音頻信號(hào)傳輸技術(shù)實(shí)驗(yàn)

音頻信號(hào)傳輸技術(shù)實(shí)驗(yàn)第1頁(yè)，課件共17頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．熟悉半導(dǎo)體電光/光電器件的基本性能及主要特性的測(cè)試方法2．了解音頻信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及選配各主要部件的原則3．學(xué)習(xí)分析集成運(yùn)放電路的基本方法4．訓(xùn)練音頻信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)的調(diào)試技術(shù)第2頁(yè)，課件共17頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)驗(yàn)儀器YOF—B型音頻信號(hào)光纖傳輸技術(shù)實(shí)驗(yàn)儀（由四川大學(xué)物理系研制）；音頻信號(hào)發(fā)生器；示波器；數(shù)字萬(wàn)用表第3頁(yè)，課件共17頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)驗(yàn)原理一．系統(tǒng)的組成

第4頁(yè)，課件共17頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖（1）給出了一個(gè)音頻信號(hào)直接光強(qiáng)調(diào)制光纖傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖，它主要包括由LED及其調(diào)制、驅(qū)動(dòng)電路組成的光信號(hào)發(fā)送器、傳輸光纖和由光電轉(zhuǎn)換、I—V變換及功放電路組成的光信號(hào)接收器三個(gè)部分。光源器件LED的發(fā)光中心波長(zhǎng)必須在傳輸光纖呈現(xiàn)低損耗的0.85μｍ、1.3μｍ或1.5μｍ附近，本實(shí)驗(yàn)采用中心波長(zhǎng)0.85μｍ附近的GaAs半導(dǎo)體發(fā)光二極管作光源、峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為0.8～0.9μｍ的硅光二極管（SPD）作光電檢測(cè)元件。為了避免或減少諧波失真，要求整個(gè)傳輸系統(tǒng)的頻帶寬度能夠覆蓋被傳信號(hào)的頻譜范圍，對(duì)于語(yǔ)音信號(hào)，其頻譜在300～3400Hz的范圍內(nèi)。由于光導(dǎo)纖維對(duì)光信號(hào)具有很寬的頻帶，故在音頻范圍內(nèi)，整個(gè)系統(tǒng)的頻帶寬度主要決定于發(fā)送端調(diào)制放大電路和接收端功放電路的幅頻特性。此電路的工作原理如下：音頻信號(hào)經(jīng)IC1放大電路傳到LED調(diào)制電路。W2調(diào)節(jié)發(fā)光管LED工作（偏置）電流，音頻電流調(diào)制此工作電流，并經(jīng)LED轉(zhuǎn)換成音頻調(diào)制的光信號(hào)，經(jīng)第5頁(yè)，課件共17頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光纖傳至光電二極管SPD再?gòu)?fù)原成原始音頻電流信號(hào)，經(jīng)由IC2構(gòu)成的I—V變換電路轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，最后通過(guò)功率放大電路輸出聲音功率信號(hào)，推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出聲音。這樣就完成了音頻信號(hào)通過(guò)光纖的傳輸過(guò)程。二、光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)及傳光原理第6頁(yè)，課件共17頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖2所示為階躍型多模光纖的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)光原理。它由纖芯和包層兩部分組成，芯子的半徑為a，折射率為n1，包層的外徑為b，折射率為n2，且n1>n2。假設(shè)光纖端面與其軸線垂直，當(dāng)一光線射到光纖入射端面時(shí)，入射面包含了光纖的軸線，則這條射線在光纖內(nèi)就會(huì)按子午射線的方式傳播。根據(jù)smell定律及圖（2）所示的幾何關(guān)系有：

n0sinθi=n1sinθz(1)θz=π/2-αn0sinθi=n1cosα(2)其中n0是光纖入射端面左側(cè)介質(zhì)的折射率。通常，光纖端面處在空氣介質(zhì)中，故n0=1。由（2）式可知：如果所論光纖在光纖端面處的入射角θi較小,則它折射到光纖內(nèi)部后投射到芯子一包層界面處的入射角α有可能大于由芯子和包層材料的折射率n1和n2按下式?jīng)Q定的臨結(jié)角αc：αc=arcsin(n2/n1)(3)在此情形下光射線在芯子—包層界面處發(fā)生全內(nèi)反射。該射線所攜帶的光能就被局限在纖芯內(nèi)部而不外溢，滿(mǎn)足這一條件的射線稱(chēng)為傳導(dǎo)射線。第7頁(yè)，課件共17頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、半導(dǎo)體發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)、調(diào)制電路本實(shí)驗(yàn)采用半導(dǎo)體發(fā)光二極管LED作光源器件.音頻信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)發(fā)送端LED的驅(qū)動(dòng)和調(diào)制電路如圖（3）示，以BG1為主構(gòu)成的電路是LED的驅(qū)動(dòng)電路，調(diào)節(jié)這一電路中的W2可使LED的偏置電流在0—20mA的范圍內(nèi)變化。被傳音頻信號(hào)由IC1為主構(gòu)成的音頻放大電路放大后經(jīng)電容器C4耦合到BG1基極，對(duì)LED的工作電流進(jìn)行調(diào)制，從而使LED發(fā)送出光強(qiáng)隨音頻信號(hào)變化的光信號(hào)，并經(jīng)光導(dǎo)纖維把這一信號(hào)傳至接收端。半導(dǎo)體發(fā)光二極管輸出的光功率與其驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系稱(chēng)LED的電光特性，如圖4所示。為了使傳輸系統(tǒng)的發(fā)送端能夠產(chǎn)生一個(gè)無(wú)非線性失真、而峰—峰值又最大的光信號(hào)，使用LED時(shí)應(yīng)先給它一個(gè)適當(dāng)?shù)钠秒娏?，其值等于這一特性曲線線性部分中點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流值，而調(diào)制電流的峰—峰值應(yīng)盡可能大地處于這一電光特性的線性范圍內(nèi)。第8頁(yè)，課件共17頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖3LED的驅(qū)動(dòng)和調(diào)制電路圖4LED的正向伏安特性第9頁(yè)，課件共17頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四．半導(dǎo)體光電二極管的工作原理及特性半導(dǎo)體光電二極管SPD與普通的半導(dǎo)體二極管一樣，都具體一個(gè)p-n結(jié),光電二極管在外形結(jié)構(gòu)方面有它自身的特點(diǎn)，這主要表現(xiàn)在光電二極管的管殼上有一個(gè)能讓光射入其光敏區(qū)的窗口、此外，與普通二極管不同，它經(jīng)常工作在反向偏置電壓狀態(tài)（如圖5a所示）或無(wú)偏壓狀態(tài)（如圖5b所示）。圖5光電二極管的結(jié)構(gòu)及工作方式第10頁(yè)，課件共17頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體光電二極管SPD的反向伏安特性如圖6所示。圖6光電二極管的伏安特性曲線第11頁(yè)，課件共17頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一.LED—傳輸光纖組件電光特性的測(cè)定測(cè)量前首先將兩端帶電流插頭的電纜線一頭插入光纖繞線盤(pán)上的電流插孔，另一端插入發(fā)送器前面板上的“LED”插孔，并將光電探頭插入光纖繞線盤(pán)上引出傳輸光纖輸出端的同軸插孔中，SPD的兩條出線接至儀器前面板光功率指示器的相應(yīng)插孔內(nèi)，在以后實(shí)驗(yàn)過(guò)程中注意保持光電探頭的這一位置不變。測(cè)量時(shí)調(diào)節(jié)W2使毫安表指示從零開(kāi)始（此時(shí)光功率計(jì)的讀數(shù)應(yīng)為零，若不為零記下讀數(shù)，并在以后的各次測(cè)量中以此為零點(diǎn)扣除）,逐漸增加LED的驅(qū)動(dòng)電流，每增加2mA讀取一次光功率計(jì)示值，直到20mA為止。根據(jù)測(cè)量結(jié)果描繪LED—傳輸光纖組件的電光特性曲線，并確定出其線性度較好的線段。第12頁(yè)，課件共17頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二．光電二極管反向伏安特性曲線的測(cè)定測(cè)定光電二極管反向伏安特性的電路如圖(7)所示。由IC1為主構(gòu)成的電路是一個(gè)電流—電壓變換電路，它的作用是把流過(guò)光電二極管的光電流I轉(zhuǎn)換成由IC1輸出端C點(diǎn)的輸出電壓Vo，它與光電流成正比。整個(gè)測(cè)試電路的工作原理依據(jù)如下：由于IC1的反相輸入端具有很大的輸入阻抗，光電二極管受光照時(shí)產(chǎn)生的光電流幾乎全部流過(guò)Rf并在其上產(chǎn)生電壓降Vcb=RfI

。另外，又因IC1具有很高的開(kāi)環(huán)電壓增益，反相輸入端具有與同相輸入端相同的地電位，故IC1的輸出電壓

Vo=IRf

（4）已知Rf后，就可根據(jù)上式由Vo計(jì)算出相應(yīng)的光電流I。

第13頁(yè)，課件共17頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖7光電二極管反向伏安特性的測(cè)定第14頁(yè)，課件共17頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

在圖（7）中，為了使被測(cè)光電二極管能工作在不同的反向偏壓狀態(tài)下，設(shè)置了由W1組成的分壓電路。具體測(cè)量時(shí)首先把SPD的插頭接至接收器前面板左側(cè)SPD相應(yīng)的插孔中，然后根據(jù)LED的電光特征曲線在LED工作電流從0～20mA的變化范圍內(nèi)查出輸出光功率均分的5個(gè)工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電流值，為以后論述方便起見(jiàn)，對(duì)應(yīng)這5個(gè)電流值分別標(biāo)以i1，i2，i3，i4和i5.測(cè)量LED工作電流為i1～i5時(shí)所對(duì)應(yīng)的5種光照情況下光電二極管的反向伏安特性曲線。對(duì)于每條曲線,測(cè)量時(shí)，調(diào)節(jié)W1使被測(cè)二極管的反偏電壓逐漸增加，從0V開(kāi)始，每增加1V用接收器前面板的數(shù)字毫伏表測(cè)量一次IC1輸出電壓Vo值，根據(jù)這一電壓值由（4）式即可算出相應(yīng)的光電流I。第15頁(yè)，課件共17頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三.音頻放大器頻帶特性音頻放大器的頻帶寬度決定了所傳音頻信號(hào)保證不失真、且有良好放大作用的頻率范圍。具體測(cè)試時(shí)，應(yīng)將音頻放大器的輸入斷與雙蹤示波器的一個(gè)通道和低頻信號(hào)發(fā)生器相連，輸出端和示波器的另一通道相連。將音頻輸入信號(hào)保持在20HZ—20KHZ之間，幅度保持10mv不變，改變頻率f從10—20KHZ，測(cè)出對(duì)應(yīng)的放大器輸出信號(hào)峰峰值Uout值。作出Uout—lgf曲線，求出帶寬Δf。四．語(yǔ)言信號(hào)的傳輸實(shí)驗(yàn)整個(gè)音頻信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)的音響效果。實(shí)驗(yàn)時(shí)把示波器和數(shù)字毫伏表接至接收器I—V變換電路的輸出端，適當(dāng)調(diào)節(jié)發(fā)送器的LED偏置電流和調(diào)制輸入信號(hào)幅度，使傳輸系統(tǒng)達(dá)到無(wú)非線性失真、光信號(hào)幅度為最大的最佳聽(tīng)覺(jué)效果。第16頁(yè)，課件共17頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月[參考文獻(xiàn)][1]《纖維光學(xué)（原理及實(shí)驗(yàn)研究）》朱世國(guó)、付克祥，四川大學(xué)出版社，1992。[2]《近代物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)》（1）呂斯驊，朱印康，高等教育出版社，1991年8月1.利用SPD、I—V變換電路和數(shù)字毫伏表，設(shè)計(jì)—光功率計(jì)。