音频信号光纤传输实验 实验意义 实验目的 实验原理 实验内容 数据处理与思考题

实验意义 光纤通信已经广泛的应用在我们的日常生活中，并给我们每一个人带来了方便。现在，全国的光纤通信网络四通八达，为我们传输每一通电话。因此，了解光纤通信系统的组成和运作原理很有必要，也是很有意义的一件事情。音频信号的光纤传输实验将带领我们认识这一目前最为瞩目的通信系统。

一、实验目的 1、了解音频信号光纤传输系统的方法、结构； 2、熟悉半导体电光/光电器件的基本性能及其主要特性的测试方法； 3、学习分析音频信号传输过程中的信号失真现象

二、实验原理 音频信号光纤传输系统由半导体发光二极管LED及其调制、驱动电路组成的光信号发送部分，传输光纤部分和由硅光电池、前置电路和功放电路组成的光信号接收三个部分组成。LED就是电光转换器件，光纤是传输通道。

二、实验原理 本系统中,我们采用的传输光纤是进口低损耗多模塑料光纤,它的纤维直径是1mm，芯径为50um，包层直径为125um。半导体发光二极管是采用发光亮度很高的可见红光发光二极管作为光源，光电转换采用高灵敏的硅光电池作为转换元件，整个传输过程一目了然。 为了避免或减少谐波失真,要求整个传输系统的频带宽度要能复盖被传信号的频谱范围，对于语音信号，其频谱在300-3400Hz的范围内。由于光导纤维对于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路的幅频特性。

二、实验原理 1、LED的驱动和调制电路 音频信号光纤传输系统发送端LED的驱动和调制电路如图所示，以BGI为主组成的电路是LED的驱动电路，调节这一电路中的W2可使LED的偏置电流在0-60mA的范围内变化，被传音频信号经由数字解调电路或ICI组成的音频放大电路放大后再经电容器C耦合到BGI的基极，对LED的工作电流进行调制，从而使LED发送出光强随音频信号变化的光信号，并经光导纤维把这一信号传至接收端。

二、实验原理 2、光信号接收器 右图是光信号接收器的电路图原理图,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的硅光电池，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I。然后经ICI组成的I-V转换成电路，再把光电流转换成电压V0输出。

三、实验内容 （一）光信号的调制与发送实验 1、LED—传输光纤组件电光特性的测定 半导体发光二极管是一种电光转换器件，它的电器特性与普通的半导体二极管一样，具有单向导电性。在电光转换驱动电路中处于正向工作状态即它的正极接驱动电路的高电位端，负极接低电位端.工作时，驱动电路必须限制在小于其最大允许电流(Imax)的范围内(对本系统采用的LED, Imax=60mA)。为此在驱动电路中必须设置适当的限流电阻，否则会使LED损坏。 本实验系统LED输出的光功率与传输光纤是直接耦合的，LED的正负极通过光纤绕线盘上的电流插口与发送器的调制驱动电路连接。测量LED-----光纤组件的电光特性时，首先用两端为两芯插头的连接线，一头插入传输光纤绕线盘上的电流插孔，另一头插入发送部分的”LED插孔”。然后把光探测器的窗口插入传输光纤的远端，另外两只插头接光功率计面版上的光探测器插孔，光功率计应在无光时调零。以上准备工作就绪后，开启发送器的电源开关便可进行测试。

三、实验内容 测试时调节发送器前面版上的”偏流调节”旋钮，使LED的驱动电流ID<60mA的任一适当值，并观察光功率计的示值。在保持LED驱动电流不变的的情况下，适当调整传输光纤远端与光功率计探测器的耦合状态，使光功率计指示最大后保持这一最佳耦合状态不变。然后调节”偏流调节”旋钮，使发送器前面板上的毫安表的示值(即LED的驱动电流ID)在0—60mA范围内变化，从零开始，每隔5mA读取一次光功率计的示值PO，直到ID=60mA为止。根据以上测量数据，以PO为纵坐标，ID为横坐标，便可在(PO,ID)坐标系中画出包括传输光纤与LED的连接损耗及传输光纤的传输损耗在内的LED---光纤组件的电光特性曲线。 测量前，光功率计应先在无光时调零。使LED的驱动电流ID〈60mA，待光功率计示值稳定后再读数，记录3组数据，取平均值后拟合出电光特性曲线。

三、实验内容 2、光信号发送器调制放大电路幅频特性的测定 为了减少传输过程中因系统带宽有限引起的失真，要求传输系统的幅频特性的带宽能覆盖被传信号的频谱范围。对于语音信号，频谱在300-3400HZ范围内，对于音乐信号，在20-20KHZ范围。在光纤传输系统中，作为信道的光导纤维，其带宽远大于音频范围带宽，所以在音频信号光纤传输系统中，系统的带宽主要取决于电子放大电路。 测量发送音频放大电路幅频特性时，先将1KHZ交流信号通过信号输入插孔并调节信号大小，使调制输入信号峰--峰值为某一适当值，然后在保持调制输入信号幅度不变的情况下，在10HZ-20KHZ范围内，改变调制信号的频率，用示波器观测发送部分标明的调制放大器输出端”射极输出测量点”电压波形的峰-峰值，并列表记下不同频率Vo的测量结果。测量时频率变化的间隔程度，由实验人员根据实际情况合理确定，在上、下截止频率附近，频率间隔应适当密集一些。

三、实验内容 给Vin输入1KHz、有效值7.1mV（万用表200mV交流档）正弦信号，然后保持输入信号幅度不变，改变输入调制信号的频率，记下不同频率下VO（万用表200mV交流档）的测量结果，并在坐标纸上绘出发送器调制放大器的幅频特性曲线。

三、实验内容 （二）光信号的接收实验 1.硅光电池光电特性及响应度的测定： 半导体硅光电池光电特性的测定，测定电路如图所示。 1).保持发送部分的所有连接状态不变，把光探测器的插头从光功率计上抽出并转插到接受部分的SPD输入插孔内，把数字万用表(200mv交流档)接至接收部分的信号转换测量点和地的两个对应插孔内。

三、实验内容 2).开启发送器和接收器的电源开关，旋动发送器前面板的”偏流调节”旋钮，调节发送端LED的驱动电流，从零开始，每增加5mA读取一次接收端I---V变换电路输出电压，根据已测得的LED光纤组件的光电特性曲线和I---V变换电路的反馈电阻Rf=30KΩ值，便可由这些测量数据得到被测硅光电池的光电特性曲线，由这一特性曲线就可按下公式计算出被测硅光电池的响应度： 其中ΔP0表示两个测量点对应的入照光功率的差值， Δ I0是对应的光电流的差值，由于光电池的光电特性具有很好的线性度，故一般选取零光功率输入和最大光功率输入情况下对应的两个测量点进行计算。响应度表征了硅光电池的光电转换效率，它是一个光电转换电路的设计工作中需要知道的重要参数。 调节发送端LED的驱动电流，记录接收端I—V变换电路的输出电压UO（万用表200mV直流档）。记录3组数据作平均值处理，并在坐标纸上绘出硅光电池光电特性曲线（即Po为横坐标Io为纵坐标的曲线），并计算硅光电池的响应度。

三、实验内容 2.光信号的传输实验 1）将1kHz的交流信号通过信号输入插孔，并调节信号大小，选择正弦波形，幅值固定为80mV。 2）将LED的偏置电流先调整为20mA，并用示波器观察发送端LED驱动电路中Re的电压波形；然后调节LED偏置电流大小（在小于60mA内调节），观察示波器有无波形失真，并记录相应的电压幅值。同时用示波器观察接收端功放电路的输出波形，查看接收信号是否失真，并记录相应的电压幅值。 3）将LED的偏置电流固定为30mA，将输入交流信号的幅值先调整为20mV，并用示波器观察发送端LED驱动电路中Re的电压波形；然后改变输入交流信号的幅值（从10mV调节到150mV），观察示波器有无波形失真，并记录相应的电压幅值。同时用示波器观察接收端功放电路的输出波形，看接收信号是否失真，并记录相应的电压幅值。 就以上实验现象进行分析，说明LED的工作点应该设置在何值，并分析影响信号传输失真的因素。

三、实验内容 3.语音信号的传输 用音频源（如单放机或MP3）代替信号发生器，将其插入发送器面板上的信号输入插孔，把音箱接入面板上标有喇叭输出的插孔内，并把喇叭接通开关打开，即可进行话音传输试验。实验时，根据实际情况可适当调节发送部分的LED偏置电流、调制放大器增益、接收器放大器增益等系统参数，考察传输系统的听觉效果。

四、数据处理与思考题 1、记录相关实验结果，数据表格自拟。 2、简述LED光源的工作原理及其特性。 3、试述音频信号传输的完整过程及高保真传输的条件。