五邑大學(xué)音頻信號光纖傳輸技術(shù)實驗-絕對零度資料

1、近代物理實驗 實驗10 音頻信號光纖傳輸技術(shù)實驗實驗10 音頻信號光纖傳輸技術(shù)實驗在信息爆炸的時代里，信息技術(shù)（IT）日新月異，社會已經(jīng)進入了信息化的時代。人們上網(wǎng)瀏覽、發(fā)電子郵件、召開電子會議（電視電話會議）等都離不開信息傳遞。信息的積累和信息的傳輸正以幾何級數(shù)的速度增長。原有的電氣通信系統(tǒng)的通信容量已經(jīng)不能滿足實際的需要，取而代之的是光通信系統(tǒng)，光通信主要可分為大氣通信與光纖通信。大氣通信是光在大氣中傳播的通信方式，容易受到空氣的吸收、散射、折射干擾而使光信號衰減快、傳播方向發(fā)生變化，但大氣通信設(shè)備簡單，可用于人造衛(wèi)星或宇宙飛船之間信息傳輸；光纖通信利用光在光導(dǎo)纖維中傳播來傳輸信息，197

2、0年美國康寧公司制造出世界上第一根可供通信用的低損耗石英玻璃光纖，使光纖通信進入了實用階段。光纖通信具有寬頻帶、高速、抗干擾等一系列優(yōu)點，正在不斷發(fā)展。通過本實驗可了解光纖傳輸?shù)幕驹??！緦嶒災(zāi)康摹?. 學(xué)習(xí)音頻信號光纖傳輸系統(tǒng)的基本原理及各部件選配原則。2. 訓(xùn)練如何在音頻光纖傳輸系統(tǒng)中獲得較好信號傳輸質(zhì)量。3. 熟悉光纖傳輸系統(tǒng)中電光/光電轉(zhuǎn)換器件的基本性能。【儀器用具】 TKGT-1型音頻信號光纖傳輸實驗儀；GFG-8016G型信號發(fā)生器（參見示波器實驗中信號源使用）；SS7802型雙蹤示波器（參見示波器實驗）?！緦嶒炘怼?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

3、在折射率較大的纖芯外部，覆上一層折射率較小的包層，光在纖芯與包層的界面上發(fā)生全反射而被限制在纖芯傳播，如圖21-1所示。光纖實際上是一種介質(zhì)波導(dǎo)，光被閉鎖在光纖內(nèi)，只能沿光纖傳輸，光纖芯徑一般從幾微米到幾百微米。按照傳輸光模式可分為多模光纖和單模光纖，按照光纖折射率分布方式不同可以分為折射率階躍型和折射率漸變型光纖。折射率階躍型光纖包含兩種圓對稱的同軸介質(zhì)，兩者都質(zhì)地均勻，但折射率不同，外層折射率低于內(nèi)層折射率。折射率漸變型光纖是一種折射率沿光纖橫截面漸變的光纖，這樣改變折射率的目的是使各種模傳播的群速相近，從而減少模色散增加通訊帶寬。多模折射率階躍型光纖由于速度不同而產(chǎn)生模間色散，傳輸?shù)膸?/p>

4、受到限制。多模折射率漸變型由于其折射率特殊分布使各模傳輸?shù)娜核俣纫粯佣黾有盘杺鬏數(shù)膸?。單模光纖是只傳輸單種光模式的光纖，單模光纖可傳輸信號帶寬最高，目前長距離光通訊大都采用單模光纖。石英光纖的主要技術(shù)指標(biāo)有數(shù)值孔經(jīng)、衰減特性和色散等。圖21-1 傳輸光纖工作原理數(shù)值孔徑。數(shù)值孔徑描述光纖和光源、探測器和其他光學(xué)器件耦合時特性。它的大小反映光纖收集光的能力，見圖21-5所示。在立體角范圍內(nèi)入射到光纖端面的光線在光纖內(nèi)部界面產(chǎn)生全反射而得以傳輸，在立體角范圍外入射到光纖端面的光線在光纖內(nèi)部界面不產(chǎn)生全反射而是透射到包層而馬上被衰減掉。計算公式見（1）式。 （21-1）光纖的數(shù)值孔徑定義為：，它

5、的值一般在0.10.6之間，對應(yīng)的在9°33°。多模光纖具有較大的數(shù)值孔徑，單模光纖的孔徑數(shù)值較小，所以一般單模光纖需用LD半導(dǎo)體激光器作為光源。光纖的損耗（衰減特性）。光纖的損耗主要有由于材料吸收引起的吸收損耗，纖芯折射率不均勻引起的散射（瑞利散射）損耗，纖芯和包層之間界面不規(guī)則引起的散射損耗（稱為界面損耗），光纖彎曲造成的損耗，纖維間對接（永久性的拼接和用連接器相連）的損耗，以及輸入與輸出端的耦合損耗。石英光纖在近紅外波段0.84m，1.31m，1.55m有較好的透過率。因此傳輸系統(tǒng)光源的發(fā)射光波長必須與其相合，目前長距離傳輸通訊系統(tǒng)多采用1.31m或1.55m單模光纖

6、。單模光纖傳輸損耗在1.31m和1.55m分別為0.35db/km和0.2db/km。光纖的色散。光纖的色散直接影響可傳輸信號的帶寬。色散主要由三部分組成：折射率色散；模色散；結(jié)構(gòu)色散。折射率色散是由于光纖材料的折射率隨不同波長變化而引起，采用單波長，窄譜線的半導(dǎo)體激光器可以使折射率色散減至最小。采用單模光纖可以使模色散減至最小。結(jié)構(gòu)色散由光纖材料的傳播常數(shù)及光頻產(chǎn)生非線性關(guān)系所造成 。目前單模光纖的傳輸帶寬可達數(shù)GHz。2半導(dǎo)體發(fā)光二極管LED原理 光纖通訊系統(tǒng)對光源器件在發(fā)光波長、電光效率、工作壽命、光譜寬度和調(diào)制性能等方面均有特殊要求。目前能較好滿足要求的光源器件主要有半導(dǎo)體發(fā)光二極管（

7、LED）、半導(dǎo)體激光器（LD）。發(fā)光二極管的輸出功率較小，信號調(diào)制速率相對低，但價格便宜，其輸出光功率與驅(qū)動電流在一定范圍內(nèi)基本上呈線性關(guān)系，比較適宜短距離，低速，模擬信號的傳輸；半導(dǎo)體激光器輸出功率大，信號調(diào)制速率高，但價格較高，適宜于遠距離，高速，數(shù)字信號的傳輸。 發(fā)光二極管是一種半導(dǎo)體二極管。當(dāng)給pn結(jié)加正偏壓時，使n層向p層注入導(dǎo)電電子，導(dǎo)電電子進入p層后與空穴復(fù)合發(fā)射光波。發(fā)光中心波長計算公式為： (21-2)其中為光波波長，為普朗克常數(shù)，為光速，為半導(dǎo)體材料能級間隙。制作LED時，通過選取材料和組成成分控制（即控制），可以使LED發(fā)光波長與傳輸光纖低損耗波長一致。圖21-2 LED

8、電光特性與信號調(diào)制 LED電光特性與信號調(diào)制見圖21-2。圖中為偏置電流，為光功率，為時間。從圖中可以看到，電光特性曲線具有中間區(qū)域線性而兩端區(qū)域非線性特點。特性曲線的非線性將帶來信號變換的非線性失真。因此，使用時應(yīng)給LED加一個適當(dāng)?shù)钠秒娏鳎姽馓匦郧€線性部分中點對應(yīng)的電流值），而調(diào)制信號的峰峰值位于電光特性的直線范圍內(nèi)。當(dāng)偏置電流較小時，調(diào)制信號將出現(xiàn)截止失真；當(dāng)偏置電流較大時，調(diào)制信號將出現(xiàn)飽和失真。3半導(dǎo)體光電二極管原理半導(dǎo)體光電二極管具有一個PN結(jié)，在管殼上有一個能讓光照射入光敏區(qū)的窗口。它工作在反向偏置電壓狀態(tài)或無偏壓狀態(tài)。當(dāng)有光子能量大于PN結(jié)半導(dǎo)體材料的帶隙寬度的光波照射到

9、光電二極管的管芯時，PN結(jié)各區(qū)域中的價電子吸收光能后將掙脫價鍵的束縛而成為自由電子，同時產(chǎn)生一個空穴。在空間電荷區(qū)電場的作用下，這些光生自由電子和空穴將分別向N區(qū)和P區(qū)運動，到達電極并沿外電路閉合形成光電流。 光電二極管的伏安特性為： （21-3）其中為無光照的反向飽和電流，為二極管的端電壓（正向電壓為正，反向電壓為負），為電子電荷，為波耳茲曼常數(shù)，為結(jié)溫，為無偏壓狀態(tài)下光照射時的短路電流（與光照時的光功率成正比）。在本實驗中，光電二極管反偏壓使用。使用中，應(yīng)選擇二極管峰值響應(yīng)波長與傳輸光纖低損耗波長一致的光電二極管。4 光纖傳輸系統(tǒng)原理光纖傳輸系統(tǒng)原理如圖21-3所示一般由三部分組成：光信號

10、發(fā)送端、用于傳送光信號的光纖、 光信號接收端。光信號發(fā)送端（見圖21-3中發(fā)送端虛線框）的功能是將待傳輸?shù)碾娦盘柦?jīng)電光轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換為光信號。光纖的功能是將發(fā)送端光信號以盡可能小的衰減和失真?zhèn)魉偷焦庑盘柦邮芏恕９庑盘柦邮斩耍ㄒ妶D21-3中接收端虛線框）的功能是將光信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器件再還原為相應(yīng)的電信號。光纖信息傳輸是用光作為載波來傳輸信息。就像無線電通信是用無線電波作為載波來傳輸信息。光纖信息傳輸安調(diào)制方式可分為光強調(diào)制（直接檢波）通信和光頻率調(diào)制（相干光）通信。本實驗主要探討光強調(diào)制（直接檢波）通信。圖 21-3 光纖傳輸系統(tǒng)原理首先傳輸系統(tǒng)應(yīng)提供一定功率的穩(wěn)定的載波光，由直流信號控制載波光功

11、率的大小。要傳遞的交流信號與直流信號相加后加在電光轉(zhuǎn)換器件上，使發(fā)出光功率變化與信號強弱變化一致（稱為光強調(diào)制）。這種被信號調(diào)制的光，通過光纖傳輸后，到達光電轉(zhuǎn)換器。光電轉(zhuǎn)換器再將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，通過解調(diào)后提取出交流信號，送示波器顯示或揚聲器發(fā)聲。由此完成信息傳輸?shù)?個步驟：調(diào)制、傳輸、解調(diào)。5. 系統(tǒng)電光/光電轉(zhuǎn)換圖21-4 系統(tǒng)電光/光電轉(zhuǎn)換原理圖見圖21-4。橫軸表示電光變換輸入電流，縱軸表示光電變換輸出電壓，曲線1表示特性曲線，中間線性兩端非線性。輸入信號波形1表示電光變換輸入的電流信號，輸出信號波形2表示光電變換輸出電壓信號。使用時調(diào)制信號的峰峰值位于特性曲線1的線性范圍內(nèi)，可以

12、減少非線性失真。特性曲線1的線性部分中點Q對應(yīng)的電流值為最佳偏置電流；當(dāng)偏置電流較小時，調(diào)制信號將出現(xiàn)截止失真；當(dāng)偏置電流較大時，調(diào)制信號將出現(xiàn)飽和失真。5 傳輸幅頻特性在音頻信號傳輸過程中，除要求損耗小外，還要求信號不失真。信號失真的主要原因：1)發(fā)光二極管電光特性曲線的非線性帶來失真，2)發(fā)光二極管偏置電流（控制載波光強）選取不當(dāng)造成的對大幅度信號的截止失真和飽和失真，3)不同頻率的信號經(jīng)過傳輸后的衰減不同所致（見圖21-5傳輸信號的幅頻特性）。例如，若頻率高的信號衰減快，則經(jīng)過傳輸，女高音的聲音有可能變成男低音的聲音（傳輸過程中高頻損失大，造成聲音低沉）。圖21-5 傳輸信號幅頻特性由于

13、光信號發(fā)送電路和光信號接收電路以及光纖傳輸特性影響（不同頻率的信號經(jīng)過光纖傳輸后的衰減不同），傳輸信號的幅頻特性與光信號發(fā)送端、光信號接收端、傳輸光纖等有關(guān)。本實驗系統(tǒng)帶寬主要是發(fā)送端和接收端電路帶寬，光纖對帶寬影響較小。圖21-5表示傳輸系統(tǒng)對于相同的輸入電壓得到輸出電壓幅度與頻率的關(guān)系，稱為幅頻特性圖，圖中橫軸取對數(shù)坐標(biāo)。由圖21-5可見，頻率過低或過高，其傳輸?shù)男识紩档秃筒ㄐ问д?，只有中間一段頻率范圍的衰減較小。這段頻率的信號傳輸后將失真較小。圖中（低頻段截止頻率）與（高頻段截止頻率）是信號幅度降為圖形的中間段電壓信號幅度最大值的0.707倍時所對應(yīng)的低頻段和高頻段的頻率。與之差為頻

14、帶寬度B(傳輸信號大致不失真的頻率范圍)。圖 21-6 TKGT-1光纖音頻信號傳輸實驗儀面板圖1-發(fā)射光強度顯示；2-輸入選擇；3-音頻輸入端口；4-示波器端口；5-內(nèi)音頻觸發(fā)；6-發(fā)射光強度調(diào)節(jié)；7-音頻幅度調(diào)節(jié)；8-電源保險；9-電源開關(guān)；10-傳輸光纖；11-音量調(diào)節(jié)；12-音頻輸出端口；13-揚聲器；14-接收光強度顯示；15-光接收；16-光發(fā)射【儀器介紹】1. TKGT型光纖音頻信號傳輸實驗儀TKGT-1光纖音頻信號傳輸實驗儀由以下幾部分組成：1、 光信號的調(diào)制和發(fā)送2、 傳輸光纖3、 光纖耦合器4、 光信號的檢測與解調(diào)一、光信號的調(diào)制和發(fā)送音頻輸入端口3：連接外加的音頻信號(由

15、GFG-8016G型信號發(fā)生器提供)。GFG-8016G型信號發(fā)生器提供外加的正弦波、方波、三角波，輸出交流信號頻率可調(diào)節(jié)，交流信號頻率可顯示。示波器端口4：該端口與音頻輸入端口3是并聯(lián)關(guān)系，將該端口連接示波器的波形測量通道1可以對音頻輸入端口3輸入的交流電壓峰峰值進行測量。 輸入選擇開關(guān)2：打向“外”選擇外接交流信號（由GFG-8016G型信號發(fā)生器提供），打向“內(nèi)”選擇實驗儀提供的內(nèi)置語音片產(chǎn)生的語音信號。內(nèi)音頻觸發(fā)按鈕5：按下此按鈕5，啟動實驗儀內(nèi)置語音片信號產(chǎn)生器。音頻幅度調(diào)節(jié)旋鈕7：是實驗儀內(nèi)部設(shè)置的交流信號幅度衰減調(diào)節(jié)旋鈕參見圖21-3。注意該旋鈕轉(zhuǎn)到最左端時實驗儀所傳輸?shù)慕涣餍盘?/p>

16、幅度將衰減最大，即在發(fā)光二極管上迭加的交流音頻信號電流將很小，觀測音頻信號的實驗效果會較差（即使此時由GFG-8016G型信號發(fā)生器提供外接音頻信號信號幅度很大）。一般情況可將音頻幅度調(diào)節(jié)旋鈕7調(diào)到最右端，即將實驗儀所傳輸?shù)囊纛l信號幅度衰減最小。發(fā)送光強度調(diào)節(jié)旋鈕6：用于調(diào)節(jié)發(fā)光二極管靜態(tài)偏置電流，調(diào)節(jié)范圍約為020mA，對應(yīng)光發(fā)送強度顯示為02000單位發(fā)送光強度顯示1：顯示靜態(tài)發(fā)送光強度，發(fā)送光強度顯示為02000單位對應(yīng)發(fā)光二極管LED靜態(tài)偏置電流020mA（即1mA/100單位，對應(yīng)圖21-3中電光變換輸入電流平均值）。注意用光發(fā)送強度顯示不能測量輸入交流信號峰峰值，應(yīng)用示波器測量。二

17、、光纖耦合器光纖耦合器將發(fā)光二極管發(fā)射的光信號耦合到石英光纖和將經(jīng)光纖傳輸?shù)墓庑盘栺詈系焦怆姍z測器件光電二極管。三、光信號的檢測與解調(diào)音頻輸出端口12：用于連接示波器通道2，觀察測量實驗儀經(jīng)解調(diào)輸出的音頻信號波形和峰峰值。音量調(diào)節(jié)旋鈕11：用于調(diào)節(jié)揚聲器13的發(fā)音音量，該旋鈕調(diào)到最左端時揚聲器13的發(fā)音音量最小。光接收強度顯示14：顯示靜態(tài)光接收強度，面板顯示02000單位，對應(yīng)靜態(tài)電壓020mV（即1mV/100單位，對應(yīng)圖21-4中光電變換輸出的電壓的平均值）。注意用光接收強度顯示不能測量接收到交流信號峰峰值，應(yīng)用示波器測量?！緦嶒瀮?nèi)容與要求】1. 光纖傳輸系統(tǒng)靜態(tài)電光/光電傳輸特性測定打

18、開儀器電源開關(guān)9，在沒有音頻信號輸入的條件下（使實驗儀音頻輸入端口3處交流電壓峰峰值為0，實現(xiàn)方法為關(guān)閉GFG-8016G型信號發(fā)生器電源或調(diào)節(jié)GFG-8016G型信號發(fā)生器輸出幅度調(diào)節(jié)旋鈕使信號源輸出交流信號電壓峰峰值為0），調(diào)節(jié)發(fā)送光強度調(diào)節(jié)旋鈕6，同時觀測發(fā)送光強度顯示1中和光接收強度顯示14中顯示的數(shù)據(jù)。發(fā)送光強度顯示1顯示數(shù)據(jù)關(guān)系為每100單位對應(yīng)電光變換輸入電流1mA（即1mA/100單位），光接收強度顯示14顯示數(shù)據(jù)關(guān)系為每100單位對應(yīng)光電變換輸出電壓1mV（即1mV/100單位）。調(diào)節(jié)發(fā)送光強度6，參照表21-1的數(shù)據(jù)表格，記錄電光變換輸入電流I(mA)和對應(yīng)光電變換輸出電壓

19、數(shù)據(jù)V(mV)，并作出V-I曲線圖。從V-I曲線圖中確定線性部分，線性部分中點對應(yīng)的電流值為最佳偏置電流。表21-1 光纖傳輸系統(tǒng)靜態(tài)電光/光電傳輸特性（V-I曲線）I (mA)0.000.501.001.502.002.503.003.504.00V(mV)I (mA)6.008.0010.0012.0014.0016.0018.0019.0019.99V(mV)2 發(fā)光二極管LED偏置電流與可傳輸無失真最大交流信號幅度關(guān)系測定將GFG-8016G型信號發(fā)生器輸入的正弦波頻率設(shè)定在1KHZ，音頻幅度調(diào)節(jié)電位器7置于最大位置(轉(zhuǎn)到最右端)，然后在發(fā)光二極管LED靜態(tài)偏置電流分別為5mA（對應(yīng)發(fā)

20、送光強度顯示1顯示為500單位）、10mA（對應(yīng)發(fā)送光強度顯示1顯示為1000單位）兩種情況下，調(diào)節(jié)GFG-8016G型信號源交流信號輸出幅度，使其從零開始增加，同時在實驗儀音頻輸出端12處用示波器的通道2觀察正弦波型變化，直到波型出現(xiàn)截止現(xiàn)象時，記錄下此時實驗儀音頻輸出端12輸出電壓波型的峰-峰值，由此確定發(fā)光二極管LED在不同偏置電流下可傳輸無失真最大交流信號的峰-峰值，數(shù)據(jù)記錄表21-3。 表 21-3 發(fā)光二極管LED偏置電流與可傳輸無失真最大信號幅度關(guān)系偏置電流電壓峰-峰值（mV）5mA10mA3 光纖傳輸系統(tǒng)幅頻特性的測定（1）由GFG-8016G型信號發(fā)生器提供頻率、幅度可調(diào)的正

21、弦交流信號。將GFG-8016G型信號發(fā)生器輸出的正弦波連音頻輸入端口3，將實驗儀輸入選擇開關(guān)2打向“外”，連通GFG-8016G型信號發(fā)生器輸出信號。將雙蹤示波器的通道1接到實驗儀的示波器端口4，用示波器的通道1測量GFG-8016G型信號發(fā)生器輸出正弦交流信號峰-峰值。示波器的通道2接實驗儀音頻信號輸出端口12，用示波器的通道2測量實驗儀音頻信號輸出端口12交流信號峰-峰值，有關(guān)示波器的調(diào)節(jié)和使用參見示波器實驗。調(diào)節(jié)靜態(tài)發(fā)送光強度旋鈕6使發(fā)送光強度顯示1顯示為1000單位。將實驗儀音頻幅度調(diào)節(jié)7轉(zhuǎn)到最右端，使實驗儀所傳輸?shù)囊纛l信號幅度衰減最小。表 21-2 光纖傳輸系統(tǒng)幅頻特性（曲線用數(shù)據(jù)

22、表）輸入頻率f(Hz)20.030.040.050.060.080.0100200400輸出電壓V (mv)輸入頻率f(Hz)6008001.00k1.50k2.00k2.50k3.00k3.50k4.00k輸出電壓V (mv)輸入頻率f(Hz)4.50k5.00k5.50k6.00k7.00k8.00k9.00k10.0k11.0k輸出電壓V (mv)輸入頻率f(Hz)12.0k13.0k14.0k15.0k16.0k17.0k18.0k19.0k20.0k輸出電壓V (mv)（2）用示波器的通道1測量實驗儀音頻信號輸入端3輸入正弦信號峰-峰值，調(diào)節(jié)GFG-8016G型函數(shù)發(fā)生器使輸出正弦電

23、壓信號峰-峰值幅度為5伏（用示波器的通道1測量）并保持信號的幅度不變。調(diào)節(jié)信號發(fā)生器頻率調(diào)節(jié)輸出以下頻率（參考表21-2選擇頻率點），頻率數(shù)據(jù)記錄GFG-8016G型函數(shù)發(fā)生器顯示的頻率數(shù)據(jù)。記錄GFG-8016G型信號源信號頻率變化時實驗儀的音頻輸出端12輸出交流信號電壓峰-峰值，注意實驗儀的音頻輸出端12輸出交流信號電壓峰-峰值U應(yīng)用示波器的通道2測量(測量方法見示波器的使用實驗)，并將數(shù)據(jù)記入表21-2。注意在測量幅頻特性觀察低頻段峰峰值時，為了觀察方便和準(zhǔn)確，可以把示波器水平掃描速度調(diào)到最小再測量交流信號波峰和波谷的差值；測量幅頻特性觀察中、高頻段峰峰值時，把示波器水平掃描速度適當(dāng)放大，將交