音频的光纤传输及数字化编码

物理选做实验一

音

频

光

纤

传

输

网络工程 1101 班

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杜易初

目录

概要

一、实验报告

1.实验名称

2.实验目的

3.仪器设备

4.实验原理

4.1 原理概述

4.2 系统组成

4.3 光导纤维的结构及传光原理

4.4 半导体发光二极管结构、工作原理、特性及驱动、调制电路

4.5 半导体光电二极管的结构、工作原理及特性

5.实验过程及数据

5.1 LED的伏安特性的测定

5.2 LED-传输光纤组件电光特性的测定

5.3 光电二极管反向伏安特性曲线的测定

二、音频信号数字化编码浅析

1.音频信号的形式

2.音频的数字化过程

2.1采样率（sample rate）

2.2采样深度（sample depth)

3.常见数字音频的文件格式

概要：

第一部分为完整的实验报告，第二部分为查阅科技文献后整理的小论文。

一．实验报告

1.实验名称

音频信号光纤传输实验

2.实验目的

熟悉半导体电光/光电器件的基本性能及主要特性的测试方法；

了解音频信号光纤传输的结构及选配各主要部件的原则；

学习分析集成运放电路的基本方法；

训练音频信号光纤传输系统的测试技术。

3.仪器设备

YOF—B型音频信号光纤传输技术实验仪；

音频信号发生器；

示波器；

数字万用表。

4.实验原理

4.1原理概述

所谓光纤通信，就是用激光做载波，光纤为传输媒质的信号传输。下图所示为直接光强调制光纤传输系统的结构原理方块图。它主要包括光信号发送器，传输光纤，光信号接收器三部分组成。

但是，要确保接收到的信号与我们发送的信号一样，要求传输过程中的各种变换都必须是线性变换。因此，只有在各部分共有的线性工作频率范围内的信号才能通过传输系统而不失真。对于语音信号，频谱在300—3400 范围内，由于光导纤维对光信号具有很宽的频带，故在音频范围内，整个系统的频带宽度主要决定于发送端调制放大电路和接收端功放电路的幅频特性。

4.2系统组成

它主要包括由LED及其调制、驱动电路组成的光信号发送器、传输光纤和由光电转换、I—V变换及功放电路组成的光信号接收器的三个部分。

4.3光导纤维的结构及传光原理

光纤按其模式性质通常可以分成两大类①单模光纤②多模光纤。对于单模光纤，纤芯直径只有5~10μm ，在一定的条件下，只允许一种电磁场形态的光波在纤芯内传播，多模光纤的纤芯直径为50μm 或62.5μm ，允许多种电磁场形态的光波传播。按光纤折射率沿光纤截面的径向分布状况又分成阶跃型和渐变型两种光纤。

本实验采用阶跃型多模光纤作为信道，现应用几何光学理论进一步说明这种光纤的传光原理。阶跃型多模光纤结构如图所示，它由纤芯和包层两部分组成，芯子的半径为a ，折射率为1n ，包层的外径为b ，折射率为2n ,且1n >2n 。

图2 阶型多模光纤的结构示意图

当一光束投射到光纤端面时，进入光纤内部的光射线在光纤入射端面处的入射面包含光纤轴线的称为子午射线，这类射线在光纤内部了行径，是一条与光纤轴线相交、呈“Z ”字型前进的平面折线；若藉合到光纤内部的光射线在光纤入射端面处的入射面不包含光纤轴线，称为偏射线，偏射线在光纤内部不与光纤轴线相交；其行径是一条空间折线。

4.4半导体发光二极管结构、工作原理、特性及驱动、调制电路

本实验采用LED 作光源器件。

图3 半导体发光二极管及工作原理

光纤传输系统中常用的半导体发光二极管是一个如图所示的N-P-P三层结构的半导体器件，中间层通常是由GaAs（砷化镓）p型半导体材料组成，称有源层，其带隙宽度较窄，两侧分别由GaAlAs的N型和P型半导体材料组成，与有源层相比，它们都具有较宽的带隙。具有不同带隙宽度的两种半导体单晶之间的结构称为异结。当给这种结构加上正向偏压时，就能使N层向有源层注入导电电子，这些导电电子一旦进入有源层后，因受到右边p-P 异质结的阻挡作用不能再进入右侧的P层，它们只能被限制在有源层与空穴复合，导电电子在有源层与空穴复合的过程中，其中有不少电子要释放出能量满足以下关系的光子：

hυ= E1-E2= E g

其中h上普朗克常数，υ是光波的频率，E是有源层内导电电子的能量，E是导电电子与空穴复合处于价健束缚状态时的能量。两者的差值E与DH结构中各层材料及其组份的选取等多种因素有关，制做LED时只要这些选取和组份的控制适当，就可便得LED发光中心波长与传输光纤低损耗波长一致。

本实验采用HFBR-1424型半导体发光二极管。

下图为电信号转换成光信号的过程与光信号转换成电信号的过程：

4.5半导体光电二极管的结构、工作原理及特性

半导体光电二极管与普通的半导体二极管一样，都具有一个p-n结，但光电二极管在外形结构方面有它自身的特点，这主要表现在光电二极管的管壳上有一个能让光射入其光敏区的窗口，此外，与普通二极管不周，它经常工作在反向偏置电压状态（如图6a所示）或无偏压状态（如图6b所示）。在反偏电压下，p-n结的空间电荷区的垫垒增高、宽度加大、结电阻减小,所有这些均有利于提高光电二极管的高频响应性能。

图 6 光电二极管的结构及工作方式

无光照时，反向偏置的p-n结只有很小的反向漏电流，称为暗电流。当有光子能量大于p-n结半导体材料的带隙宽度E的光波照射到光电二极管的管芯时，p-n结各区域中的价电子吸收光能后将挣脱价键的束缚而成为自由电子，与此同时也产生一个自由空穴，这些由光照产生的自由电子空穴对统称为光生载流子。在远离空间电荷区（亦称耗尽区）的p区和n 区内，电场强度很弱，光生载流子只有扩散运动,它们在向空间电荷区扩散的途中因复合而被消失掉，故不能形成光电流。形成光电流的主要靠空间电荷区的光生载流子，因为在空间电荷区内电场很强，在此强电场作用下，光生自由电子空穴对将以很高的速度分别向n区和p区运动，并很快越过这些区域到达电极沿外电路闭合形成光电流，光电流的方向是从二极管的负极流向它的正极，并且在无偏压短路的情况下与入射的光功率成正比，因此在光电二极管的p-n结中，增加空间电荷区的宽度对提高光电转换效率有着密切的关系。为此目的，若在p-n结的p区和n区之间再加一层杂质浓度很低以致可近似为本征半导体的I层，就形成了具有p-i-n三层结构的半导体光电二极管，简称PIN光电二极管，PIN光电二极管的p-n 结除具有较宽的空间电荷区外，还具有很大的结电阻和很小的结电容，这些特点使PIN管在光电转换效率和高频响应方面与普通光电二极管相比均得到了很大改善。

5.实验过程及数据

5.1 LED的伏安特性的测定

U(V) 1 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 1.45 1.5 1.55 1.6 I(mA) 0 0.1 0.2 0.5 0.9 1.5 2.5 3.5 5.7 8.2 11.6 18.3 22

表一：LED的伏安特性测定

5.2 LED-传输光纤组件电光特性的测定

I(mA) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 光功率0 0.1 1 2.9 6.2 9.5 13.5 17.3 21.5 26 30.2

表二 LED-传输光纤组件电光特性测定

5.3 光电二极管反向伏安特性曲线的测定

说明：所发实验指导书上的仪器设备为OFE-B型光纤传输及光电技术实验仪，与我校仪器不同，故操作指导不能应用于此次试验。

光电二极管反向伏安特性曲线的测定，需要测得的数据有SPD短路电流、二极管反偏电压、IC1输出电压、光电流。我校仪器已将电路封装在机壳里，故有些数据无法直接或间接测定。

音频信号数字化编码浅析

这次实验涉及到了音频信号的传输，使LED发送出光强随音频信号变化的光信号。这是模拟信号，在传输过程中易受到其他电磁波的干扰，特别是远距离传输后信号失真较严重，影响声觉体验。

于是我很自然的就想到，能不能采用数字编码，实现声信号的高保真传送？通过东华大学图书馆及cnki中国知网相关期刊资料查询，整理出了以下内容。

1.音频信号的形式

语音是语言的物质载体，我们之所以能听到日常生活中的各种声音信息，其实就是不同频率的声波通过空气产生震动，刺激人耳的结果。在物理上，声音可用一条连续的曲线来表示。这条连续的曲线无论多复杂，都可分解成一系列正弦波的线性叠加。规则音频是一种连续变化的模拟信号，可用一条连续的曲线来表示，称为声波。因声波是在时间和幅度上都连续变化的量，我们称之为模拟量。

实际波形模拟音频信号有两个重要参数：频率和幅度。声音的频率体现音调的高低，声波幅度的大小体现声音的强弱。一个声源每秒钟可产生成百上千个波，我们把每秒钟波峰所发生的数目称之为信号的频率，频率小于20Hz的信号称为亚音(subsonic)；频率范围为

20Hz～20kHz的信号称为音频(Audio)，高于20kHz的信号称为超音频(ultrasonic)。与频率相关的另一个参数是信号的周期它是指信号在两个峰点或谷底之间的相对时间。周期和频率之间的关系是互为倒数。

信号的幅度是从信号的基线到当前波峰的距离。幅度决定了信号音量的强弱程度。幅度越大，声音越强。对音频信号，声音的强度用分贝(dB)表示，分贝的幅度就是音量。

2.音频的数字化过程

如果要用计算机对音频信息进行处理，则首先要将模拟音频信号(如语音、音乐等)转变成数字信号。模拟信号很容易受到电子干扰，因此随着技术的发展，声音信号就逐渐过渡到了数字存储阶段，A／D转换和D／A转换技术便应运而生。这里，A代表“Analog”(类比、模拟)，D代表“Digital”(数字、数码)，A／D转换就是把模拟信号转换成数字信号的过程，模拟电信号变为了由“o”和“1”组成的比特(Bit)信号。这样做的好处是显而易见的，声音存储质量得到了加强，数字化的声音信息使计算机能够进行识别、处理和压缩，这也就是为什么如今磁带逐渐被淘汰，CD唱片却愈加流行的原因。

A／D转换的一个关键步骤是声音的采样和量化，得到数字音频信号，数字信号在时间上是不连续的离散信号。采样和量化的过程可由A／D转换器实现。A／D转换器以固定的频率

去采样，即每个周期测量和量化信号一次。经采样和量化后的声音信号经编码后就成为数字音频信号，可以将其以文件形式保存在计算机的存储介质中。模拟音频数字化过程涉及音频的采样、量化和编码三个步骤，如图3—16所示。

2.1采样率（sample rate）

模拟信号采样量化编码。声音的采样早在20世纪40年代，信息论的奠基者香农(Shannon)指出：在一定条件下，用离散的序列可以完全代表一个连续函数，这是采样定理的基本内容。采样定理看来像是一个数学问题，而实质上它为数字化技术奠定了一个基础。为实现A／D 转换，需要把模拟音频信号波形在时间轴上进行分割，以转变成数字信号，这种方法称为采样(Sampling)。采样的过程是每隔一个时间间隔在模拟声音的波形上取一个幅度值，把时间上的连续信号，变成时间上的离散信号。该时间间隔称为采样周期，其倒数为采样频率。采样频率是指计算机每秒钟采集多少个声音样本。采样频率越高，采样的间隔时间越短，则在单位时间内计算机得到的声音样本数据就越多，对声音波形的表示也越精确。这和测定每天24小时气温变化是一样的，每小时测定1次气温比每两小时测定1次气温的精度要高一倍。采样频率与声音频率之间有一定的关系，根据奈奎斯特(Nyquist)理论，只有采样频率高于声音信号最高频率的两倍时，才能把数字信号表示的声音还原成为原来的声音。

采样的实例就发生在我们的日常生活中，例如电话和CD唱片。在数字电话系统中，为将人的声音变为数字信号，采用脉冲编码调制(PCM)方法，每秒钟可进行8000次的采样，PCM 提供的数据传输率是56kbps(bps表示位／秒)或64kbps。CD唱片存储的是数字信息，要想获得CD音质的效果，则要保证采样频率为44．1kHz，也就是能够捕获频率高达22050Hz的信号。

2.2采样深度（sample depth)

音频的量化采样只解决了音频波形信号在时间坐标(即横轴)上把一个波形切成若干个

等分的数字化问题，但是每一等分的长方形的高是多少呢?即需要用某种数字化的方法来反映某一瞬间声波幅度的电压值的大小。该值的大小影响音量的高低。我们把对声波波形幅度的数字化表示称为“采样深度”。量化的过程是先将采样后的信号按整个声波的幅度划分成有限个区段的集合，把落入某个区段内的样值归为一类，并赋于相同的量化值。如何分割采样信号的幅度呢?我们还是采取二进制的方式，以8位(bit)或16位(bit)的方式来划分纵轴。也就是说在一个以8位为记录模式的音效中，其纵轴将会被划分为28—256个量化等级(quantizationlevels)，用以记录其幅度大小。而一个以16位为采样模式的音效中，它在每一个固定采样的区间内所被采集的声音幅度，将以216—65536个不同的量化等级加以记录。在相同的采样频率之下，量化位数愈高，声音的质量越好。同理，在相同量化位数的情况下，采样频率越高，声音效果也就越好。这就好比量一个人的身高，若是以毫米为单位来测量，会比用厘米为单位量更加准确。

3.常见数字音频的文件格式

数字音频的编码模拟信号量经过采样和量化以后，形成一系列的离散信号——脉冲数字信号。这种脉冲数字信号可以一定的方式进行编码，形成计算机内部运行的数据。所谓编码，就是按照一定的格式把经过采样和量化得到的离散数据记录下来，并在数据格式中加入一些用于纠错、同步和控制的数据。在数据回放时，可以根据所记录的纠错数据判别读出的声音数据是否有错，如在一定范围内有错，可加以纠正。编码的形式比较多，常用的编码方式是PCM(PulseCodeModulation)——脉冲调制。脉冲编码调制(PCM)是把模拟信号变换为数字信号的一种调制方式，即把连续输入的模拟信号变换为在时间和幅度上都离散的量，然后将其转化为代码形式传输或存储。PCM的主要优点是：抗干扰能力强；失真小；传输特性稳定，尤其是远距离信号再生中继时噪声不累积，而且可以采用压缩编码、纠错编码和保密编码等来提高系统的有效性、可靠性和保密性。

存储数字音频信息的文件格式主要有：WAV文件、VOC文件和MP3文件等。具体算法不在本文章的讨论之列。需要指出的是，不同算法没有严格意义的好坏，有着自己适用的环境，它们都是保真度、体积大小相折中的产物。即便是APE无损格式，也只是与其他高压缩率“有损”相对的“无损”，因为模拟信号离散化注定了再精确也只能是无限逼近原声音。又因为人耳的辨音能力有限，所以对于CD的44.1kHz（采样率）*16bit（编码位数）*2（双声道）=1411.2 Kbps这一码率，已经足以满足人们挑剔的耳朵啦！

（一部分陈述来自我查找的资料的拼凑，若有错误或疏漏，望谅解）

至此，大学阶段的物理课及物理实验就要结束了。回顾这两个学期，这些物理知识和动手技能的掌握使我受益匪浅。在此说一声，老师辛苦了！