音频信号光纤传输技术实验剖析
音频信号光纤传输实验报告
实验报告：音频信号光纤传输（本报告仅供参考，每个同学应根据指导老师讲解和实际实验过程自行撰写）实验目的：1、 学习音频信号光纤传输系统的基本结构和各部件的选配原则。
2、 熟悉光纤传输系统中电光/光电转换器件的基本性能。
3、训练如何在音频信号光纤传输系统中获得较好的信号传输质量。
实验仪器TKGT-1型音频信号光纤传输实验仪 信号发生器 双踪示波器实验原理光纤，又名光导纤维，是20世纪70年代为光通信而发展起来的一种新型材料，具有损耗低、频带宽、耐高温、绝缘性好、抗电磁干扰、光学特性好等优点。
1970年，美国康宁公司率先研制出了世界上第一根传输衰减损耗小于20dB/km 的石英光纤。
目前，普通单模光纤的传输损耗在工作波长为1550纳米窗口损耗小于0.2dB/km ，在1310纳米窗口小于0.3 dB/km 。
目前商用光纤制作工艺多为渐变折射率芯层光纤。
从传输模式来说，光纤分为单模和多模两种；从结构上来说，分为普通光纤和特殊光纤，普通光纤包括单模和多模光纤，特殊光纤包括保偏光纤、单偏振光纤和塑料光纤等。
普通光纤的外径为125微米，单模光纤芯径为5-10微米，多模光纤芯径为50、62.5、80、100微米，加护套总直径约为1毫米。
目前通信干线用光纤一般为单模光纤，光纤工作波长为1550纳米。
一般光纤的结构是由导光的纤芯和周围包覆的涂层组成。
光纤的工作基础是光的全反射。
由于纤芯的折射率大于涂层的折射率，当光从纤芯射向涂层，且入射角大于临界角，则射入的光在界面上产生全反射，成“之”字形前进，传播到圆柱形光纤的另一端而发射出去，这就是光纤的传光原理。
附：光的全反射原理根据光的反射和折射定律，即11θθ=' 2211sin n sin n θθ= 若n1>n2，横线上为2，下为1介质，即光由光密介质射入光疏介质，且入射角大于临界角，即c θθ>时，就发生光的全反射现象。
由于在临界状态下，22πθ=，代入上式，则⎪⎪⎭⎫⎝⎛=12c n n arcsin θ ，称为全反射临界角。
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。
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。
音频信号光纤传输技术实验报告 大学物理实验
8-1 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。
图8-1-1 音频信号光纤传输系统原理图二、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。
【精选】6-1 音频信号在光纤中传输 实验报告
【精选】6-1 音频信号在光纤中传输实验报告
实验目的：通过实验了解和掌握音频信号的光纤传输原理和方法，培养实验操作和实验设计的能力。
实验原理：光纤传输是一种利用光学的方式携带信息的通讯方式。
当光线由光纤中传播时，在光线与光纤界面上发生反射，波动在光纤的芯和壳之间传递。
光纤传输的优点是可以输送高速数据，同时也可以很好的保障信息的安全性，适用于具有强抗干扰能力要求的音频信号传输场合。
实验仪器：音频采集卡、电脑、光纤接口、光纤线。
实验步骤：
1.将音频采集卡与电脑相连，启动电脑，打开音频采集卡的软件，保证采集卡和电脑连接正常。
2.将光纤接口插入音频采集卡的光纤接口处，将光纤线的一端连至光纤接口，将另一端的光纤线连接音频播放器的音源输出端口。
3.将音频播放器打开，选择要播放的音频文件，将音量调到适当大小。
4.在音频采集卡的软件中，打开音频输入通道的设置框，选择光纤接口，确认连接无误后，闭合设置框。
5.打开音频采集卡的录音控制面板，按下“开始录音按钮”，开始录制音频。
6.在录制过程中，调整音量大小、增益等参数，保证录制的音
频质量良好。
7.录制完毕后，停止录制，最后保存文件。
实验结果：经过实验测试，将音源通过光纤线传输到音频采集卡的效果比较理想，音色清晰饱满，无杂音，可达到很好的传输效果，适用于多种音频领域，如电视电影、歌曲音乐等方面。
实验结论：由于光纤传输具有抗干扰强、传输速度快、传输距离长等优点，因此在音频传输领域得到了广泛的应用，能够大大提高音频传输的质量和速度，也是未来音频传输领域的重要发展方向。
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△=
称为纤芯和包层之间的相对折射率差，△愈大，光纤的理论数值孔径NA愈大，表明光纤对子午线捕获的能力愈强，即由光源发出的光功率更易于耦合到光纤的纤芯内。这对于作传光用途的光纤来说是有利的。但对于通讯用的光纤，数值孔径愈大，模式色散也相应增加，这不利于传输容量的提高。对于通讯用的多模光纤△值一般限制在1%左右。由于通信用多模光纤的纤芯折射率n1是在1.50附近，故理论数值孔径的值在0.21左右。
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。
参看图8-1-2，假设光纤端面与其轴线垂直。对于子午光射线，根据smell定律及图8-1-2所示的几何关系有：
（1）
其中 ，所以有
（2）
其中 是光纤入射端面左侧介质的折射率。通常，光纤端面处在空气介质中，故n0=1。由 （2）式可知：如果光线在光纤端面处的入射角 较小,则它进入光纤内部后投射到纤芯-包层界面处的入射角 就会大于按下式决定的临界角 ：
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。
三．半导体发光二极管结构、工作原理、特性及驱动、调制电路
光纤通讯系统中，对光源器件在发光波长、电光效率、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任务，目前在以上各个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（LED）、半导体激光二极管（LD），本实验采用LED作光源器件。
hυ = E -E = E
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。
图4 HFRB-1424型LED的正向伏安特性
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。
图4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。在图（4）中，有源层与左侧的N层之间形成的是p-N异质结，而与右侧P层之间形成的是p-P异质结，故这种结构又称N-p-P双异质结构。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：
设与 对应的 为 ，凡是以 为张角的锥体内入射的子午光线，投射到光纤端面上时，均能被光纤有效地接收而约束在纤芯内。根据（2）式有：
其中no表示光纤入射端面空气一侧的折射率，其值为1，故：
通常把此式定义为光纤的理论数值孔径（Numerical Aperture）,用英文字符NA表示，即
NA= （4）
它是一个表征光纤对子午射线捕获能力的参数，其值只与纤芯和包层的折射率n1和n2有关，与光纤的半径a无关。在（4）式中：
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 ，包层的外径为b，折射率为 ,且 > 。
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。