是一款低成本，高速，可见红色LED封装在一个“无连接器”式的塑料光纤包。输出频谱是由一个砷化镓铝产生,其峰值在660nm处，PMMA塑料光纤的最佳传输窗中的一个。器件封装设有一个内部的微透镜和一个精密模制PBT外壳以最大化光耦合到标准1000微米芯塑料光纤缆。

在IF-E96的性能/价格比是高VOL-特别有吸引力UME设计应用。可见红色输出在PMMA低衰减塑料光纤，并有助于排除故障的安装。当与一个IF-D96使用 PHOTOLOGIC探测器对IF-E96可以达到5 Mbps的数据率。快速转换时间和低衰减使IF-E96为一个优秀的设备选择低成本的模拟和数字数据链路可达75米。

IF-E96光电发射器特点：

.低成本高性能 .在低成本高性能

.可见红色输出辅助故障排除

.传输损耗低用PMMA塑料光纤

.快速转换时间

.配合标准1000μm的核心护套塑料光纤电缆

.无需光学设计

.内部的微透镜的高效光耦合

.廉价的塑料外壳连接器

.连接器，纤维少终止

.不透光的房屋提供无干扰的传输

.符合RoHS规定

2.3IF-D93光电检测器

IF-D93是装在一个“无连接器”式的塑料光纤包非常高灵敏度光电复合探测器。对IF-D93的光学响应的范围是从400到1100纳米，使得它具有广泛的可见光和近红外LED和其它光源相容。这包括用于最佳的发送在PMMA塑料光纤fiber.The探测器包650纳米可见红色LED设有一个内部的微透镜和一个精密模制PBT外壳，以确保与标准1000μM芯塑料光纤缆高效光耦合。

对IF-D93是适合于需要高灵敏度的低速光链路。触发速率高达每千是可能使用IF-D93和一个合适的LED 源。光电复合晶体管的操作提供了非常高的光增益，省去了扩增后在许多电路。综合对IF-D93的设计使得它在各种简单，具有成本效益的解决方案。

IF-D93光电检测器特点：

.配合使用标准1000μM芯护套塑料光纤电缆

.没有光学设计要求

.价格便宜，但坚固的塑料外壳连接器

.内部的微透镜的高效光耦合

.连接器，纤维少终止

.不透光的房屋提供干扰自由传输

.非常高光灵敏度

.符合RoHS规定

第3章光纤传输语音电路设计

3.1整体电路图与工作原理

3.1.1根据设计要求设计给出总体电路图

图 4 发射器电路图

图 5 光电接收电路

线路说明：音频信号最初是声波，由发射器的电子麦克风转换为电信号。此

信号由LM358组成的音频放大器放大，并且借助于一个单独的晶体管控制LED 的端电压将电信号转换为光信号。光信号送入塑料光缆。在光缆的另一端，光信号照射到接收器的光电管上。光电管再将其转换成为电信号。此信号被放大并送入扬声器转换为声波。如果不能工作，焊接质量差是电路不工作的最常见的原因。首先在明亮的光线下仔细检查所有焊点，其次查看所有元件（包括IC和电解电容器）是否在PCB板的正确位置。最后，用万用表检查各器件的电压。再检查是否正确地处理了光缆的端头，并且正确地插入了发送器的LED和接收器中。

第4章安装与调试

发射器元器件选择：IC1选用LM358集成电路。VQ1选用晶体三极管。C1选用0.1μF单体电容。VD选用IF-E96光电发射器(蓝底粉红点)。其他元器件如图所示。接收器元器件选择：VT选用IF-D93光电检测器(黑底红点)。C2、C3、CA、C6均选用0.1μF单体电容。其他元器件如图所示。

首先检查元件，特别要确认电阻的标识正确。光纤（FO）发射器和检测器的外观非常相似，检测器安装到接收板上，在黑色外壳上用红色标识；发射器安装到发送板上，在蓝色外壳上用粉红点标识。因两个板子的元件混装在一起，制作时要对照原理图识别元件，然后装到板上。通常首先安装高度最低的元件（如电阻）。电子话筒必须将引脚与连接负极的金属外壳相连（即电路的地或0电平）。发送电路板德尔MIC上标有‘-’标记。确认电解电容器以正确的方向插入。为了得到最佳发送效果，要保证光缆的端面垂直，可以用不同的平面角度来试验。你将发现LED给出的信号相当强，以至于最坏的切割方式，也能在所提供的4.3m 光缆上得到好的接收效果。但要在183m以上距离的传输中得到好的接收效果，光缆末端必须很好地处理。设备组装好后将9V电源接到发送器上，此时在LED 的塑料外壳上能见到红色光线。如果看不到，可能是光电发送器和接收器弄混了。接收器连接电源后扬声器将发出噪声。调小音量，把发射器放在靠近收音机或电视机的房间，确认光缆没有死环或扭结，光缆不能弯折得太厉害，曲率半径要保持在2cm以上。在接收端（FO光缆的末端）应看到从发送器送来的红色光线在接收器的前面闪动。能听到另一个房间里由发送器拾取的声音。将光缆压入接收器，拧紧螺母，就能听到非常清楚的声音。

第5章结论

这是一次综合性的课程设计，本设计中在输入端和接收端中采用声音和电流的转换，传输过程中采用光纤技术传播，光电检测技术完美的运用于整个设计之中，将光信号传输的益处表现的淋漓尽致，同时让我更熟悉了模拟电路中电流的走向及放大增益等等过程，让我把各个课程的所学结合在了一起。今天，人们使用光纤系统承载数字电视、语音和数字是很普通的一件事，在商用与工业领域，光纤已成为地面传输标准。在军事和防御领域，快速传递大量信息是大范围更新换代光纤计划的原动力。尽管光纤仍在初期发展阶段，但总有一天光控飞行控制系统会用重量轻、直径小又使用安全的光缆取代线控飞行系统。光导纤维与卫星和其他广播媒体一起，代表着在航空电子学、机器人学、武器系统、传感器、交通运输及他高性能环境使用条件下的商用通信和专业应用的新的世界潮流。

参考文献

[1]李芳健编著.光纤通信相关技术[M].北京：机械工业出版社, 2010.11.

[2]雷御堂编著，光电信息技术[M].北京：电子工业出版社. 2006.4.

[3]黄继昌等编著.检测专用集成电路及应用[M]. 北京：人民邮电出版社，2006.10.

[4]肖景和编著，集成运算放大器应用精粹[M]，北京：人民邮电出版社，2006.11

[5]陈振官等编著，光电子电路制作实例[M]，北京：国防工业出版社2006.4.

东北石油大学课程设计成绩评价表

指导教师：2016年 2 月26 日