音频光纤传输

音频信号光纤传输技术实验五邑大学物理实验中心2010.9什么是光纤通信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。本实验就是让学生熟悉了解音频信号光纤传输的基本原理。一、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。二、实验原理1、光纤通信原理2、光信号发送端的工作原理3、光信号接收端的工作原理4、光纤传输特性指标5、光纤通信的特点1、光纤通信原理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。光波如何在光纤中传播分析光纤的导光原理，一般可采用两种方法：方法一、波动理论法：波动理论法是根据电磁场理论，用麦氏方程求解光纤的场方程、特征方程，根据解答式分析其传输特性；方法二、射线法：射线法是将光波看成是一条条几何射线，用光射线理论分析光纤的传输特性。后者比较简单、直观。光波在两介质交界面的反射和折射光波属于电磁波的范畴，在均匀介质中传输时，其轨迹是一条直线，当光射线射到两种介质交界面时，将发生反射和折射。反射定律与全反射由电磁场理论知道，反射和折射的基本规律是由斯涅尔定律和菲涅尔公式来表示的。下面我们以斯涅尔定律说明其物理概念。斯涅尔定律主要包括以下两个关系式：

θ１＝θ１′n１sinθ１＝n２sinθ２产生全反射的条件是：

n2＞n1；９０°＞θ１＞θc

阶跃型光纤就是利用光波的全反射原理，将光波限制在纤芯中向前传播。光纤的数值孔径图（5）光线1在孔径范围内，可以通过全反射进行传播，而光线2则超出了孔径范围，没有发生全反射，而是发生了折射，能量衰减很快。2光信号发送端的工作原理音频信号调制二极管的发光强度系统低频响应不小于20赫兹，取决电阻、电容网络。系统高频响应不大于20千赫兹，取决于运放电路的响应频率。光纤通信的三个窗口波段：0.841.311.55微米（μm），窗口波段与光纤传输呈现低损耗，与发光器件，光电检测器件的峰值响应波段相匹配（本系统在0.8-0.9微米）。在光纤应用中，常用的光源有：发光二极管(LED)和激光二极管(LD)。半导体激光器实质上是一个光波振荡器，它具有振荡、反馈与放大作用。根据光纤的特性通常选用长波长激光器，一般为1310nm。它通常是由P型限制层与有源层和N型限制层与有源层所组成的两个异质结。3光信号接收端的工作原理图3常用的光探测器是半导体光电二极管PIN和雪崩二极管。半导体光电二极管PIN具有体积小，材料合适、灵敏度高、响应速度快等特点，在光纤通信系统中有着十分广泛的应用。其伏安特性为。其中I0为无光照时的反向饱和电流，U为二极管的端电压（正向电压为正，反向电压为负），q为电子电荷，k为波尔兹曼常数，T为温度（单位为K），IL为无偏压状态下光照时的短路电流，与光照时的光功率成正比。4光纤传输特性指标光纤损耗：光纤的损耗是指光在光纤中传播时，由于介质的吸收、散射和辐射等原因，光强不可避免地要随着传播距离的增加而减少。

光纤色散：光波信号在光纤中传输，或多或少都会使光波信号波形展宽，发生失真，这种现象说明光纤中存在色散。数值孔径：它决定了能够在光纤中传播的光束半孔径角的最大值，记作N.A.（numericalaperture）,定义为5光纤通信的特点频带宽、通信容量大用电磁波传输信号，其容量大小与所用载波的频率有关。光波的频率很高1014赫兹，比微波频率108-1010要高几个数量级。同样取其频率的1%作带宽，容量相差十万倍。损耗低同轴电缆线路内信号迅速衰减，每隔几公里就需要设一个中继站；而光纤通信的中继站可增大到几十公里或几百公里。目前，单模光纤传输损耗在1.31μm和1.55μm分别为0.35dB/km和0.2dB/km质量小，原材料资源丰富其材料密度只有铜的四分之一，节约稀有金属。抗干扰性强、保密性好不受高压电、雷电、电车线等电磁感应的影响和外界光频段的干扰，也易于屏蔽。另外光纤材料化学稳定性高，适合在恶劣环境下和危险情况下使用。三、实验内容1、光纤传输系统静态电光/光电传输特性测定在没有音频信号输入的情况下，人为地改变发送光强度（每次改变可以认为加入一个直流信号），测量接收光的强度，记录并作出U-I曲线，检查曲线的线性度，并说明此通信系统的最佳工作点（发光二极管的静态工作电流）应选在什么位置。2、LED偏置电流与无失真最大信号调制幅度关系测定以频率1kHz的正弦波为输入信号，分别选择发光二极管的偏置电流（即静态工作点）为5mA和10mA两种情况下，调节输入信号的幅度，使其从零开始增加，同时在接收端信号输出处观察波形变化，直到波形出现截止现象时，记录下电压波形的峰-峰值，由此确定LED在不同偏置电流下光功率的最大调制幅度。无失真截止失真饱和失真3、光纤传输系统频率响应特性的测定相同工作点下，如果输入信号的频率不同，输出信号的幅度也可能不同，这就是系统的频率响应特性。一般定义当固定输入信号的幅度不变，而改变其频率时，输出信号的幅度相对于最大值Um下降到0.707Um所对应的频率范