音频信号光纤传输技术实验报告.docx
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音频信号光纤传输技术实验报告
音频信号光纤传输技术实验报告
篇一:
光纤音频信号传输技术实验
TKGT-1型音信号传输仪器
评
价
报
告
学院:
工业制造学院
专业:
测控技术与仪器
班级:
2010级2班报告人:
邱兆芳
学号:
201010114201
光纤音频信号传输技术实验
1.引言
随着Internet网络时代的到来,人们对数据通讯的带宽、速度的要求越来越高,光纤通讯具有频带宽、高速、不受电磁干扰影响等一系列优点,正在得到不断发展和应用。
通过使用THKGT-1型光纤音频信号传输实验仪做音频信号光纤传输实验,让学生熟悉了解信号光纤传输的基本原理。
同时学生可以了解光纤传输系统的基本结构及各部件选配原则,初步认识光发送器件LED的电光特性及使用方法,光检测器件光电二极管的光电特性及使用方法,基本的信号调制与解调方法,完成光纤通讯原理基本实验。
光纤即为光导纤维的简称。
光纤通信是以光波为载波,以光导纤维为传输媒质的一种通信方式,由发送电端机将待传送的模拟信号转换成数字信号,再由发送光端机将电信号转换成相应的光信号,并将它送入光纤中传输至接收端。
接收光端机将传来的光信号转换成相应的电信号并进行放大,然后通过接收电端机恢复成原来的模拟信号。
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。
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。
[实验目的]
1.学习音频信号光纤传输系统的基本结构及各部件选配原则。
2.熟悉光纤传输系统中电光/光电转换器件的基本性能。
3.训练如何在音频光纤传输系统中获得较好信号传输质量。
[实验仪器]
THKGT-1型光纤音频信号传输实验仪,函数信号发生器,双踪示波器。
[实验原理]
光纤传输系统如图1所示,一般由三部分组成:
光信号发送端;用于传送光信号的光纤;光信号接收端。
光信号发送端的功能是将待传输的电信号经电光转换器件转换为光信号,目前,发送端电光转换器件一般采用发光二极管或半导体激光管。
发光二极管的输出光功率较小,信号调制速率相对低,但价格便宜,其输出光功率与驱动电流在一定范围内基本上呈线性关系,比较适宜于短距离、低速、模拟信号的传输;激光二极管输出功率大,信号调制速率高,但价格较高,适宜于远距离、高速、数字信号的传输。
光纤的功能是将发送端光信号以尽可能小的衰减和失真传送到光信号接收端,目前光纤一般采用在近红外波段μm、
μm、μm有良好透过率的多模或单模石英光纤。
光信号接收端的功能是将光信号经光电转换器件还原为相应的电信号,光电转换器件一般采用半导体光电二极管或雪崩光电二极管。
组成光纤传输系统光源的发光波长必须与传输光纤呈现低损耗窗口的波段、光电检测器件的峰值响应波段匹配。
本实验发送端电光转换器件采用中心发光波长为μm的高亮度近红外半导体发光二极管,传输光纤采用多模石英光纤,接收端光电转换器件采用峰值响应波长为~μm的硅光电二极管。
下面对各部分作进一步介绍。
图1光纤传输系统
2.光纤结构与光纤传输的工作原理
光纤是传导光波的玻璃纤维(也有塑料光纤),它由纤芯和包层组成,纤芯位于光纤的中心部位,光主要在这一部分里传输。
纤芯外面由包层围绕,纤芯折射率比包层折射率约大1%。
对于不同的应用,有许多不同类型的光纤。
根据纤芯折射率的分布,具有代表性的光纤是阶跃折射率型和渐变折射率型两种。
目前用于光通讯的光纤一般采用石英光纤,它是在折射率n2较大的纤芯外表,覆上一层折射率n1较小的包层,光在纤芯与包层的界面上发生全发射而被限制在纤芯内传播,如图2所示,光纤实际上是一种介质波导,光被闭锁在光纤内,只能沿光纤传输,光纤的芯径一般从几微米至几百微米,按照传输光模式可分为多模光纤和单模光纤,按照光纤折射率分布方式不同可以分为阶跃折射率型和渐变折射率型光纤。
图2光纤传输的工作原理
阶跃折射率型光纤包含两种圆对称的同轴介质,两者都质地均匀,但折射率不同,外层折射率低于内层折射率。
阶跃折射率型光纤纤芯与包层间折射率的变化是阶梯状的,如图40-2所示。
光线的传输是在纤芯与包层的界面上产生全反射,呈锯齿形前进。
渐变折射率型光纤是一种折射率沿光纤横截面渐变的光纤,这样改变折射率的目的是使各种模传播的群速相近,从而减小模色散增加通讯带宽。
渐变折射率型光纤纤芯的折射率从中心轴线开始沿径向逐渐减小。
偏离中心轴线的光线沿曲线蛇行前进。
上述两种光纤纤芯直径为50~100μm,称为多模光纤。
图2为单模光纤,其纤芯直径为3~10μm。
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。
石英光纤的主要技术指标有衰减特性,数值孔径和色散等。
(1)数值孔径:
数值孔径描述光纤与光源、探测器和其他光学器件耦合时的特性,它的大小反映光纤收集光的能力。
数值孔径是光纤传光性质的结构参数之一,
是表示光学纤维
集光能力的一个参量。
如图2所示,光线1以?
角入射在光纤端面上,光线经折射后进入光纤,以角Ф入射到纤芯和包层间的光滑界面上。
只要我们选择适当的入射角θ,总可以使角Ф大于临界角Фm,使光线1在界面上发生全反射。
全反射光线1又以同样的角度Ф在对面界面上发生第二次全反射。
如果光导纤维是均匀的圆柱体,入射光线经无数次全反射后从另一端以和入射角θ相同的角度射出。
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
N=n0sin?
a=n2?
n1
(1)
式中n0是入射光线所在介质的折射率,n2和n1分别为光纤的纤芯和包层的折射率。
由式(40-1)可见,纤芯和包层的折射率相差越大,θa越大,光纤的数值孔径就越大,它的值一般在~之间,对应的θa在9°~33°。
数值孔径是表示光纤集光能力的一个参量,它越大就表示光线接受的光通量越多。
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:
光纤的传输损耗是光纤传输特性的一个重要指标,它直接影响着光纤的传输效率。
对于通信应用中的光纤,低的损耗特别重要。
对于传感用光纤,效率问题也十分重要,因为有时它会影响测量的灵敏度。
实现光通信的首要问题是如何降低光传输的损耗,光纤的损耗从最初的几千分贝每公里降到20dB/km(1970年),以后又逐渐减低到/km(1976年),以至dB/km,这样,使光纤通讯在20世纪70年代初即成为现实。
当光从光纤的一端射入而从另一端射出时,光强将减弱,这意味着光在光纤中传播时产生了损耗,光纤在传输中的损耗大小由下式计算:
a=lg
(2)
式中a为光纤的衰减系数,单位为dB/km,Pi、P0分别为光纤的输入和输出光功率,L为光纤长度,以km为单位。
光纤中引起光能量衰减(损耗)的原因有吸收损耗、散射损耗和辐射损耗。
吸收损耗
吸收损耗与组成光纤材料的电子受激跃迁和分子共振有关。
当电子与光子相互作用时,电子会吸收能量而被激发到较高能级。
分子的共振吸收与原子构成分子时共价键的特性有关。
当光子的频率与分子的振动频率接近或相等时发生共振,并大量吸收光能量。
以上吸收损耗是材料本身所固有的,就是在不含任何杂质的材料中也存在上述现象,所以又被称为本征吸收。
散射损耗
玻璃中的散射损耗是由于材料密度的微观变化、成分起伏以及在制造光纤过程中遇到不均匀或不连续的情况时,一部分光就会散射到各个方向,而不能传输到终点,从而造成散射22
损耗。
材料在形成的过程中由于内部密度的不均匀致使材料中出现折射率的差异,从而引起光的散射效应,造成光能的损失。
这种不均匀微粒(不均匀程度远小于光波长)对光的散射现象通常称为瑞利散射。
由瑞利散射造成的损耗与λ
辐射损耗
当光纤有一定曲率半径的弯曲时,就会产生辐射损耗。
光纤可能受到两种类型的弯曲:
弯曲半径比光纤直径大很多的弯曲,例如当光缆拐弯时就会发生这样的弯曲;微弯曲,当把光纤组合成光缆时可能使光纤的轴线产生随机性的微弯曲。
当曲率半径很大时(轻度弯曲),辐射损耗较小一般可不予考虑,当曲率半径变小时损耗呈指数增长。
光纤的损耗是各种因素影响的总结果,它可以简单地归结为固有损耗和非固有损耗两类。
固有损耗包括由光纤材料的性质和微观结构引起的吸收损耗和散射损耗。
它们是光纤中都存在的损耗因素,从原理上讲是不可克服的,因而它们决定了光纤损耗的极限值。
非固有损耗是指杂质吸收、结构不完善引起的散射和弯曲辐射损耗等。
非固有损耗可以通过光纤制造技术的完善,得以消除或减小,它们对总损耗的影响已不是主要问题。
光纤的损耗主要有由于材料吸收引起的吸收损耗,纤芯折射率不均匀引起的散射(瑞利散射)损耗,纤芯和包层之间界面不规则引起的散射损耗(称为界面损耗),光纤弯曲造成的损耗,纤维间对接(永久性的拼接和用连接器连接)的损耗,以及输入与输出端的耦合损耗。
在~μm波段内损耗约2dB/km,属于低损耗区,这是目前光通信仅用的短波长“窗口”。
在μm,/km;在μm、/km是最低损耗,这是近期光通信希望获得的长波长“窗口”。
石英光纤在近红外波段μm、μm、μm有较好透过率。
因此传输系统光源的发射光波长必须与其吻合,目前长距离光通讯系统多采用μm或μm单模光纤。
(目前,单模光纤传输损耗在μm和μm分别为/km和/km)。
(3)光纤的色散直接影响可传输信号的带宽,色散主要由三部分组成:
折射率色散;模色散;结构色散。
折射率色散是由于光纤材料的折射率随不同光波长变化而引起,采用单波长、窄谱线的半导体激光器可以使折射率色散减至最小。
采用单模光纤可以使模色散减至最小。
结构色散由光纤材料的传播常数及光频产生非线性关系所造成。
目前单模光纤的传输带宽可达数GHz。
(4)光纤的几何参数:
根据国际电报电话咨询委员会(CCITT)建议,光纤几何参数包括以下内容:
芯径、包层表面直径、芯径不圆度、包层表面不圆度、包层表面相对于纤芯中心的不同心度。
它们分别由下面公式来定义:
纤芯不圆度=2(dmax-dmin)/(dmax+dmin)(3)包层表面不圆度=2(Dmax-Dmin)/(Dmax+Dmin)(4)式中dmax、dmin是芯径最大值和最小值,Dmax、Dmin是包层表面直径的最大值和最小值。
包层表面相对纤芯中心的不同心度=y/d(5)式中y是纤芯中心和包层表面中心的距离,d是芯径。
-4成正比,它随着光波长的增加而急剧减小。
在小于1μm的波长范围内,瑞利散射是光纤中主要的损耗因素。
一、仪器的设计评价
1、简介仪器的设计目标
1)光信号发送端的工作原理
系统采用的发光二极管的驱动和调制电路如图3所示,信号调制采用光强度调制的方法,
篇二:
音频信号光纤传输实验研究性报告
音频信号光纤传输实验研究性报告
摘要:
光导纤维技术是近40年发展起来的一项新兴技术,是现代信息技术的重要组成部分,其最主要的应用是光纤通信。
光纤通信是目前通信技术中最有发展前途的通信方式之一,它以光载波载送信息,光纤作为传输介质传动关在信息,具有通信容量大,传输质量高,频带宽,保密性好,抗电磁干扰性强等优点。
声音是一种低频信号,低频信号的传播受周围环境影响较大,传播范围有限,使用光纤传输音频信号可方便地解决失真,速度限制等问题,故得到越来越广泛的应用。
本实验目的在于了解光纤通信的基本工作原理,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并掌握其主要特性的测试方法,学会音频信号光纤传输调试技能。
关键词:
光纤通信;半导体发光二极管(LED);调制放大电路;硅光电二极管(SPD)中图分类号:
文献标识码:
A
Experimentalstudyoftheaudiosignalopticalfibertransmission
experiment
SunXiaoqing
(BeiJingUniversityofPostsandTelecommunicationsBeiJing100876,China)
Abstract:
Opticalfiberengineeringisanewtechnologydevelopedinrecent40years.Asanimportantpartofmoderninformationtechnology,itisthemostimportantapplicationoffibercommunication.Opticalfiber
communicationisoneofthemostpromisingwayofcommunicationincommunicationtechnology,ittakeslightcarriertocarryinformation,opticalfiberastransmissionmediumtransmissionininformation,hasalargecapacityofcommunication,highqualityoftransmission,widefrequencyband,goodsecrecyandstrongresistancetoelectromagneticinterference.Soundisakindoflowfrequencysignal,whichwillbegreatlyinfluencedbythesurroundingsothatitstransmissionrangeislimited.Theuseofopticalfibertransmissionofaudiosignalscaneasilysolveproblemsofdistortion,speedlimitedandsoon,thushasbeenacceptedmoreandmorewidely.Thepurposeofthisexperimentistounderstandthebasicworkingprincipleofopticalfibercommunication,understandthestructureoftheaudiosignalopticalfibertransmissionsystem,befamiliarwiththebasicpropertiesofthesemiconductorlighting-photoelectricdeviceandmasterthemaintestingmethodsandcharacteristicofinstituteofaudiosignalopticalfibertransmissiondebuggingskills.
Keywordsopticalfibercommunications;semiconductorlight-emittingdiode;modulationamplifiercircuit;siliconphotodiode
:
引言:
声音为一种低频信号,以前进行音频信号传输时,通信技术中多使用一个高频信号作为载波,利用被传播音频信号对载波信号进行调频,当信号到达传输地时需进行解调,滤除高频载波。
随着通信容量的增加和信息传递速度的加快,此
传播过程暴露出缺点:
1.传播速度受到一定限制2.信号间存在干扰3.对接收端和发射端的匹配要求较高,故目前致力于以光作为信号的载体,即光纤通信。
一.实验原理
1.音频信号光纤传输系统的原理
音频信号光纤传输系统由“光信号发送器”、“光信号接收器”和“传输光纤”三部分组成。
为保证系统的传输损耗低,光信号发送器的光源发光二极管的发光中心波长必须在传输光纤呈现低损耗的μm,或μm附近,光信号接收器中硅光电二极管(SPD)的峰值响应波长也应与此接近。
本实验采用中心波长为μm的LED作为光源,峰值响应波长为
μm的SPD作光电检测元件。
传播过程中,为避免或减小波形失真,要求整个传输系统的频带宽度可以覆盖被传输信号的频率范围,由于光导纤维对光信号有很宽的频带,可完全覆盖音频信号,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率放大电路的幅频特性。
2.光信号发送器
光信号发送器由信号放大电路和LED驱动电路组成,本图中放大电路的增益为
G=1+Z2/Z1
在C3足够小,C2足够大的情况下可以近似视为
G(jw)=1+R1/R2
本实验中放大倍数理论值约为30。
驱动电路主要由NPN三极管构成,为LED提供正常工作所需的正向偏压。
根据LED特性可知,把偏置电流选为LED最大允许工作电流的一半,可使其获得无截止畸变幅度最大的调制,有利于信号远距离传送。
3.光信号接收器
光信号接收器由光电转换器和集成音频功放电路组成。
SPD和运算放大器组成光电转换器,SPD的任务是把传输光纤出射端输出的光信号光功率转变为与之成正比的光电流IO,然后经运算放大器组成的I/V转换电路转换成电压VO输出,响应度R
R=△I/△P
表征SPD光电转换效率。
二.实验仪器
音频信号光纤传输技术实验仪,光功率计,光纤,信号发生器,双踪示波器,万用表,导线若干。
三.实验内容
1.光信号发送器特性研究
(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
2.光信号接收器特性的研究
(1)硅光电二极管特性及响应度的测定
(2)光信号的放大及检测
3.拓展研究实验
(1)RPNF对接收器输出电压的影响
(2)光纤中光的传播时间和速度
(2)使用万用表硅光电二极管特性响应
度的测定LED偏置电流与接收器输出电压UO之间关系(表格中P为内容1中测试结果)
四.实验数据处理及结论分析
1.LED-传输光纤组件电光特性的测定使用光功率计测定LED驱动电路三极管的偏置电流与LED输出光功率之间关系
ID/mA
由此得出LED的I偏与光功率P基本呈正比例关系,在电流偏小时有些偏差。
2.硅光电二极管特性及响应度的测量
(1)使用万用表测得RF值为
RF=Ω
(1)由数据绘制UO—I偏曲线
V
m/OU
ID/mA
由数据及图像可得在LED偏置电流处于4mA-20mA范围时,光信号发送器电路输出电压与偏置电流成正比
P/uW
时,最大调制幅度随偏置电流增大而减小。
其特性曲线如下图。
由数据绘制最大调制幅度U与偏置电流ID
(2)由数据绘制P-IO图像
图像
900800700
600500400300200100
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
计算SPD的响应度R=△I/△P=μA/μW
I0/uA
ID/mA
解释原因:
当偏置电流太小时,会出现输出信号下部畸变的截止失真,故随偏置电流由小到大变化,最大调制幅度峰峰值增大。
而当偏置电流过大时,会出现输出信号上部畸变的饱和失真,故在本实验中当ID大于12mA后,最大调制幅度峰峰值随偏置电流增大而减小。
偏置电流与最大调制幅度关系的测定
4.光信号发送器调制放大电路幅频特性的测定及光信号的检测
I偏=15mAVi=30mV
由此实验可以看出,LED输入信号改变时,输出信号UO无畸变的最大幅值与LED偏置电流有关,信号源频率为1KHZ,偏置电流为12mA左右时,最大调制幅度峰峰值最大,最大约为865mV。
偏置电流小于12mA时,最大调制幅度峰峰值随偏置电流的增大而增大,偏置电流大于12mA
根据数据绘制UO—f(发送器)曲线图像(下图1),及UO—f(接收器)曲线图像(下图2)
403530V
25m/收20OU1510500
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
f/KHZ
图1
900
800
V
700
m/发
OU600
500
400
由以上两图可知,光信号发送器对音频信号的放大倍数约为30倍,而且频率在截图2至频率和饱和频率之间范围内输出信号峰峰值频率特性较好,输入信号峰峰值为30mV时,发送器输出信号在880mV左右浮动。
随信号发生器输出频率增加,超出其通频带,输出信号峰峰值下降幅度很大,运放电路放大功能减弱。
在f=7KHZ时出现大幅下降,在f=16KHZ时幅度下降到最大幅度的1/2。
光信号接收器输出信号的峰峰值在38mV附近波动,趋势同信号发送器,在信号发生器输出信号为f=7KHZ时,幅度下降为最大幅度的1/√2。
五.拓展研究内容
(1)光信号的放大
保持Ui在30mV,偏置电流ID=15mA,分别观察接收端功放电路的电位器RPnf为最小值和最大值时,输出电压随信号频率的变化。
上面的实验结果于RPnf为最小值是得出,RPnf处于最大值时得到以下表中结果。
与内容4中记过比较,RPnf增大使接收器中功率放大电路的电压增益增大,而对于通频带宽没有明显影响。
篇三:
北邮音频光纤传输实验报告
音频信号光纤传输实验
(北京邮电大学,北京市,邮编100876)
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。
关
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