物理实验报告：音频信号光纤传输技术实验
信号光纤传输技术实验.
音频信号光纤传输技术实验预习要求通过预习应理解以下几个问题：1．音频信号光纤传输系统由那几个部分组成、主要器件（LED 、SPD 和光纤）的工作原理；2．LED 调制、驱动电路工作原理3．LED 偏置电流和调制信号的幅度应如何选择、；4．测量SPD 光电流的I-V 变换电路的工作原理。
实验目的1．熟悉半导体电光/光电器件基本性能及主要特性的测试方法；2．了解音频信号光纤传输系统的结构及各主要部件的选配原则；3．掌握半导体电光和光电器件在模拟信号光纤传输系统中的应用技术；4．学习音频信号光纤传输系统的调试技术。
实验原理一．系统的组成音频信号光纤传输系统的原理图如图8-1-1所示。
它主要包括由LED （光源）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三个部分。
光源器件LED 的发光中心波长必须在传输光纤呈现低损耗的0.85μｍ、1.3μｍ或1.5μｍ附近。
本实验采用中心波长0.85μｍ的GaAs 半导体发光二极管作光源、峰值响应波长为0.8～0.9μｍ的硅光二极管SPD 作光电检测元件。
为了避免或减少谐波失真，要求整个传输系统的频带宽度能够覆盖被传信号的频谱范围。
对于音频信号，其频谱在20Hz ～20KHz 的范围内。
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频率特性。
二、光纤的结构及传光原理衡量光纤信道性能好坏有两个重要指标：一是看它传输信息的距离有多远，二是看它单位时间内携带信息的容量有多大。
前者决定于光纤的损耗特性，后者决定于光纤的频率特性。
目前光纤的损耗容易做到每公里零点几dB 水平。
光纤的损耗与工作波长有关，所以在工作波长的选用上，应尽量选用低损耗的工作波长。
光纤通讯最早是用短波长0.85μｍ，近来发展到能用1.3～1.55μｍ范围的波长，在这一波长范围内光纤不仅损耗低，而且“色散”也小。
音频信号光纤传输实验
物理实验教案十二实验名称:音频信号光纤传输实验教学时数:3学时教学目的及要求:1、了解光纤通信的基本工作原理。
2、熟悉光纤传输系统中电光／光电转换器件的基本性能。
3、测试音频信号在光纤通信实验系统中的传输质量。
教学内容提要:1、光导纤维（1）光纤的结构光导纤维是用石英、玻璃或特制塑料等介质拉成的柔软而极细纤维，光能在其内部沿着轴线传播,简称光纤。
（2）光纤的类型光纤折射率沿径向分布有两种类型：阶跃型：由n1到n2有明显的边界，光全反射的传播路径是折线。
渐变型：从纤芯到包层芯折射率逐渐变小，光全反射的传播路径是光滑曲线，并产生自聚焦现象。
（3）光纤通信的优点光纤通信的主要优点：容量大、传输距离远、，抗电磁干扰能力强、保密性好、抗腐蚀、抗辐射、质量轻、体积小。
2、光纤通信系统基本组成和工作原理(1)光纤传输系统的基本组成光纤传输系统由“光信号发送端”、光信号的传输介质“光纤”和“光信号接收端”三部分组成。
（2）传输系统的技术参数本实验光纤传输系统：光源采用发光二极管，波长为0.84μm；传输介质采用多模石英光纤，低损耗窗口为0.84μm、1.3μm、1.55μm；硅光电二极管的峰值响应波段为0.8-0.9μm；因此，各个部分器件能够完全匹配。
(3)实验仪器TKGT-1型音频信号光纤传输实验仪;信号发生器;双踪示波器3、实验内容（1）测定光纤传输系统的静态电光／光电传输特性（2）测定光纤传输系统的幅频特性，测定系统的低频截止频率ƒL和高频截止频率ƒh。
（3）测定发光二极管偏置电流与无截止失真最大调制幅度的关系（4）观察各种波形在光纤中的传输（5）音频信号的传输实验教学重点与难点:教学重点是掌握光纤通信的基本工作原理;教学难点是确定传输系统的低频截止频率ƒL和高频截止频率ƒh。
思考题问题讨论:如何确定半导体材料的导电类型？实验报告的要求:实验原理部分要求，做光纤传输系统基本组成的方框图，并简述原理。
实验内容一、二、三项必做。
音频信号的光纤传输实验报告.doc
本实验使用的是四川大学物理系研制的YOF—A型音频信号光纤传输技术实验仪，包括：
1.光纤
2.双踪示波器
功率计、音频信号发送器和音频信号接收器
3.音频信号发生器四.实验Βιβλιοθήκη 容本实验包括了以下几部分内容：
1． 光信号发送器特性的研究
（1）LED—传输光纤组件电光特性的测定
（2） LED 偏置电流与无截止畸变最大调制幅度关系的测定
⑵光纤通信
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。
其中：I为光电检测器的平均输出电流； P为光电检测器的平均输入功率。
光信号接收器原理图
光信号的接收主要是利用硅光电二极管(SPD)把传输光纤出射端输出的光信号的光功率转变为与之成正比的光电流I0，然后经I / V转换电路再把光电流转换成电压V0输出。
V0和I0之间有以下关系：
以IC3为主要元件构成的是一个集成音频功放电路，只要调节外接的电位器Wnf，就可改变功放电路的电压增益，功放电路中电容Cnf的大小决定着该电路的下限截止频率。
2.实验设计思想:
音频信号的光纤传输系统主要包括：光信号发送器；传输光纤以及光信号接收器。三个部分。光信号发送器由半导体发光二极管（Light Emitted Diode 简称LED），以及由它的调制、驱动电路组成；光信号接收器包括了发光二极管的电流/电压（I/V）转换电路和功放电路。
音频信号光纤传输技术实验
材料的折射率n1和n2按下式决定的临结角αc：
αc= arc sin (n2/n1)
(3)
在此情形下光射线在芯子—包层界面处发生全内反射。该射线所携带的光能就被局限在
纤芯内部而不外溢，满足这一条件的射线称为传导射线。
三、半导体发光二极管的驱动、调制电路
本实验采用半导体发光二极管 LED作光源器件.音频信号光纤传输系统发 送端LED的驱动和调制电路如图（3）示，以BG1为主构成的电路是LED的 驱动电路，调节这一电路中的W2可使LED的偏置电流在0—20mA的范围内变 化。被传音频信号由IC1为主构成的音频放大电路放大后经电容器C4耦合到 BG1基极，对LED的工作电流进行调制，从而使LED发送出光强随音频信号 变化的光信号，并经光导纤维把这一信号传至接收端。半导体发光二极管输 出的光功率与其驱动电流的关系称LED的电光特性，如图4所示。为了使传输 系统的发送端能够产生一个无非线性失真、而峰—峰值又最大的光信号，使 用LED时应先给它一个适当的偏置电流 ，其值等于这一特性曲线线性部分中 点对应的电流值，而调制电流的峰—峰值应尽可能大地处于这一电光特性的 线性范围内。
❖ 音频信号发生器； ❖ 示波器； ❖ 数字万用表
实验原理
一．系统的组成
图（1）给出了一个音频信号直接光强调制光纤传输系统的结构原理图，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三个部分。光源器件LED的发光中心波 长必须在传输光纤呈现低损耗的0.85μｍ、1.3μｍ或1.5μｍ附近，本实验采用中 心波长0.85μｍ附近的GaAs半导体发光二极管作光源、峰值响应波长为0.8～ 0.9μｍ的硅光二极管（SPD）作光电检测元件。为了避免或减少谐波失真，要求 整个传输系统的频带宽度能够覆盖被传信号的频谱范围，对于语音信号，其频谱 在300～3400Hz的范围内。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。
音频信号光纤传输技术实验报告
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。
在光纤端面上，当光线入射角小于一定值?a时，折射光线在纤芯和包层界面上的入射角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的那些光线，折射后在界面上的入射角小于临界角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N定义为
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：
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。
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。
音频信号光纤传输技术实验
音频信号光纤传输技术实验[目的要求]1.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。
2.了解音频信号光纤传输的结构及选配各主要部件的原则。
3.学习分析集成运放电路的基本方法。
[仪器设备]1.YOF—B型音频信号光纤传输技术实验仪。
2.数字万用表。
[实验原理]一．系统的组成图（1）示给出了一个音频信号直接光强调制光纤传输系统的结构原理图，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。
图1 音频信号光纤传输实验系统原理图本实验采用中心波长0.85μm附近的GaAs半导体发光二极管（LED）作光源、峰值响应波长为0.8~0.9μm的硅光二极管（SPD）作光电检测元件。
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。
二．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。
无论单模或多模光纤，其结构均由纤芯和包层两部分组成。
纤芯的折射率较包层折射率大，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；以上两种光纤的包层直径均为125μm 。
按其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，对于阶跃型光纤，在纤芯和包层中折射率均为常数，但纤芯一包层界面处减到某一值后，在包层的范围内折射率保持这一值不变，根据光射线在非均匀介质中的传播理论分析可知：经光源耦合到渐变型光纤中的某些光射线，在纤芯内是沿周期性地弯向光纤轴线的曲线传播。
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 。
光纤音频信号传输实验报告
光纤音频信号传输实验报告光纤音频信号传输实验报告引言：在现代科技的快速发展下，音频信号传输技术也得到了极大的提升。
光纤作为一种高速、稳定的传输媒介，被广泛应用于音频信号传输领域。
本实验旨在通过搭建光纤音频传输系统，探究其传输效果和特点，并对比传统的电缆传输方式，以期能更好地了解光纤音频传输的优势与局限。
实验步骤：1. 实验器材准备：光纤收发器、音频源、音频放大器、音箱、电缆等。
2. 连接光纤收发器：将音频源与光纤收发器的输入端相连，将光纤收发器的输出端与音频放大器相连。
3. 连接音箱：将音频放大器与音箱相连。
4. 调试系统：打开音频源和音箱，调节音频源的音量和音箱的音量，确保音频信号正常传输。
实验结果：通过实验观察和数据分析，我们得出以下结论：1. 传输质量：光纤音频传输系统具有优异的传输质量，音频信号传输的稳定性和清晰度明显高于传统的电缆传输方式。
光纤传输不受外界电磁干扰的影响，能够减少信号失真和噪音干扰。
2. 传输距离：光纤音频传输系统的传输距离较远，可以达到几百米甚至更远的距离，而电缆传输方式的传输距离相对较短。
3. 安全性：光纤传输不产生电磁辐射和火花，具有较高的安全性，适用于一些对电磁辐射敏感的场所，如医院、实验室等。
4. 抗干扰能力：光纤传输系统具有良好的抗干扰能力，能够有效避免由于电缆传输中的电磁干扰而导致的信号失真和噪音问题。
讨论与分析：光纤音频传输系统相较于传统的电缆传输方式具有明显的优势，但也存在一些局限性。
首先，光纤传输系统的成本较高，需要专门的设备和技术支持。
其次，光纤传输系统对环境的要求较高，如温度、湿度等因素都会对传输质量产生影响。
此外，光纤传输系统在安装和维护上也相对复杂一些。
结论：通过本次实验，我们深入了解了光纤音频传输系统的特点和优势。
光纤传输具有传输质量高、传输距离远、抗干扰能力强等特点，适用于对音频传输质量要求较高的场所。
然而，光纤传输系统也存在一些限制，如成本高、环境要求高等。
音频信号光纤通信物理实验报告(有数据)
4、光信号接收端
光信号的接收主要是利用硅光电二极管(SPD)把传输光纤出射端输出的光信号的光功率转变为与之成正比的光电流I0，然后经I / V转换电路再把光电流转换成电压V0输出。
2、本实验中光传输系统哪几个环节引起光信号的衰减？
答：光发射机、光接续点、光放大器、光分路器以及光接收机，也就是说在光传输的各个节点处都有可能引起光衰。
请在两周内完成，交教师批阅
附件：（实验曲线请附在本页）
3.然后观察两曲线。完成课后题。
实验数据记录（注意：单位、有效数字、列表）
1．光信号发送端-LED的电光转换特性的测定
0.0
5.0
10.0
15.0
20.0
25.0
30.0
35.0
40.0
0
2.9
4.7
7.1
9.8
12.7
15.5
18.3
21.1
45.0
50.0
55.0
60.0
65.0
70.0
75.0
784
768
请认真填写
数据处理、误差分析和实验结论
1、LED-传输光纤组件电光特性的测定：依LED偏置电流与光功率实验曲线，线性响应的偏置电流区间为（27.5，46.4）mA，取此区间中值I＝39.0mA为最佳偏置电流。
2、光纤传输系统频响的测定：由光纤系统幅频特性曲线得到，
低频截止频率f=26.2Hz
80.0
85.0