音频信号光纤传输实验

音频信号光纤传输实验

周开维

（ 北京市海淀区 北京邮电大学 邮编：100876 )

摘要：光纤俗称玻璃纤维，以其优良的传输特性已经成为信息社会主要的信息传输手段。本试验主要通过 研究光纤音频信号的传输来了解光纤通信的基本工作原理，熟悉半导体发光二极管（LED)和光电检测二极管（SPD）的基本性能及主要特性的测试方法，学习分析集成运放电路的基本方法，学习掌握音频信号光纤传输系统的调试技能。

关键词：光纤；调制电路；半导体发光二极管（LED)；光电检测二极管（SPD）

Audio signal optical fiber transmission

Zhou kaiwei

（Beijing University of Posts and Telecommunications zip code：100876）

Abstract：Fiber or glass fiber, with its excellent transmission characteristics has become the main

means of information transmission of information society. This experiment mainly through the transmission of the optical audio signal to understand the basic working principle of fiber optic communication, familiar with semiconductor light emitting diode (LED) and photoelectric diode (SPD) test methods for basic performance and main characteristics, analysis of the basic method of integrated operational amplifier circuit learning, learning and mastering the audio signal optical fiber transmission system debugging skills.

Keywords: fibre-optica ；modulator circuit ；Semiconductor light emitting diode ；Photoelectric

diode)

1.引言

光导纤维技术是近40年发张起来的一项新兴的技术，是现在光信息技术的重要组成部分。 光纤的用途很多，其最重要的应用就是光纤通信。它是1996年由美籍华人高锟博士根据介质波导理论首次提出的。现在已经成为当今最主要的有线通信方式即将需传输的信息在发送端输入到发送机中，将信息叠加或调制到作为信息信号载体的载波上，然后将已调至的载波通过传输介质送到远处的接收端，由接收机解调出原来的信息。通过本试验，可以了解光纤通信的基本原理，熟悉半导体电光-光电器件的基本性能和主要特性的测试方法。 2.实验原理

2.1光纤音频信号传输系统的组成和原理

光纤音频信号传输系统是由“光信号发送器”“光信号接收器”以及“传输光纤”三个部分组成。为了保证系统的传输损耗

低，光信号发送器的光源发光二极管（LED）的发光中心波长必须在传输光纤呈现低损耗的0.85～1.3µm或1.6µm附近。光信号接收器中的光电检测器件（SPD）的峰值响应波长也应与此接近。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。对于音频信号，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的幅频特性。 2.2半导体的发光二极管（LED）的结构及工作原理

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、光谱宽度以及调制性能等方面均有特殊要求，目前在以上各方面都能较好满足要求的器主要有半导体发光二极管（LED）和半导体激光器（LD）。光纤传输系统中常用的半导体发光二极管

是一个如图4.14.1所示的N—P—P双异质（简称DH）结构的半导体器件，中间层通常是由直接带隙的GaAs砷化镓P型半导体材料组成，称为有源层，其带隙宽度较窄，两侧分别由AlGaAs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。具有不同的带隙宽度的两种半导体单晶之间的结构称为异质结。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P—P异质结构的阻档作用将不再能够进入右侧P层，它们只能被限制在有源层内与空穴复合，同时释放能量产生光子，发出的光子满足以下关系： hv=E1—E2=Eg 其中h是普朗克常量，v指光波频率，E1是有源层内导电电子的激发态能级，E2是导电电子与空穴复合后处于价键状态时的束缚能级。两者的差值Eg与DH结构中各层材料及其组份的选取及其组份的选取有等多种因素有关，制作LED时只要求这些材料的选取和组份控制适当，就可以使LED的发光中心波长与传输光纤的低损耗波长一样。 图 4.14.1 半导体发光二极管工作原理 2.3 LED的驱动及调制电路

光纤通信中使用的半导体发光二极管的光功率经光导纤维输出，出纤光功率与

LED驱动电流的关系电光特性。当偏置电流

2.4光电检测二极管（SPD）的工作原理及特性

本实验的光信号接收采用硅光电二极管（SPD），与普通二极管一样，SPD也是一个P-N结，但SPD的管壳上有一个能让光射入其光敏区窗口，此外，它经常工作在反向偏置电压状态或无偏压状态，因此它的光电特性线性度好。图4.14.4是光信号接收器的电路原理图，其中SPD是峰值响应波长与发送端LED光源发光中心波长很接近，它的峰值波长响应度（表征光电二极管光电转换

过大时，会出现输出信号上部畸变的饱和失真；而偏置电流太小，则会出现输出信号下部畸变的截至失真。为了避免和减小非线性失真，使用时应给LED一个适当偏置电流ID，其值等于这一特性曲线线性部分中点对应的电流值，而调制信号的峰—峰值也应位于电光特性线性范围内。对于非线性失真要求不高的情况下，也可把偏置电流选为LED最大允许工作电流的一半，这时就可使LED获得无截至畸变幅度最大的调制，这将有利于信号的远距离传输。光纤音频信号传输系统发送端LED的驱动和调制电路如图4.14.3所示，以BG1为主构成的电路是LED的驱动电路，调节这一电路的RP2可以使LED的偏置电流在0～20mA的范围内发生变化。信号发生器产生的音频信号由IC1为主构成的音频放大电路放大后经电容器耦合到BG1基极，对LED的工作电路进行调制，从而使LED发送出光强随音频信号普化的光信号，并经光纤把这一信号传至接收端。根据运放电路理论，图2 中音频放大电路的闭环增益为 G（jw）=1+Z

2/Z1其中Z2、Z1分别为放大器反

馈阻抗和反相输入端的接地阻抗，只要C3选 得足够小，C2选得足够大，则在要求带宽的中频范围内，C3的阻抗很大，它所在支路可视为开路，而C2的阻抗很小，它可视为短路，在此情况下，放大电路的闭环增益G

（jw）=1+R3/R1。C1的大小决定了高频端的

截止频率

f2，而C2的值决定着低频端的频率f1，故该电中的R1、R2、R3和C2、C3是决定音频放大电路增益和带宽的几个重要参数.

效率的重要参数）为0.25—0.5µA/µW。SPD

的任务是把经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IC1组成的I—V转换电路，再把光电流转换成电压V0输出，V0与I0之间具有以下比例关系

V0=R1I0

(2)用数字万用表测量LED的偏置电流与接收器上的输出电压U0之间的关系。

(3).LED直流偏流与最大不失真调制幅

度的关系测定 利用双踪示波器测量发送器输入信号Ui和Re两端的输出的信号。实验要求信号源频率为1kHz通过RP1改变输入信号的

幅值，对不同偏置电流下Re两端输出信号 图4.14.3 光信号发送器的原理图

无畸变的最大幅值进行观察。

(4). 光信号发送器调制放大电路幅频

特性的测定

将音频信发生器输出信号频率调为100Hz、500Hz、1KHz、3KHz、5KHz、6KHz、7KHz、8KHz、9Hz、10KHz、12KHz、14KHz、16KHz、18KHz、20KHz，用示波器观察由光 纤传输的光信号转化为音频电信号的波形

图4.14.4 光信号接收器的原理

的峰—峰值。由观测线果绘出音频信号光纤

传输系统的幅频特性曲线。

3.实验仪器 (5 )光信号的放大 音频信号光纤传输技术试验仪，光功率 保持Ui在10mV左右，偏置电流计，光纤一盘，信号发生器，双踪示波器，ID=15mA，分别观察接收端功放电路的万用表，导线若干 电位器RPnf对信号输出的影响。令

4、实验内容 RPnf=0，改变发送端信号源频率，用示 (1) LED--传输光纤组件电光特性的测定 波器观察接收端功放电路输出电压随

利用光功率计测量LED驱动电路三极管信号频率的变化；RPnf=最大，重复以的偏置电流与LED输出光功率计之间的关系上观察，将结果与电位器RPnf=0时的曲线。将LED的输出接入光功率计，利用发情况进行比较，并对比较结果进行分析送器上的电位器RP2可以调节驱动电路三极和讨论。 管的基极电位，进而改变偏置电流ID.偏置 电流ID每增加4mA测量一次。 (2) 硅光电二极管特性及响应度的测定 (1）用数字万用表测量Rf的值。

5. 原始数据表格 （1）LED-传输光纤组件电光特性的测定

（2）硅光电二极管特性及响应度的测定 Rfmax=11.6（KΩ)

（3） LED直流偏流与最大不失真调制幅度的关系测

(4). 光信号发送器调制放大电路幅频特性的测定

6. 数据处理 （1） LED 电光特性曲线

从上图中可知，直流偏流ID在8—16mA的范围内光电转换基本上是线性的。 （2） I-P 特性曲线

R=∆I/∆P=（20-12）/（954-240）=0.011204 （3） .LED直流偏流与最大不失真调制幅度的关系曲线

（4） 放大倍数随频率变化的曲线

R=∆I/∆P=（20-12）/（954-240）=0.011204

（3） .LED直流偏流与最大不失真调制幅度的关系曲线

（4） 放大倍数随频率变化的曲线

可以看出在大于运放的截至频率和饱和频率之间，运放放大倍数最大，随着频率的 增大，运放的放大功能逐渐减弱

（5）发送器V0（mV），接收器V0（mV）曲线

由图线可以看出，电势随着频率的增大而减小

7.思考题

(1) 确定LED电光特性曲线在线性范比与介质的折射率 C=K/n 因此可以断围内，使偏置电流等于这一特性曲线线性部定光在光在光纤中的传播速度小于在空气分中点对应的电流值，而对于非线性失真要中的传播速度。我们在光纤的输入端输入一求不高的的情况下，也可把偏置电流设为连串稳定的的光脉冲信号，并在光纤的输出LED最大允许工作电流的一半。 端接收这些信号，由于光纤的长度引起一个

(2) 输出信号出现截止或饱和削波失脉冲信号的时间延迟T1， T1=L/C1 其真，则说明调制信号幅度过大。 中C1为光在光纤中的速度，L为光纤长度，

(3) 主要取决于发送端调制放大电路和如果我们测出T1，则C1=L/C1，再由接收端功率放大电路的幅频特性。 C1/C0=n0/n1，求出光纤的平均折射率n1=

8.拓展实验内容 （C0/C1)n0,其中C1为光在光纤中的速度， 光纤中光的传播时间和速度 C0为光在空气中的速度，n0为空气折射率。

由于光在透明介质中的传播速度反