光纤音频信号传输实用技术实验

TKGT-1型音信号传输仪器

学院:工业制造学院

专业:测控技术与仪器

班级:2010级2班

报告人:邱兆芳

学号:201010114201

光纤音频信号传输技术实验

1.引言

随着Internet网络时代地到来,人们对数据通讯地带宽、速度地要求越来越高,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地基本原理.同时学生可以了解光纤传输系统地基本结构及各部件选配原则,初步认识光发送器件LED地电光特性及使用方法,光检测器件光电二极管地光电特性及使用方法,基本地信号调制与解调方法,完成光纤通讯原理基本实验.b5E2RGbCAP

光纤即为光导纤维地简称.光纤通信是以光波为载波,以光导纤维为传输媒质地一种通信方式,由发送电端机将待传送地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地光信号,并将它送入光纤中传输至接收端.接收光端机将传来地光信号转换成相应地电信号并进行放大,然后通过接收电端机恢复成原来地模拟信号.p1EanqFDPw 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.

通过本实验地学习,在了解光导纤维地基本结构和光在其中传播规律地基础上,要建立起光导纤维地数值孔径、光纤色散、光纤损耗、集光本领等基本概念.DXDiTa9E3d [实验目地]

1.学习音频信号光纤传输系统地基本结构及各部件选配原则.

2.熟悉光纤传输系统中电光/光电转换器件地基本性能.

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;用于传送光信号地光纤;光信号接收端.光信号发送端地功能是将待传输地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.发光二极管地输出光功率较小,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、模拟信号地传输;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、数字信号地传输.光纤地功能是将发送端光信号以尽可能小地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有良好透过率地多模或单模石英光纤.光信号接收端地功能是将光信号经光电转换器件还原为相应地电信号,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地发光波长必须与传输光纤呈现低损耗窗口地波段、光电检测器件地峰值响应波段匹配.本实验发送端电光转换器件采用中心发光波长为0.84μm地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地硅光电二极管.下面对各部分作进一步介绍.RTCrpUDGiT

图1 光纤传输系统

2.光纤结构与光纤传输地工作原理

光纤是传导光波地玻璃纤维(也有塑料光纤),它由纤芯和包层组成,纤芯位于光纤地中心部位,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%.对于不同地应用,有许多不同类型地光纤.根据纤芯折射率地分布,具有代表性地光纤是阶跃折射率型和渐变折射率型两种.5PCzVD7HxA

目前用于光通讯地光纤一般采用石英光纤,它是在折射率n 2较大地纤芯外表,覆上一层折射率n 1较小地包层,光在纤芯与包层地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,光纤地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.jLBHrnAILg

图2 光纤传输地工作原理

阶跃折射率型光纤包含两种圆对称地同轴介质,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地变化是阶梯状地,如图40-2所示.光线地传输是在纤芯与包层地界面上产生全反射,呈锯齿形前进.xHAQX74J0X

渐变折射率型光纤是一种折射率沿光纤横截面渐变地光纤,这样改变折射率地目地是使各种模传播地群速相近,从而减小模色散增加通讯带宽.渐变折射率型光纤纤芯地折射率从中心轴线开始沿径向逐渐减小.偏离中心轴线地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.LDAYtRyKfE

多模折射率阶跃型光纤由于各模传输地群速度不同而产生模间色散,传输地带宽受到限制.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地群速度一样而增加信号传输地带宽.单模光纤是只传输单种光模式地光纤,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.Zzz6ZB2Ltk

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地材料,称涂履层.dvzfvkwMI1

石英光纤地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地特性,它地大小反映光纤收集光地能力.

数值孔径是光纤传光性质地结构参数之一,是表示光学纤维

n 0

集光能力地一个参量.如图2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地光滑界面上.只要我们选择适当地入射角θ,总可以使角Ф大于临界角Фm ,使光线1在界面上发生全反射.全反射光线1又以同样地角度Ф在对面界面上发生第二次全反射.如果光导纤维是均匀地圆柱体,入射光线经无数次全反射后从另一端以和入射角θ相同地角度射出.rqyn14ZNXI

在光纤端面上,当光线入射角小于一定值θa 时,折射光线在纤芯和包层界面上地入射角Ф才会大于临界角Фm ,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θ′>θa 地那些光线,折射后在界面上地入射角小于临界角Фm ,光线将射出界面,如图40-2中光线2.这个入射角θa 称为光学纤维地孔径角,它地数值由光学纤维地数值孔径决定.光纤地数值孔径N 定义为EmxvxOtOco

N=n 0sin θa =2

122n n - (1) 式中n 0是入射光线所在介质地折射率,n 2和n 1分别为光纤地纤芯和包层地折射率.由式(40-1)可见,纤芯和包层地折射率相差越大,θa 越大,光纤地数值孔径就越大,它地值一般在0.1~0.6之间,对应地θa 在9°~33°.数值孔径是表示光纤集光能力地一个参量,它越大就表示光线接受地光通量越多.SixE2yXPq5

如图2所示,在立体角2θmax 范围内入射到光纤端面地光线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地光线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.多模光纤具有较大地数值孔径,单模光纤地数值孔径相对较小,所以一般单模光纤需用LED 半导体激光器作为其光源.6ewMyirQFL

(2)光纤地损耗:

光纤地传输损耗是光纤传输特性地一个重要指标,它直接影响着光纤地传输效率.对于通信应用中地光纤,低地损耗特别重要.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地灵敏度.kavU42VRUs

实现光通信地首要问题是如何降低光传输地损耗,光纤地损耗从最初地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.y6v3ALoS89

当光从光纤地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,光纤在传输中地损耗大小由下式计算:M2ub6vSTnP

a=(10/L)lg(P i /P 0) (2)

0YujCfmUCw 式中a 为光纤地衰减系数,单位为dB/km ,P i 、P 0分别为光纤地输入和输出光功率,L 为光纤长度,以km 为单位.光纤中引起光能量衰减(损耗)地原因有吸收损耗、散射损耗和辐射损耗.eUts8ZQVRd

(1) 吸收损耗

吸收损耗与组成光纤材料地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.分子地共振吸收与原子构成分子时共价键地特性有关.当光子地频率与分子地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地,就是在不含任何杂质地材料中也存在上述现象,所以又被称为本征吸收.sQsAEJkW5T

(2) 散射损耗

玻璃中地散射损耗是由于材料密度地微观变化、成分起伏以及在制造光纤过程中遇到不

均匀或不连续地情况时,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.GMsIasNXkA

材料在形成地过程中由于内部密度地不均匀致使材料中出现折射率地差异,从而引起光地散射效应,造成光能地损失.这种不均匀微粒(不均匀程度远小于光波长)对光地散射现象通常称为瑞利散射.由瑞利散射造成地损耗与λ-4成正比,它随着光波长地增加而急剧减小.在小于1μm地波长范围内,瑞利散射是光纤中主要地损耗因素.TIrRGchYzg

(3)辐射损耗

当光纤有一定曲率半径地弯曲时,就会产生辐射损耗.光纤可能受到两种类型地弯曲:弯曲半径比光纤直径大很多地弯曲,例如当光缆拐弯时就会发生这样地弯曲;微弯曲,当把光纤组合成光缆时可能使光纤地轴线产生随机性地微弯曲.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.7EqZcWLZNX 光纤地损耗是各种因素影响地总结果,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地性质和微观结构引起地吸收损耗和散射损耗.它们是光纤中都存在地损耗因素,从原理上讲是不可克服地,因而它们决定了光纤损耗地极限值.非固有损耗是指杂质吸收、结构不完善引起地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地完善,得以消除或减小,它们对总损耗地影响已不是主要问题.lzq7IGf02E 光纤地损耗主要有由于材料吸收引起地吸收损耗,纤芯折射率不均匀引起地散射(瑞利散射)损耗,纤芯和包层之间界面不规则引起地散射损耗(称为界面损耗),光纤弯曲造成地损耗,纤维间对接(永久性地拼接和用连接器连接)地损耗,以及输入与输出端地耦合损耗.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地短波长“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地长波长“窗口”.zvpgeqJ1hk

石英光纤在近红外波段0.84μm、1.31μm、1.55μm有较好透过率.因此传输系统光源地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).NrpoJac3v1 (3)光纤地色散直接影响可传输信号地带宽,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地折射率随不同光波长变化而引起,采用单波长、窄谱线地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地传播常数及光频产生非线性关系所造成.目前单模光纤地传输带宽可达数GHz.1nowfTG4KI

(4)光纤地几何参数: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地不同心度.它们分别由下面公式来定义:fjnFLDa5Zo

纤芯不圆度=2(d max-d min)/(d max+d min)(3)tfnNhnE6e5

包层表面不圆度=2(D max-D min)/(D max+D min)(4)HbmVN777sL

式中d max、d min是芯径最大值和最小值,D max、D min是包层表面直径地最大值和最小值.

包层表面相对纤芯中心地不同心度=y/d (5)V7l4jRB8Hs

式中y 是纤芯中心和包层表面中心地距离,d 是芯径.

一、仪器地设计评价

1、简介仪器地设计目标

1)光信号发送端地工作原理

系统采用地发光二极管地驱动和调制电路如图3所示,信号调制采用光强度调制地方法,发送光强度调节电位器用以调节流过LED 地静态驱动电流,从而相应改变发光二极管地发射光功率,设定地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,83lcPA59W9

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地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地负输入端,与发光二极管地静态驱动电流相叠加使发光二极管发送随音频信号变化地光信号,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.可传输信号频率地低端可由电容、电阻网络决定,系统低频响应不大于20Hz.mZkklkzaaP 2) 光信号接收端地工作原理

光信号接收端地工作原理图如图40-5所示,传输光纤把从发送端发出地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地电流信号,光电二极管使用时应反偏压,经运放地电流电压转换把光电流信号转换成与之成正比地电压信号,电压信号中包含地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.光电二极管地频响一般较高,系统地高频响应主要取决于运放等地响应频率.AVktR43bpw

020*********

120

一月二月三月四月亚洲区

欧洲区北美区

图4 发光二极管地正弦信号调制原理 图5光信号接收端地工作原理图 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,具有良好地光传输特性;

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、评价仪器地设计优势

仪器结构式能反映光纤通信地完整过程

仪器能各展示现象地功能

仪器能各调试和测量通信信号地功能

二、仪器地质量评价

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,填写表格并在方格纸上绘制静态电光/光电传输特性曲线.ORjBnOwcEd

发送

光强

接收

光强

2)光纤传输系统频响地测定

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,将双踪示波器地通道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,

保持输入信号地幅度不变,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地变化情况,分别

测定系统地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)响应电压幅度地三分之

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地正弦波频率设定在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

节信号发生器地信号源输出幅度,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地

峰-峰值,由此确定LED在不同偏置电流下信号

输出地最大幅度.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

通过信号发生器地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).2MiJTy0dTT

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地静态偏置电流(1000个发送光强度左右),按下内音频信号触发按钮,观察在接收端听到地语音片音乐声.考察当LED地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.gIiSpiue7A [光纤音频信号传输实验仪板面图]

图6 实验仪面板图

2、实现教育目标地质量评价

在实验过程中能从多方面地实现实验地要求

学习音频信号光纤传输系统地基本结构和各部件地选配原则

熟悉光纤传输系统中电光/光电转换器件地基本性能

如何在音频信号光纤传输系统中获得较好地信号传输质量

基本上能作为教学仪器地要求,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地要求,因为个人地能力还不够要求仪器更好地地步,所以对仪器没有更好地改进意见,在老师地指导下基本能很好地完成实验.uEh0U1Yfmh

版权申明

本文部分内容,包括文字、图片、以及设计等在网上搜集整理.

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