音频信号光纤传输技术
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。
光纤音频信号传输技术实验报告
光纤音频信号传输技术实验报告光纤音频信号传输技术实验报告引言：光纤技术作为一种高速、大容量的信息传输方式，已经在通信领域得到广泛应用。
然而，在音频信号传输方面，光纤技术的应用相对较少。
本实验旨在探究光纤音频信号传输技术的可行性，并对其性能进行评估。
一、实验原理光纤音频信号传输技术是利用光纤的高速传输特性，将音频信号转换为光信号进行传输。
具体实现过程包括：音频信号输入端通过调制电路将音频信号转换为光调制信号，然后通过光纤传输，再经过解调电路将光信号转换为音频信号输出到接收端。
二、实验设备和材料1. 音频信号发生器2. 光调制器3. 光解调器4. 光纤传输线5. 音频信号接收器6. 示波器7. 光源和光探测器三、实验步骤1. 将音频信号发生器与光调制器连接，调节发生器输出音频信号。
2. 将光调制器与光解调器连接，通过光纤传输线连接两者。
3. 将光解调器与音频信号接收器连接。
4. 调节光源和光探测器，使其适应光纤传输。
5. 打开音频信号发生器和音频信号接收器，并调节参数使音频信号传输正常。
6. 使用示波器对传输后的音频信号进行波形分析。
四、实验结果与分析经过实验，我们成功地实现了光纤音频信号的传输。
通过示波器观察到的波形显示，传输后的音频信号与输入信号基本一致，没有明显的失真和衰减。
这证明了光纤音频信号传输技术的可行性。
在实验过程中，我们还注意到了一些问题。
首先，光纤传输线的质量对音频信号的传输质量有很大影响。
如果光纤传输线质量较差，信号衰减较大，可能导致音频信号的失真。
因此，在实际应用中，应选择质量良好的光纤传输线。
其次，光调制器和光解调器的性能也会影响音频信号的传输质量。
如果这两个设备的响应速度较慢，可能会导致音频信号的延迟。
因此，在选择光调制器和光解调器时，应注意其响应速度和性能指标。
最后，光源和光探测器的选用也是影响音频信号传输质量的关键因素。
光源的亮度和光探测器的灵敏度会直接影响信号的传输距离和传输质量。
光纤音频 原理
光纤音频原理
光纤音频技术是一种基于光学传输原理的音频传输技术。
它通过将音频信号转换为光信号，并通过光纤进行传输，最终将光信号再次转换为音频信号，实现音频的传输和接收。
光纤音频技术的原理主要涉及光的传输和光电转换两个方面。
首先，将音频信号转换为光信号的过程称为光电转换，它通过光电转换器实现。
在光电转换器中，音频信号经过放大和调制后，被转换成与音频信号对应的光强度变化，即形成光信号。
接着，光信号通过光纤进行传输。
光纤是一种由高纯度玻璃或塑料制成的细长材料，能够在其内部实现光信号的传输。
光纤内部的核心部分具有较高的光折射率，而外层则为低折射率的包层，这种设计使得光信号能够在光纤内部进行内部反射，从而实现信号的传输。
当光信号到达接收端时，需要再次进行光电转换，将光信号转换为音频信号。
在接收端的光电转换器中，光信号进入光电探测器后，光信号的强度和频率变化将被转换为与传输时一致的音频信号。
光纤音频技术相比传统的电缆传输具有许多优势。
首先，光纤具有较高的传输带宽，可以支持更高质量的音频信号传输。
其次，光纤的传输距离较长，可以达到数十公里，适用于大范围的音频传输需求。
此外，光纤传输不受电磁干扰的影响，音频信号质量更稳定可靠。
综上所述，光纤音频技术通过光信号的转换和传输实现音频信号的传输和接收。
它具有传输带宽高、传输距离长、抗干扰能力强等优势，是一种高质量的音频传输技术。
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 。
音频信号光纤传输实验
音频信号光纤传输实验光纤在通讯领域、传感技术及其他信号传输技术中显示了愈来愈广泛的用途，也显示了其愈来愈重要的地位。
随之而来的电光转换和光电转换技术、耦合技术、光传输技术等，都是光纤传输技术及器件构成的重要成分。
对于不同频率的信号传输和传输的频带宽度，上述各种技术有很大的差异，构成的器件也具有不同的特性。
通过实验了解这些特性及其对信息传输的影响，有助于在科研与工程中恰当地使用这一信号传输技术。
一、实验目的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。
二、实验仪器FD-OFT-A型音频信号光纤传输实验仪实验主机（包括音频信号发生器、光功率计、LED放射器、SPD接收器等）、多模光纤（装于骨架上），半导体收音机，示波器组成，如图1所示。
图1 音频信号光纤传输实验仪器装置三、实验原理1. 音频信号光纤传输系统的原理图2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整个传输系统由“光信号发送器”、“光信号接受器”和“传输光纤”三部分组成。
其原理主要是：先将待传输的音频信号作为源信号供给“光信号发送器”，从而产生相应的光信号，然后将此光信号经光纤传输后送入“光信号接受器”，最终解调出原来的音频信号。
为了保证系统的传输损耗低，发光器件LED的发光中心波长必须在传输光纤的低损耗窗口之内，使得材料色散较小。
低损耗的波长在850nm，1300nm或1600nm 附近。
本仪器LED发光中心波长为850nm，光信号接受器的光电检测器峰值响应波长也与此接近。
图2 音频信号光纤传输实验系统原理图为了避免或减少波形失真，要求整个传输系统的频带宽度能覆盖被传输信号的频率范围。
由于光纤对光信号具有很宽的频带，故在音频范围内，整个系统频带宽度主要决定于发射端的调制信号放大电路和接收端的功放电路的幅频特性。
2. 半导体发光二极管LED 的结构和工作原理光纤通讯系统中对光源器件在发光波长、电光功率、工作寿命、光谱宽度和调制性能等许多方面均有特殊要求，所以不是随便哪种光源器件都能胜任光纤通讯的任务，目前在以上各方面都能较好满足要求的光源器件主要有半导体发光二极管（light emitting diode ，缩写LED ）和半导体激光器（Laser Diode ，缩写LD ）。
实验名称音频信号光纤传输技术实验PPT资料优选版
当然这当中会有非线性的影响，但是在大部分数据区域是可行的
功放电路 因此，可以根据毫安表有无变化判断在信号传输过程中调制信号幅度是否过大，也可以判断是否有截止削波失真。
光电二极管的伏安特性及其测定方法
偏置电流Id
BG1 光纤 反向偏压情况下，在很大范围内光电流与偏压和负载电阻几乎无关，故在可视为恒流源。
0.00 3.69 7.00 10.94 14.09 17.56
0.00 3.70 7.02 10.95 14.09 17.59
Part 1 系统组成 取消了反向伏安特性的步骤，只测量SPD的光电曲线
LED偏置电流与无截止畸变最大调制幅度关系的测定
Part 2 LED驱动及调制电路： W1和W2的变化声音音质关系不明显。
因此可以把Po和Uo的关系联系起来。
LED驱动及调制电路
Part 3 光电二极管的伏安特性及其测定方法 YOF-B型音频信号光纤传输技术实验仪
把发送器的调制端接入便携式收录机的音频信号，连接功率放大电路，并接上小音箱，实验整个音频信号光纤传输系统的音响效果。
测定光电二极管的反向伏安特性曲线
Part 4 SPD特性 取消了放大电路幅频曲线的测定
把发送器的调制端接入便携式收录机的音频信号，连接功率放大电路，并接上小音箱，实验整个音频信号光纤传输系统的音响效果。
尝试编排一个适合文科学生的选修实验科目
实验仪器：
YOF-B型音频信号光纤传输技术实验仪 DF1027B低频函数信号发生器 双踪示波器 数字万用表 小型便携式收录机 外接小音箱 信号线﹑导线若干
实验原理：
偏置电流Id 当然这当中会有非线性的影响，但是在大部分数据区域是可行的 加了光功率计设计作为选作步骤 取消了反向伏安特性的步骤，只测量SPD的光电曲线 LED—传输光纤组件电光特性的测定 把发送器的调制端接入便携式收录机的音频信号，连接功率放大电路，并接上小音箱，实验整个音频信号光纤传输系统的音响效果。
音频信号的光纤传输实验报告
音频信号光纤传输实验摘要:实验通过对LED-传输光纤组件的电光特性的测量，得出了在合适的偏置电流下，其具有线性。
验证了硅光电二极管可以把传输光纤出射端输出的信号转变成与之成正比的光电流。
AbstracfThe experimental transmission through the LED-fiber components of theelectro-optical properties Measuring obtained at the right bias current, with its linear. Verification of the silicon photodiode fiber can transmit a radio-signal output into with the current proportional to the light.一.前言:1.实验的历史地位:光纤自20世纪60年代问世以来，其在远距离信息传输方面的应用得到了突飞猛进的发展，以光纤作为信息传输介质的“光纤通信”技术，是世界新技术革命的重要标志，也是未来信息社会各种信息网的主要传输工具。
随着光纤通信技术的发展,一个以微电子技术,激光技术,计算机技术呵现代通信技术为基础的超高速宽带信息网将使远程教育.远程医疗.电子商务.智能居住小区越来越普及.光纤通信以其诸多优点将成为现代通信的主流,未来信息社会的一项基础技术和主要手段.2.实验目的了解音频信号光纤传输系统的结构熟悉半导体电光/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系统的调试技能3.待解决的几个主要问题:声音是一种低频信号，你可能有这样的经历，当你说话的声音较低时，只有你旁边的人可以听见你的声音，要让声音传的远些你必须大声喊。
这说明了低频信号的传播受周围环境的影响很大，传播的范围有限。
为了解决上述的问题，在通信技术中一般是使用一个高频信号作为载波利用被传输的信号（如音频信号）对载波进行调制。
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音频信号光纤传输技术实验
实验目的
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系统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
4．训练音频信号光纤传输系统的调试技术
实验仪器
YOF—B型音频信号光纤传输技术实验仪（由四川大学物理系研制）；
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L ED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。
此电路的工作原理如下：
音频信号经IC1放大电路传到LED调制电路。
W2调节发光管LED工作（偏置）电流，音频电流调制此工作电流，并经LED转换成音频调制的光信号，经光纤传至光电二极管SPD 再复原成原始音频电流信号，经由IC2构成的I—V变换电路转换成电压信号，最后通过功率放大电路输出声音功率信号，推动扬声器发出声音。
这样就完成了音频信号通过光纤的传输过程。
二、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（2）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3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。
图2 LED的驱动和调制电路图3 LED的正向伏安特性
三．半导体光电二极管的工作原理及特性
半导体光电二极管SPD与普通的半导体二极管一样，都具体一个p-n结,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，与普通二极管不同，它经常工作在反向偏置电压状态（如图4a所示）或无偏压状态（如图4b所示）。
图4 光电二极管的结构及工作方式
半导体光电二极管SPD的反向伏安特性如图5所示。
图5 光电二极管的伏安特性曲线
实验内容
一. LED—传输光纤组件电光特性的测定
测量前首先将两端带电流插头的电缆线一头插入光纤绕线盘上的电流插孔，另一端插入发送器前面板上的“LED”插孔，并将光电探头插入光纤绕线盘上引出传输光纤输出端的同轴插孔中，SPD的两条出线接至仪器前面板光功率指示器的相应插孔内，在以后实验过程中注意保持光电探头的这一位置不变。
测量时调节W2使毫安表指示从零开始（此时光功率计
的读数应为零，若不为零记下读数，并在以后的各次测量中以此为零点扣除）,逐渐增加LED 的驱动电流，每增加2mA读取一次光功率计示值，直到20mA为止。
根据测量结果描绘LED—传输光纤组件的电光特性曲线，并确定出其线性度较好的线段。
二．光电二极管反向伏安特性曲线的测定
测定光电二极管反向伏安特性的电路如图(6)所示。
由IC1为主构成的电路是一个电流—电压变换电路，它的作用是把流过光电二极管的光电流I转换成由IC1输出端C点的输出电压V o，它与光电流成正比。
整个测试电路的工作原理依据如下：由于IC1的反相输入端具有很大的输入阻抗，光电二极管受光照时产生的光电流几乎全部流过R f并在其上产生电压降V c b =R f I。
另外，又因IC1具有很高的开环电压增益，反相输入端具有与同相输入端相同的地电位，故IC1的输出电压
V o=I R f（4）已知R f后，就可根据上式由V o
计算出相应的光电流I。
图6 光电二极管反向伏安特性的测定
在图（7）中，为了使被测光电二极管能工作在不同的反向偏压状态下，设置了由W1组成的分压电路。
具体测量时首先把SPD的插头接至接收器前面板左侧SPD相应的插孔中，然后根据LED的电光特征曲线在LED工作电流从0～20mA的变化范围内查出输出光功率均分的5个工作点对应的驱动电流值，为以后论述方便起见，对应这5个电流值分别标以i1，i2，i3，i4和i5 .测量LED工作电流为i1～i5时所对应的5种光照情况下光电二极管的反向伏安特性曲线。
对于每条曲线,测量时，调节W1使被测二极管的反偏电压逐渐增加，从0 V开始，每增加1V用接收器前面板的数字毫伏表测量一次IC1输出电压V o值，
根据这一电压值由
（4）式即可算出相应的光电流I。
三. 音频放大器频带特性
音频放大器的频带宽度决定了所传音频信号保证不失真、且有良好放大作用的频率范围。
具体测试时，应将音频放大器的输入断与双踪示波器的一个通道和低频信号发生器相连，输出端和示波器的另一通道相连。
将音频输入信号保持在20H Z—20KH Z之间，幅度保持10mv不变，改变频率f从10—20KH Z，测出对应的放大器输出信号峰峰值U out值。
作出U out—lg f曲线，求出带宽Δf。
四．语言信号的传输
实验整个音频信号光纤传输系统的音响效果。
实验时把示波器和数字毫伏表接至接收器I—V变换电路的输出端，适当调节发送器的LED偏置电流和调制输入信号幅度，使传输系统达到无非线性失真、光信号幅度为最大的最佳听觉效果。
思考题
1. 利用SPD 、I—V变换电路和数字毫伏表，设计—光功率计。
2．如何测定图9示SPD第四象限的正向伏安特性曲线？
3.在LED偏置电流一定情况下,当调制信号幅度较小时，指示LED偏置电流的毫安表读数与调制信号幅度无关，当调制信号幅度增加到某一程度后，毫安表读数将随着调制信号的幅度而变化，为什么﹖
4. 若传输光纤对于本实验所采用LED的中心波长的损耗系数（**）〆≤1dB,根据实验数据估算本实验系统的传输距离还能延伸多远？。