光纖音頻信號(hào)傳輸實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)

光纖信號(hào)傳輸實(shí)驗(yàn)【教學(xué)目的】1．學(xué)習(xí)光纖信號(hào)傳輸系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及各部件選配原則；2．熟悉光纖傳輸系統(tǒng)中電光/光電轉(zhuǎn)換器件的基本性能；3．訓(xùn)練如何在光纖傳輸系統(tǒng)中獲得較好信號(hào)傳輸質(zhì)量。【教學(xué)重點(diǎn)】1.光纖信號(hào)的發(fā)射、傳輸、接收原理2.光纖信號(hào)傳輸系統(tǒng)幅度的調(diào)制【教學(xué)難點(diǎn)】1.光纖信號(hào)傳輸系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)2.光電轉(zhuǎn)換器件的基本性能【課程講授】提問(wèn)1.光信號(hào)是如何獲得的？2.光信號(hào)在光纖中是如何進(jìn)行傳輸?shù)?？一、?shí)驗(yàn)原理光纖傳輸系統(tǒng)如圖一所示一般由三部分組成：光信號(hào)發(fā)送端；用于傳送光信號(hào)的光纖；光信號(hào)接收端。光信號(hào)發(fā)送端的功能是將待傳輸?shù)碾娦盘?hào)經(jīng)電光轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，光纖的功能是將發(fā)送端光信號(hào)以盡可能小的衰減和失真?zhèn)魉偷焦庑盘?hào)接收端，目前光纖一般采用在近紅外波段0.84μm、1.31μm、1.55μm有良好透過(guò)率的多模或單模石英光纖。光信號(hào)接收端的功能是將光信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器件還原為相應(yīng)的電信號(hào)，光電轉(zhuǎn)換器件一般采用半導(dǎo)體光電二極管或雪崩光電二極管。組成光纖傳輸系統(tǒng)光源的發(fā)光波長(zhǎng)必須與傳輸光纖呈現(xiàn)低損耗窗口的波段、光電檢測(cè)器件的峰值響應(yīng)波段匹配。2．光信號(hào)發(fā)送端的工作原理系統(tǒng)采用的發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)和調(diào)制電路如圖二所示，信號(hào)調(diào)制采用光強(qiáng)度調(diào)制的方法，發(fā)送光強(qiáng)度調(diào)節(jié)電位器用以調(diào)節(jié)流過(guò)LED的靜態(tài)驅(qū)動(dòng)電流，從而相應(yīng)改變發(fā)光二極管的發(fā)射光功率。圖（二）3．光信號(hào)接收端的工作原理圖四是光信號(hào)接收端的工作原理圖，傳輸光纖把從發(fā)送端發(fā)出的光信號(hào)通過(guò)光纖藕合器將光信號(hào)藕合到光電轉(zhuǎn)換器件光電二極管，光電二極管把光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之成正比的電流信號(hào)，光電二極管使用時(shí)應(yīng)反偏壓，經(jīng)運(yùn)放的電流電壓轉(zhuǎn)換把光電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之成正比的電壓信號(hào)。光電二極管的頻響一般較高，系統(tǒng)的高頻響應(yīng)主要取決于運(yùn)放等的響應(yīng)頻率。圖（三）4．傳輸光纖的工作原理目前用于光通訊的光纖一般采用石英光纖，它是在折射率n2較大的纖芯內(nèi)部，覆上一層折射率n1較小的包層，光在纖芯與包層的界面上發(fā)生全發(fā)射而被限制在纖芯內(nèi)傳播，如圖五所示。石英光纖的主要技術(shù)指標(biāo)有衰減特性，數(shù)值孔經(jīng)和色散等。圖（四）二、實(shí)驗(yàn)儀器雙蹤示波器、光纖信號(hào)傳輸實(shí)驗(yàn)儀三、實(shí)驗(yàn)步驟1．光纖傳輸系統(tǒng)靜態(tài)電光/光電傳輸特性測(cè)定分別打開(kāi)光發(fā)送端電源和光接收端電源，面板上兩個(gè)三位半數(shù)字表頭分別顯示發(fā)送光驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度和接收光強(qiáng)度。調(diào)節(jié)發(fā)送光強(qiáng)度電位器，每隔100單位（相當(dāng)于改變發(fā)光管驅(qū)動(dòng)電流1ma）分別記錄發(fā)送光驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)與接收光強(qiáng)度數(shù)據(jù)，在坐標(biāo)紙上繪制靜態(tài)電光/光電傳輸特性曲線。2．光纖傳輸系統(tǒng)頻響的測(cè)定將在調(diào)制信號(hào)輸入接口上從信號(hào)發(fā)生器輸入正弦波，將雙蹤示波器的通道1和通道2分別接到輸入正弦信號(hào)和信號(hào)接收端，保持輸入信號(hào)的幅度不變，調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器頻率，記錄信號(hào)變化時(shí)輸出端信號(hào)幅度的變化，分別測(cè)定系統(tǒng)的底頻和高頻截止頻率。3．LED偏置電流與無(wú)失真最大信號(hào)調(diào)制幅度關(guān)系測(cè)定將從信號(hào)發(fā)生器輸入的正弦波頻率設(shè)定在1kHz，輸入信號(hào)幅度調(diào)節(jié)電位器置于最大位置，然后在LED偏置電流為5、10ma兩種情況下，調(diào)節(jié)信號(hào)源輸出幅度，使其從零開(kāi)始增加，同時(shí)在接收端信號(hào)輸出處觀察波型變化，直到波型出現(xiàn)截止現(xiàn)象時(shí)，記錄下電壓波型的峰-峰值，由此確定LED在不同偏置電流下光功率的最大調(diào)制幅度。4．多種波型光纖傳輸實(shí)驗(yàn)將輸入選擇開(kāi)關(guān)打到“外”，在音頻信號(hào)輸入接口上分別從函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸入方波信號(hào)和三角波信號(hào)，將雙蹤示波器的通道1和通道2分別接到發(fā)送端示波器接口和接收端音頻信號(hào)輸出接口，保持輸入信號(hào)的幅度不變，調(diào)節(jié)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸出頻率，從接收端通過(guò)示波器觀察輸出波形變化情況，記錄輸入信號(hào)頻率變化時(shí)輸出信號(hào)幅度的變化，分別測(cè)定系統(tǒng)的低頻和高頻截止頻率。在數(shù)字光纖傳輸系統(tǒng)中往往采用方波來(lái)傳輸數(shù)字信號(hào)。5．音頻信號(hào)光纖傳輸實(shí)驗(yàn)將輸入選擇打到“內(nèi)”，按下內(nèi)音頻信號(hào)觸發(fā)按鈕，通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)送光強(qiáng)度電位器改變發(fā)送端LED的靜態(tài)偏置電流，收聽(tīng)在接收端發(fā)出的語(yǔ)音片音樂(lè)聲，考察當(dāng)LED的靜態(tài)偏置電流小于多少時(shí)，音頻傳輸信號(hào)產(chǎn)生明顯失真，分析原因，并同時(shí)通過(guò)示波器觀察分析語(yǔ)音信號(hào)波形變化情況。四、數(shù)據(jù)記錄光纖傳輸系統(tǒng)靜態(tài)電光/光電傳輸特性測(cè)定驅(qū)動(dòng)電流（mA）024681012141618發(fā)送光強(qiáng)度接受光強(qiáng)度2.光纖傳輸系統(tǒng)頻響的測(cè)定(1)低頻截止頻率：f1(2)高頻截止頻率：f23.LED偏置電流與無(wú)失真最大信號(hào)調(diào)制幅度關(guān)系測(cè)定(1)LED偏置電流為5MA信號(hào)源輸出電壓波型的峰-峰值:VP-P(2)LED偏置電流為10MA信號(hào)源輸出電壓波型的峰-峰值:VP-P4．多種波型光纖傳輸實(shí)驗(yàn)(1)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸入方波信號(hào)低頻截止頻率：f1高頻截止頻率：f2(2)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸入方波信號(hào)低頻截止頻率：f1高頻截止頻率：f25．音頻信號(hào)光纖傳輸實(shí)驗(yàn)音頻傳輸信號(hào)產(chǎn)生明顯失真時(shí)，LED的靜態(tài)偏置電流：I=MA六、數(shù)據(jù)處理在坐標(biāo)紙上繪制靜態(tài)電光/光電傳輸特性曲線。當(dāng)LED的靜態(tài)偏置電流小于I時(shí)，音頻傳輸信號(hào)產(chǎn)生明顯失真，分析原因，并同時(shí)通過(guò)示波器觀察分析語(yǔ)音信號(hào)波形變化情況。五．思考題1．本實(shí)驗(yàn)中LED偏置電流是如何影響信號(hào)傳輸質(zhì)量？提示：當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流較小時(shí)發(fā)光二極管的發(fā)射光功率與驅(qū)動(dòng)電流基本上呈線性關(guān)系,因此驅(qū)動(dòng)電流在0－20ma內(nèi)，光信號(hào)越強(qiáng)，傳輸質(zhì)量越高。2．本實(shí)驗(yàn)中光傳輸系統(tǒng)那幾個(gè)環(huán)節(jié)引起光信號(hào)的衰減？提示：光信號(hào)的傳輸環(huán)節(jié)由于光纖的傳輸損耗會(huì)引起光信號(hào)的衰減，在光信號(hào)的發(fā)射端和接收端，光電二極管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換時(shí)也會(huì)引起光信號(hào)的衰減。3．光傳輸系統(tǒng)中如何合理選擇光源與探測(cè)器？提示：組成光纖傳輸系統(tǒng)光源的發(fā)光波長(zhǎng)必須與傳輸光纖呈現(xiàn)低損耗窗口的波段、光電檢測(cè)器件的峰值響應(yīng)波段匹配。本實(shí)驗(yàn)發(fā)送端電光轉(zhuǎn)換器件采用中心發(fā)光波長(zhǎng)為0.84μm的高亮度近紅外半導(dǎo)體發(fā)光二極管，傳輸光纖采用多模石英光纖，接收端光電轉(zhuǎn)換器件采用峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為0.8～0.9μm的硅光電二極管。4．光電二極管在工作時(shí)應(yīng)正偏壓還是負(fù)偏壓，為什么？