音频信号光纤传输实验成果

【实验概述与思政要素】

声音是一种低频信号，低频信号的传播受周围环境的影响很大，传播的范围有限。在通信中一般是使用一个高频信号作为载波，利用被传输的信号（如音频信号）对载波进行调制。当信号到达传输地点时需对信号进行解调，也就是将高频载波滤掉，最终得到被传输的音频信号。随着通信容量的增加和信息传递速度的加快，电磁通信暴露出一些缺陷，主要有以下几点：①信号间的干扰；②对接收端和发射端阻抗匹配要求较高，不易达到；③由于物理条件的限制造成的与频率相关的损失。解决上述问题的关键是采用光纤通信，即利用光作为信号的载体。

光纤俗称玻璃纤维，是由高纯度的玻璃棒经拉丝工艺制成，又称光导纤维。它以其优良的传输特性成为信息社会主要的信息传输手段。随着光纤通信技术的发展，一个以微电子技术、激光技术、计算机技术和现代通信技术为基础的高速宽带信息网将使远程教育、远程医疗、电子商务、智能居住小区越来越普及。光纤通信以其诸多优点将成为现代通信的主流，未来通信的一项通信技术和手段。

【实验目的】

①了解光纤通信的基本工作原理、音频信号光纤传输系统的结构及各主要部件的作用。

②熟悉半导体发光二极管（LED）和光电二极管（SPD）的基本性能及主要特性的测试方法。

③学习分析音频信号集成运放电路的基本方法和掌握音频信号光纤传输系统的调试技能。

【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。其原理（图4.20.1）主要是：先将待传输的音频信号作为源信号供给光信号发送器，从而产生相应的光信号，然后将此光信号经光纤传输后送入光信号接收器，最终解调出原来的音频信号。为了保证系统的传输损耗低，发光器件LED的发光中心波长必须在传输光纤的低损耗窗口之内，使得材料色散较小。低损耗的波长在850nm、1300nm或1600nm附近。本实验中仪器LED发光中心波长为850nm，光信号接收器的光电检测器峰值响应波长也与此接近。

图4.20.1　音频信号光纤传输实验系统原理

为了避免或减少波形失真，要求整个传输系统的频带宽度能覆盖被传输信号的频率范围。由于光纤对光信号具有很宽的频带，故在音频范围内，整个系统频带宽度主要决定于发射端的调制信号放大电路和接收端的功放电路的幅频特性。

（2）半导体发光二极管的驱动及调制电路

光纤通信系统中对光源器件在发光波长、电光功率、工作寿命、光谱宽度和调制性能等许多方面均有特殊要求，所以不是随便哪种光源器件都能胜任光纤通信的任务，目前在以上各方面都能较好满足要求的光源器件主要有半导体发光二极管（Light Emitting Diode，LED）和半导体激光器（Laser Diode，LD）。

本实验采用半导体发光二极管LED作为光源器件，音频信号光纤传输系统发送端LED的驱动和调制电路如图4.20.2所示，以BG1为主构成的电路是LED的驱动电路，调节这一电路中的w2可使LED的偏置电流在0～50mA的范围内变化。被传音频信号由IC1为主构成的音频放大电路放大后经电容器C4耦合到BG1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。

图4.20.2　LED的驱动和调制电路

根据运放电路理论，图4.20.2中音频放大电路的闭环增益为

其中，Z2、Z1分别为放大器反馈阻抗和反相输入端的接地阻抗，只要C3选得足够小，C2选得足够大，则在要求带宽的中频范围内，C3的阻抗很大，它所在支路可视为开路，而C2的阻抗很小，它可视为短路。在此情况下，放大电路的闭环增益G（jω）=1+R3/R1。C3的大小决定了高频端的截止频率f2，而C2的值决定着低频端的截止频率f1。故该电路中的R1、R2、R3和C2、C3是决定音频放大电路增益和带宽的几个重要参数。

半导体发光二极管输出的光功率与其驱动电流的关系称为LED的电光特性。为了避免和减小非线性失真，使用时应给LED一个适当偏置电流I，其值等于这一特性曲线线性部分中点对应的电流值，而调制信号的峰-峰值也应位于电光特性线性范围内。对于非线性失真要求不高的情况下，也可把偏置电流选为LED最大允许工作电流的一半，这样可使LED获得无截止畸变幅度最大的调制，有利于信号的远距离传输。

（3）光纤的传光原理

衡量光纤性能好坏有两个重要指标：一是看它的传输信息的距离有多远；二是看它携带的信息量有多大。前者决定于光纤的损耗特性，后者决定于光纤的脉冲响应或基带频率特性。

经过人们对光纤的提纯，目前已经使得光纤的损耗做到20dB/km以下。光纤的损耗与工作波长有关，所以在工作波长的选用上，应该尽量选用低损耗的工作波长，光纤通信最早是用短波长850nm，近年来发展至用1300～1550nm范围的波长，因为在这一波长范围内光纤不仅损耗低，而且“色散”小。

光纤的脉冲响应或它的基带频率特性又主要取决于光纤的模式性质。光纤按照其模式性质通常可以分为两大类，即单模光纤和多模光纤。无论单模或者多模光纤，其结构均由纤芯和包层两部分组成。纤芯的折射率比包层的折射率大，对于单模光纤，纤芯直径只有5～10μm，包层直径为125μm，在一定条件下，只允许一种电磁场形态的光波在纤芯内传播，多模光纤的纤芯直径为20～2000μm，包层厚度为3～5μm，允许多种电磁场形态的光波传播。按照折射率沿光纤截面的径向分布又可以分成阶跃型和渐变型两种光纤，对于阶跃型光纤，在纤芯和包层中折射率均为常数，但纤芯折射率略大于包层折射率，所以对阶跃型多模光纤，可以用几何光学的全反射理论解释它的导光原理。在渐变型光纤中，纤芯折射率随离开光纤轴线距离的增加而逐渐减小，直到在纤芯和包层界面处减到某一值后，在包层的范围内折射率保持这一值不变。根据光线在非均匀介质中的传播理论分析可知：经光源耦合到渐变型光纤中的某些射线，在纤芯内是沿周期性的弯向光纤轴线的曲线传播（其传播几何光学理论详见实验参考资料介绍）。

（4）半导体光电二极管的工作原理及特性

本仪器的光信号接收采用硅光电二极管（Silicon Photo Diode，SPD），与普通的半导体二极管一样，SPD也是一个P-N结，但SPD的管壳上有一个能让光射入其光敏区的窗口。此外，与普通半导体二极管不同，它经常工作在反向偏置电压状态或无偏压状态，因此SPD的光电特性线性度好。

本仪器SPD的峰值响应波长在820nm左右，工作时SPD把经光纤出射端输出的光信号转化为与之光功率成正比的光电流，经过I-V转换电路，再把光电流转换成与之成正比的电压信号。

【实验仪器】

本实验使用的实验仪器装置主要由FD-OFT-A型音频信号光纤传输实验仪和实验主机（包括音频信号发生器、光功率计、LED放射器、SPD接收器等）、多模光纤（装于骨架上）、半导体收音机、示波器组成，如图4.20.3所示。

图4.20.3　音频信号光纤传输实验仪器装置

（1）FD-OFT-A型音频信号光纤传输实验仪的特点

①一体式仪器，音频信号发生器、光功率计、LED发射器、SPD接收器全部整合在一台主机中，这样用户购买该仪器后，不用另配光功率计以及信号发生器即可以完成实验。

②集光电子技术、光纤传输技术、应用电子技术于一体的综合实验教学仪器，对于扩大学生知识面和培养学生综合运用已学知识解决实际问题的能力十分有益。

③实验内容丰富、实验数据稳定可靠，通过该仪器可以让学生了解光波是怎样被调制、传输和解调的，使学生对光纤通信有一个初步的认识。

（2）技术指标

①电源输入：220V、50Hz。

②音频信号发生器频率调节范围：100Hz～10kHz连续调节，10～20kHz连续调节，幅度调节范围：0～3V（峰-峰值），连续调节。

③光功率计量程：0～200.0μW，分辨率0.1μW。

④LED驱动电流：I≤100mA。

【实验内容】

（1）LED传输光纤组件电光特性的测定

本实验内容是要在不加音频信号的情况下，研究通过LED的直流偏置电流ID与LED输出光功率P0之间的关系，即LED的电光特性。实验时先打开主机电源，将光纤一端接至“LED发射器”中“信号输出”端，一端接至“SPD接收器”中的“信号输入”端，将光功率计波段开关打至“测量”挡。调节“偏流调节”旋钮，使面板上电流表读数为零，此时将光功率表也调零，然后分别把偏流大小调至5，10，15，20，25，30，35，40，45，50mA，记录对应的光功率值于表4.20.1。

表4.20.1　偏置电流与光功率数据记录

（2）LED直流偏流与最大不失真调制幅度的关系测定

本实验要找出在不同的直流偏流ID下电路能加载的不失真调制幅度的大小，同时找到LED发光电路最佳工作点和在此工作点下能加载的最大不失真信号幅度。实验时先接好音频信号通道、光通道，把光功率计打至“实验”挡。然后将音频发生器产生信号和LED调制信号输入双综示波器观察。

调节音频信号发生器，使其输出信号峰-峰值为1V，频率为10kHz。接着把偏流加至20mA，调节“LED发射器”中的幅度调节旋钮，把音频信号放大，观察调制信号的波形及失真情况。在表4.20.2中，记录偏流为20mA时最大不失真调制信号的峰-峰值。分析观察到的现象，然后决定增大或减小偏流以找到最佳静态工作点IDQ。实验时可调节音频信号的放大幅度来检验新的工作点是否为IDQ，若在示波器上能观察到调制信号同时出现截止和饱和失真（这时的偏置电流约为66mA），则此时正处于最佳工作点。记录刚要同时出现两种失真现象时的偏流值IDQ和调制信号峰-峰值VDQ，则从电路方面考虑，通过LED的最佳工作电流和最大不失真交流幅度分别为IDQ和（本仪器Re=50Ω）。

表4.20.2　LED直流偏流与最大不失真调制幅度的关系

（3）音频信号光纤传输系统幅频特性的测定

本实验是要在光信号发送器处于正常工作状态下，研究音频信号光纤传输系统的幅频特性。实验前应先确定光信号发送器的正常工作范围。从实验原理和前两个实验内容可知：光信号发送器的正常工作是由LED的电光特性和LED发光电路工作特性决定。若LED电光线性转化，发光电路信号传输无非线性失真，则光信号发送器已处于正常工作状态。利用前两个实验测得的实验结果，便可知道在不同直流偏流ID下，要使光信号发送器正常工作，加载在电路中的调制幅度可取范围。

实验时，先将音频发生器输出信号峰-峰值调为1V，偏流和调制信号幅度调节适当，以确保光信号发送器正常工作。然后，将音频发生器输出信号频率依次调为0.1，0.5，1，5，10，15，20kHz，用示波器观测由光纤传输的光信号转化成的音频电信号的波形和峰-峰值，并将测量数据填入表4.20.3。由观测结果绘出音频信号光纤传输系统幅频特性曲线。

表4.20.3　光纤传输系统幅频特性关系

（4）光信号的接收实验

1）接收器允许的最小光电信号幅值的测定（选做）(www.xing528.com)

把信号源频率选为1kHz，在保持实验系统以上连接不变的情况下，逐渐减小LED的偏置电流，并适当减小调制信号源的幅度，使接收器I-V变换输出端电压的交流分量的波形为无截止畸变的最大幅值；继续减小LED的偏流，随着LED偏置电流的减小，用示波器观察到的以上交流信号的最大幅值也越来越小，当LED的偏流小到某一值时，这一交流信号的幅值就可能与系统存在的干扰信号（在本实验系统中，主要是50Hz的工频干扰）的幅值可比较，对应于这一状态的光信号的幅值就是本实验系统接收器允许的最小光电信号的幅值。知道系统接收端允许的最小光电信号的幅值和LED的电光特性后，就可根据光纤损耗计算出本实验系统的最大传输距离。

2）语言信号的传输

将半导体收音机的信号接入发送器的输入端（在后面板上），通过后面板上的转换开关接上功放输出端的扬声器，试验整个音频信号光纤传输系统的音响效果。实验时可适当调节发送器LED的偏置电流和调制输入信号幅度，考察传输系统的听觉效果并用示波器监测接收器功放电路输出端信号的波形变化。

【数据处理】

①根据测量结果描绘LED传输光纤组件的电光特性曲线，即描绘P0-ID关系图，分析其线性范围，并确定出其线性度较好的线段。

②用示波器观测由光纤传输的光信号转化成的音频电信号的波形和峰-峰值。由观测结果绘出音频信号光纤传输系统幅频特性曲线，并分析结果。

【注意事项】

①光纤出厂前已经固定在骨架上，学生实验时务必小心，不要随意弯曲，以免光纤折断，更不要将光纤全部从骨架上取下来。

②实验开始前以及实验结束时，应把LED发射器中的“幅度调节”和“偏流调节”电位器逆时针旋至最小。为了LED的安全使用，LED的偏置电流不要大于25mA，调制信号的幅度也不要过大，否则会使LED的发光性能迅速下降。

③实验中，光纤与发射器以及光纤与接收器接头插拔时应该注意不要用力过猛，以免损坏。保护好传输光纤的输出端面和光电二极管的入照窗口，使它们不受异物损伤及灰尘遮盖。

【思考题】

1.本实验中LED偏置电流是如何影响信号传输质量的？

2.本实验中光传输系统哪几个环节可能引起光信号的衰减？

3.光传输系统中如何合理选择光源与探测器？

【参考资料】

音频信息光纤传输原理

（1）光导纤维的结构及传光原理

衡量光导纤维性能好坏有两条重要指标：一是看它传输信息的距离有多远，二是看它携带信息的容量有多大，前者取定于光纤的损耗特性，后者取定于光纤的脉冲响应或基带频率特性。

光纤的损耗与工作波长有关，所以在工作波长的选用上，应尽量选用低损耗的工作波长，光纤通讯最早是用短波长0.85μm，近来发展至用1.3～1.55μm范围的波长，因为在这一波长范围内光纤不仅损耗低，而且“色散”也小。

光纤的脉冲响应或它的基带频率特性又主要取决于光纤的模式性质。光纤按其模式性质通常可以分成两大类即单模光纤和多模光纤。无论单模或多模光纤，其结构均由纤芯和包层两部分组成。纤芯的折射率较包层折射率大，对于单模光纤，纤芯直径只有5～10μm，在一定条件下，只允许一种电磁场形态的光波在纤芯内传播，多模光纤的纤芯直径为50μm或62.5μm，允许多种电磁场形态的光波传播；以上两种光纤的包层直径均为125μm。按其折射率沿光纤截面的径向分布状况又分成阶跃型和渐变型两种光纤，对于阶跃型光纤，在纤芯和包层中折射率均为常数，但纤芯折射率n1略大于包层折射率n2。所以对于阶跃型多模光纤，可用几何光学的全反射理论解释它的导光原理。在渐变型光纤中，纤芯折射率随离开光纤轴线距离的增加而逐渐减小，直到在纤芯一包层界面处减到某一值后，在包层的范围内折射率保持这一值不变，根据光射线在非均匀介质中的传播理论分析可知：经光源耦合到渐变型光纤中的某些光射线，在纤芯内是沿周期性地弯向光纤轴线的曲线传播。

本实验采用阶跃型多模光纤作为信道，现应用几何光学理论进一步说明这种光纤的传光原理。阶跃型多模光纤的结构如图4.20.4所示，它由纤芯和包层两部分组成，芯子的半径为a，折射率为n1，包层的外径为b，折射率为n2，且n1>n2。

当一光束投射到光纤端面时，进入光纤内部的光射线在光纤入射端面处的入射面包含光纤轴线的称为子午射线，这类射线在光纤内部的行径，是一条与光纤轴线相交、呈“Z”字形前进的平面折线；若耦合到光纤内部的光射线在光纤入射端面处的入射面不包含光纤轴线，称为偏射线，偏射线在光纤内部不与光纤轴线相交，其行径是一条空间折线。以下只对子午射线的传播特性进行分析。

参见图4.20.5，假设光纤端面与其轴线垂直，如前所述，当一光线射到光纤入射端面时的入射面包含了光纤的轴线，则这条射线在光纤内就会按子午射线的方式传播。根据Snell定律及图4.20.5所示的几何关系有

其中，n0是光纤入射端面左侧介质的折射率。通常，光纤端面处于空气介质中，故n0=1。

由式（4.20.2）可知，如果所论光纤在光纤端面处的入射角θi较小，则它折射到光纤内部后投射到芯子一包层界面处的入射角α有可能大于由芯子和包层材料的折射率n1和n2按下式决定的临结角αc

在此情形下光射线在芯子一包层界面处发生全内反射。该射线所携带的光能就被局限在纤芯内部而不外溢，满足这一条件的射线称为传导射线。

随着图4.20.5中入射角θi的增加，α角就会逐渐减小，直到α=αc时，子午射线携带的光能均可被局限在纤芯内。在此之后，若继续增加θi，则α角就会变得小于αc，这时子午射线在芯子一包层界面处的全内反射条件受到破坏，致使光射线在芯子一包层界面的每次反射均有部分能量溢出纤芯外，于是，光导纤维再也不能把光能有效地约束在纤芯内部，这类射线称为漏射线。

设与α=αc对应的θi为θimax，由上所述，凡是以θimax为张角的锥体内入射的子午线，射到光纤端面上时，均能被光纤有效地接收而约束在纤芯内。根据式（4.20.2）有

n0sinθimax=n1cosαc

因其中n0表示光纤入射端面空气一侧的折射率，其值为1，故

通常把定义为光纤的理论数值孔径（NumericalAperture），用英文字符NA表示，即

它是一个表征光纤对子午射线捕获能力的参数，其值只与纤芯和包层的折射率n1和n2有关，与光纤的半径a无关。式中

称为纤芯一包层之间的相对折射率差，Δ越大，光纤的理论数值孔径NA越大，表明光纤对子午线捕获的能力越强，即由光源发出的光功率更易于耦合到光纤的纤芯内，这对于作传光用途的光纤来说是有利的，但对于通信用的光纤，数值孔径越大，模式色效也相应增加，这不利于传输容量的提高。对于通信用的多模光纤Δ值一般限制在1%左右。由于常用石英多模光纤的纤芯折射率n1的值处于1.50附近的范围内，故理论数值孔径的值在0.21左右。

（2）半导体发光二极管的结构和工作原理

半导体发光二极管是低速短距离光通信中常用的非相干光源，它是如图4.20.6所示的NPP三层结构的半导体器件，中间层通常是由直接带隙的GaAs的P型半导体材料组成，称为有源层，其带隙宽度较窄，两侧分别由AlGaAs的N型和P型半导体材料组成，与有源层相比，它们都具有较宽的带隙。具有不同带隙宽度的两种半导体单晶之间的结构称为异质结，在图4.20.6中，有源层与左侧的N层之间形成的是PN异质结，而与右侧P层之间形成的是PP异质结，所以这种结构又称为NPP双异质结构，简称DH结构。

图4.20.6　半导体发光二极管的结构及工作原理

当在NPP双异质结两端加上偏压时，就能使N层向有源层注入导电电子，这些导电电子一旦进入有源层后，因受到P-P异质结的阻挡作用不能再进入右侧P层，它们只能被限制在有源层内与空穴复合，同时释放能量产生光子，发出的光子满足以下关系

式中，h是普朗克常数；ν是光波频率；E1是有源层内导电电子的激发态能级；E2是导电电子与空穴复合后处于价键状态时的束缚态能级。两者的差值Eg与DH结构中各层材料及其组分的选取等多种因素有关，制作LED时只要这些材料的选取和组分的控制适当，就可以使LED的发光中心波长与传输光纤的低损耗波长一致。

（3）光电二极管的伏安特性

光电二极管的伏安特性可表示为

式中，I0是无光照的反向饱和电流；V是二极管的端电压（正向电压为正，反向电压为负）；q为电子电荷；k为玻耳兹曼常数；T是结温，单位为K，IL是无偏压状态下光照时的短路电流，它与光照时的光功率成正比。式（4.20.6）中的I0和IL均是反向电流，即从光电二极管负极流向正极的电流。根据式（4.20.6），光电二极管的伏安特性曲线如图4.20.7所示的反偏工作状态，光电二极管的工作点由负载线与第三象限的伏安特性曲线交点确定。

①光电二极管即使在无偏压的工作状态下，也有反向电流流过，这与普通二极管只具有单向导电性相比有着本质的差别，认识和熟悉光电二极管的这一特点对于在光电转换技术中正确使用光电器件具有十分重要意义。

②反向偏压工作状态下，在外加电压E和负载电阻RL的很大变化范围内，光电流与入照的光功率均具有很好的线性关系，无偏压工作状态下，只有RL较小时光电流才与入照光功率成正比，RL增大时，光电流与光功率呈非线性关系。无偏压状态下，短路电流与入照光功率的关系称为光电二极管的光电特性，这一特性在I-P坐标系中表现为斜率R为光电二极管的响应度，这是一个宏观上表征光电二极管光电转换效率的一个重要参数。

图4.20.7　光电二极管的伏安特性曲线及工作点的确定

③在光电二极管处于开路状态情况下，光照时产生的光生载流子不能形成闭合光电流，它们只能在PN结空间电荷区的内电场作用下，分别堆积在PN结空间电荷区两侧的N层和P层内，产生外电场，此时光电二极管表现出具有一定的开路电压。不同光照情况下的开路电压就是伏安特性曲线与横坐标轴交点所对应的电压值，由图4.20.7可见，光电二极管开路电压与入照光功率也是呈非线性关系。

④反向偏压状态下的光电二极管，由于在很大的动态范围内其光电流与偏压和负载电阻几乎无关，故在入照光功率一定时可视为一个恒流源；而在无偏压工作状态下光电二极管的光电流随负载电阻变化很大，此时它不具有恒流源性质，只起光电池作用。

光电二极管的响应度R与入照光波的波长有关。本实验中采用的硅光电二极管，其光谱响应波长在0.4～1.1μm、峰值响应波长在0.8～0.9μm范围内。在峰值响应波长下，响应度R的典型值在0.25～0.5μA/μW的范围内。