普通物理实验C
课程论文
题 目:光纤音频信号传输实验研究
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论 文 成 绩 _____________________
答 辩 成 绩 _____________________
20##年 11月 28日
光纤音频信号传输实验研究
宋妍
西南大学物理科学与技术学院，重庆 400715
摘要：本论文探讨了音频信号光纤传输系统的基本结构及部分的工作原理。讲述了半导体发光二极管（LED）和光电检测二极管（SPD）的基本性能及主要特性的测试方法。分析了集成运放电路的基本方法。以及简单介绍了本实验中要掌握的物理知识和对FD-OFT-A音频信号光纤传输实验仪的使用方法。
关键词：音频信号光纤传输系统；半导体发光二极管；光电检测二极管；集成运放电路；FD-OFT-A音频信号光纤传输实验仪；
引言：光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。它俗称玻璃纤维，是由高纯度的玻璃棒经拉丝工艺制成，又称为光导纤维。它凭借其优良的传输特性已经成为信息社会主要的信息传输手段。因为光纤通信具有诸多的优点所以将成为现代通信的主流，将是未来通信的一项重要通信手段。正因为如此我们应该了解基本的光纤通信工作原理，熟悉半导体电光－光电器件的基本性能以及其主要特性的测试方法。
一、本实验应掌握的物理知识：
1、光纤的相关概念：
1）光纤的基本结构：一般所说的光纤是由纤芯、包层和涂覆层组成，纤芯完成信号的传输，包层与纤芯的折射率不同，将光信号封闭在纤芯中传输并起到保护纤芯的作用。工程中一般将多条光纤固定在一起构成光缆。在下图中给出了光和光缆的一般结构。
图1－光纤的结构 图2－四芯光缆剖面示意图
(The structure of optical fiber) (Schematic diagram of four core cable section )
２）技术结构参数：如下图所示。(Optical parameters)
２、光纤的材料及其涉及的技术：
材料：光纤分为纤蕊和包层。纤蕊主要是由具有高折射率（ｎ1）的导光材料制成（如ＳiＯ2光纤蕊层材料多为ＳiＯ2－ＧeＯ2）；包层由低折射率（ｎ2）导光材料制成（如ＳiＯ2光纤包层材料多为ＳiＯ2－Ｂ2Ｏ3或ＳiＯ2－Ｐ2Ｏ3）
涉及的技术：通信光纤大多由石英玻璃材料构成。光纤的制造要经历材料提纯、熔炼、拉丝、套塑等具体的工艺步骤。1、提纯工艺：去掉原料中的有害杂质。２、熔炼工艺：将超纯的原料经过高温化学反应，合成具有一定折射率分布的预制棒。３、拉丝工艺：将已经制作好的预制棒拉成高质量的光纤。４、套塑工艺：将带有涂覆层的光纤再套上一层热塑性材料，进一步增加光纤的强度。
３、单膜和多膜石英光纤的结构及性能：
1、多模光纤
当光纤的几何尺寸远大于光波波长时（约lμm)，光纤传输的过程中会存在一着几十种乃至上百种传输模式，这样的光纤称为多模光纤。由于不同的传播模式具有不同的传播速度与相位，因此，经过长距离传输会产生模式色散（经过长距离传输后，会产生时延差，导致光脉冲变宽）。模式色散会使多模光纤的带宽边窄，降低传输容量，因此，多模光纤只适用于低速率、短距离的光纤通信，目前数据通信局域网大量采用多模光纤。
2、单模光纤
当光纤的几何尺寸较小，与光波长在同一数量级，如芯径在4~10μm范围，光纤只允许一种模式（基模）在其中传播，其余的高次模全部截止，这样的光纤称为单模光纤。单模光纤避免了模式色散，适用于大容量长距离传输。
４、音频信号的频率范围，超声、次声的物理含义：
音频信号的频率范围就是人耳可以听到的频率范围，一般可分为四个频段：
低频段（20～150ＨＺ）；中低频段（150～500ＨＺ）中高频段（500～5000ＨＺ）；高频段（5000～20000ＨＺ）。而频率超过2000ＨＺ的就是超声，低于20ＨＺ的则为次声。
二、光纤传输实验系统的基本结构和原理：
１、音频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。其主要原理是：现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。本仪器ＬＥＤ的发光中心波长为850nm，光信号接收器的光电检测器峰值响应波长也与之接近。
为避免或减少波形失真，要求整个传出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ＬＥＤ的工作原理：
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Ｎ－Ｐ－Ｐ三层结构的半导体器件，中间层被称为有源层，其带隙宽度较窄，两侧与有源层相比带隙宽度较宽。具有不同带隙宽度的两种半导体单晶之间的结构成为异质结。有源层与左侧的Ｎ层之间形成的是Ｐ－Ｎ异质结，而右侧Ｐ层之间形成的是Ｐ－Ｐ异质结，所以这种结构又称为Ｎ－Ｐ－Ｐ双异质结结构，简称ＤＨ结构。
当在Ｎ－Ｐ－Ｐ双异质结两端加上偏压时，就能使Ｎ同时释放光子，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次进入右侧的Ｐ层，他们只能被限制在有源层内与空穴复合，发出光子满足以下关系：ｈν=E1-E2=Eg。
图3－半导发光二极管的结构及工作原理图
(Peninsula luminous tube structure
and working principle diagram)
３、ＬＥＤ的驱动及调制电路
本实验采用半导体发光二级管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下图所示，以ＢＧ１为主结构的电路是ＬＥＤ的驱动电路，调节这一电路中的Ｗ２可以使ＬＥＤ的偏置电流发生变化。信号发生器产生的音频信号由ＩＣ１为主结构成的音频放大电路放大后经电容器耦合到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，并经光纤把这一信号传送至接收端。半导体发光二极管输出的光功率与其驱动电流的关系成为ＬＥＤ的电光特性。
图４－ＬＥＤ的驱动和调制电路
(The LED driver and the modulation circuit)
４、半导体光电二极管的工作原理及特性
本仪器的光信号接受采用硅光电二极管，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摄入其光敏感区的窗口。它经常工作在反向偏置电压状态或无偏压状态，因此时ＳＰＤ的光电特性线性度好。
三、实验内容
１、ＬＥＤ－传输光纤组件电光特性的测定
在不加音频信号的前提下，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。实验时先打开主机光源，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”档。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为零，然后分别把偏流大小调制5ｍＡ、10ｍＡ、15ｍＡ、20ｍＡ、25ｍＡ、30ｍＡ、35ｍＡ、40ｍＡ、45ｍＡ、50ｍＡ，记录数据。描绘ＬＥＤ－传输光纤组件的电光特性曲线。
2、ＬＥＤ直流偏流与最大不失真调制幅度的关系测定
找出在不同的直流偏流ＩＰ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”档。然后将音频发生器产生信号和ＬＥＤ调制信号输入双踪示波器观察。
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，使加在电路上的音频信号由小变大，观察调制信号的波形及失真情况。记录偏流为20ｍＡ时最大不失真调制幅度的峰－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和调制信号峰－峰值ＶＤＱ，则从电路上方面考虑，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
。
３、音频信号光纤传输系统幅频特性的测定
在光信号发送器处去正常工作状态下，研究音频信号光纤传输系统的幅频特性。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。利用前两个实验测的的实验结果，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。
按实验内容二接线。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100Ｈｚ、500Ｈｚ、1ＫＨｚ、5ＫＨｚ、10ＫＨｚ、15ＫＨｚ、20ＫＨｚ，用示波器观测由光纤传输的光信号转化为的音频电信号的波形和峰－峰值。最后绘制出音频信号光纤传输系统幅频特性曲线。
四、实验数据与处理
１、ＬＥＤ－传输光纤组件电光特性的测定
根据以上数据作图，得P0-ID关系图（P0-ID measure the diagram）
从上图可知，直流ID在10mA～50mA的范围内电光转换基本上是线性的。
在实验过程中，从示波器上观察到调制信号同时出现截至电压和失真，及在刚要出现这种情况时的偏流值IDQ为47.6mA，而同时调制信号的峰值VDQ为2.35，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47.6mA和38.0mA。
3、音频信号光纤传输系统幅频特性的测定
利用前两个实验的结果，实验时取偏流ＩＤ＝30mA，调制信号峰值为0.7Ｖ，此时通过ＬＥＤ的电流范围是27～43，光信号和发送器正常工作。以下是音频信号光纤传输系统幅频特性：
根据以上数据作图，得幅频特性曲线(The amplitude-frequency characteristic curve):
从上图可知，本仪器在音频范围内的频响不错，但低频时幅频特性少有欠佳。
五、注意事项
1）光纤出厂前已经固定在骨架上，在实验时要务必小心，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。
3）实验中，光纤发射器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。
六、实验总结
在实验过程中，我们对实验的原理与目的有了较为深刻的理解。对光纤传输的原理有了更深层次的认识。实验原理与实验都比较复杂，在实验中需要认真仔细。学习光纤传输信号对通信是非常重要的。
参考文献：
1.朱世国，熊湘．光导纤维及其数值孔径的测定．物理实验，1996（6）
第二篇：实验九 光纤视频传输实验
实验九 光纤视频传输实验
实验目的：
1. 了解基带模拟信号直接光强度调制传输系统的构成；
2. 了解不同业务对传输系统的要求差异。
实验仪器：
1. 光纤通信实验箱
2. 摄像头、监视器
3. 光纤跳线、视频线
实验原理：
基带模拟信号直接光强度调制传输是模拟光纤传输最基本的传输技术。以发光二极管为光源的基带电视信号光纤传输系统具有设备简单、价格便宜的特点。传输质量可以满足不同指标的要求，适用于较短距离的电视传输，在广播电视与工业电视传输中有着广泛地应用。这种设备以发光二极管为光源，是因为LED的入纤光功率虽不如激光器的高，但它是非相干光源，对微分增益（DG）和微分相位（DP）的校正比用激光器（LD）作为光源来得容易，而且光源驱动电路也比较简单。另外，在多模光纤传输系统中，它也不存在模式噪声对信噪比的影响问题。因此，LED是这种系统中常用的光源。
图9-1示出了一个系统的基本组成方框。在我国采用的PAL制电视信号中，彩色信号是调制在频率为4.43MHz的色副载波上，而色副载波又是叠加在亮度信号上的。色副载波的幅度决定着彩色信号的饱和度，其相位决定了色调。由于亮度信号的变化在传输中可能引起色副载波的幅度和相位失真，在电视信号中被称作微分增益（DG）和微分相位（DP）失真。在传输系统中，发光二极管的非线性是引起DG、DP失真的主要原因，这是因为发光二极管的阻抗特性、注入电流、内部量子效率、辐射复合率的温度特性以及调制带宽等因素的影响所致。一般发光二极管在不采用任何校正措施的情况下，系统可引起10~15%左右的DG变化和1~3度的DP变化，这对于高指标传输来说是不利的。因此需要加入校正电路用以消除这种影响。校正发光二极管的非线性的方法很多，如反馈法、相移调制法、前馈法和准前馈法等。但上述这些方法对校正电路或光器件的要求都很高，采用这些方法会使设备原本简单便宜的系统反而变得比较复杂，设备成本也因此而有所提高。因此一般情况下多采用预失真（预校正）法比较实用。所谓预失真法是用普通二极管的非线性在发送端使信号预先失真，用以抵消发光二极管的非线性失真。
众所周知，电视信号在通过传输设备的电路时，由于交流耦合电容的影响，会失去信号中的低频成分和直流成分。为了保持良好的场响应，常常采取箝位措施，恢复直流分量。除此之外，发端采用箝位技术控制电视信号，可使其工作在发光二极管的P-I特性线性校正区范围内。因而，预失真电路和光源驱动电路中也采用箝位技术。在收端，光电检测器究竟是采用PIN光电二极管还是雪崩光电二极管（APD），这要看对光纤传输系统信噪比的要求而定。如前所述，信噪比要求较高时多采用PIN，而信噪比要求较低时，采用APD可以提高接收机的灵敏度。前置放大器可以采用高阻抗低噪声放大器或高跨阻抗低噪声放大器，这样有利于接收机灵敏度的提高。上述两种放大器的带宽并不理想，为了保证电视信号的幅频特性要求，有时需要进行幅度均衡。限制噪声带宽的低通滤波器一般和幅度均衡特性一起考虑，并不单独设置。在这种光纤传输系统中，自动增益控制（AGC）电路的作用除了可以使接收机的信号动态范围扩大外，更重要的是，因为这种系统接收端的输出信号电平是随着收到的光功率的大小而改变的，因而自动增益控制还起到使接收端电视信号输出电平维持恒定接口电平的作用。
图9-1 LED强度调制视频光纤传输
这里需要指出的是，基带模拟电视信号光强度调制系统容易受到光源非线性的影响，虽然可以采用各种措施去改善非线性失真的影响，但光源的P-I特性一致性较差，使得批量生产时，调整工作量较大，特别是采用LD作光源时，影响传输指标的因素更多，加之脉冲频率调制技术已经成熟，而且又不受光源的非线性影响，因此采用激光器的基带模拟电视信号强度调制系统目前已很少采用。
图9-2 等宽PFM视频光纤传输系统原理图
脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation：PFM）传输方式是目前单路模拟视频光纤传输方式中传输质量较高的方式之一，它也属于脉冲调制光纤传输系统中的一种。所谓脉冲调制包括脉冲调幅、脉冲调相、脉冲调宽、脉冲间隔调制、脉冲调频以及其它双参数脉冲调制等。在这些方式中除脉冲调幅外，都不受光源非线性的影响。
脉冲频率调制有两种方式，一种是调制脉冲的重复频率随信号幅度大小呈线性变化，而脉冲持续期（脉宽）则固定不变；另一种是脉冲占空比为1:1，而调制脉冲的重复频率仍然与信号的幅度成比例变化。后者实际上叫做方波调频（SWFM）方式。
方波频率调制（SWFM）是一种脉冲化了的调频方式（也叫脉冲占空比为1:1的PFM方式），它是在等宽PFM基础上发展起来的更适合于光纤传输系统的视频传输方式。因此，近年来在光纤单路电视传输中占有重要地位。通过频谱分析可知：等宽PFM信号的频谱中含有基带电视信号成份，这给PFM信号的解调带来了方便。但同时也给接收端的判决带来了不便，这是因为在等宽PFM脉冲中的直流成分会给判决点的确定带来麻烦。由于脉冲较窄，带宽较宽，给接收端前置放大器设计和接收灵敏度的提高也都带来了不便，而在SWFM系统中，上述这些不足之处都可以得到克服。SWFM信号的频谱成分中不含基带视频分量，也不含直流成分，因此，它不影响判决点的确定。而且其信号能量主要集中在载频f0附近，因此传输带宽比较窄。
图9-3 SWFM传输系统构成原理
为了获得活动的图像，电影和电视是把若干幅静止的画面快速地连续播放，我们就会觉得这些画面上的物体是在连续地运动着。每一幅“静止”的画面称为一“帧(Frame)”，电影的播放速度是24帧/秒、PAL制电视是25帧/秒，NTSC制电视是30帧/秒。电视的每帧画面又是由若干条水平方向的扫描线组成的、PAL制为625行/帧，NTSC制为525行/帧。如果这一帧画面中听有的行是从上到下一行接一行地连续完成的，或者说扫描顷序是1、2、3……525，我们就称这种扫描方式为逐行扫描。但是实际上，广播电视的一帧画面需要由两遍扫描来完成，第一遍只扫描奇数行， 即第l、3、5……525行，第二遍扫描则只扫描偶数行， 即第2、1、6……524行，这种扫描方式就是隔行扫描。一幅只含奇数行或偶数行的画面称为一“场(Field)”，其中只含奇数行的场称为奇数场或前场(Top Field)， 只含偶数行的场称为偶数场或后场(Bottom Field)。
每一帧图像均是由电子束顺序地一行接着一行连续扫描而成，这种扫描方式称为逐行扫描。要得到稳定的逐行扫描图像，每帧图像必须扫描整数行。举例来说，一帧图像是连续扫描625行组成的，每秒钟共扫描50帧图像，即帧扫描频率为50帧/秒，或写成50Hz(赫芝)，行扫描频率为31.25kHz。
逐行扫描方法使信号的频谱及传送该信号的信道带宽均达到很高的要求。电视专家想出了一个巧妙的方法，把一幅625行图像分成两场来扫，第一场称奇数场，只扫描625行的奇数行(依次扫描1、3、5、…行)，而第二场(偶数场)只扫描625行的偶数行(依次扫描2、4、6、…行)，通过两场扫描完成原来一帧图像扫描的行数，这就是隔行扫描。对于每帧图像为625行的隔行扫描，每帧图像分两场扫，每一场只扫描了312.5行，而每秒钟只要扫描25帧图像就可以了，故每秒钟共扫描50场(奇数场与偶数场各25场)，即隔行扫描时帧频为25Hz、场频为50Hz，而行扫描频率为15.625kHz。
隔行扫描的行扫描频率为逐行扫描时的一半，因而电视信号的频谱及传送该信号的信道带宽亦为逐行扫描的一半。这样采用了隔行扫描后，在图像质量下降不多的情况下，信道利用率提高了一倍。由于信道带宽的减小，使系统及设备的复杂性与成本也相应减少，这就是为什么世界上早期的电视制式均采用隔行扫描的原因。
但隔行扫描也会带来许多缺点，如会产生行间闪烁效应、出现并行现象及出现垂直边沿锯齿化现象等不良效应。自从数字电视发展后，为了得到高品质的图像质量，逐行扫描也已成为数字电视扫描的优选方案。
Ｐ是逐行扫描英文Progressive的第一个字母，Ｉ是隔行扫描的英文Interlace的第一个字母。７２０Ｐ表示在光栅的垂直方向有７２０行逐行扫描线合成一帧图像，即我们看到的一副电视画面。与此类似，１０８０Ｉ指的是垂直方向１０８０行隔行扫描线合成一帧图像，１０８０Ｐ表示垂直方向１０８０行逐行扫描合成一帧图像。在数字电视系统中，通过扫描格式变换电路，可以把１０８０Ｉ的隔行扫描图像信号变换为逐行扫描的７２０Ｐ和１０８０Ｐ视频信号，以减少行间闪烁，提高图像清晰度。
市场上以Ｉ、Ｐ之类的概念来宣传高清并不科学。我国的标准清晰度电视（ＳＤＴＶ）图像格式为７２０×７５６，高清晰度电视（ＨＤＴＶ）图像格式为１９２０×１０８０，其数值分别指的是一帧图像在水平和垂直方向上的有效像素点。只有图像信号格式为１９２０×１０８０，并且图像处理后的物理分辨力能达到１９２０×１０８０的才能称为高清电视
模拟电视传输：
用摄象机把图象转换为6MHz的模拟基带信号，直接输入光发射机。为提高传输质量，通常把这种模拟基带信号转换为频率调制、脉冲频率调制或脉冲宽度调制信号，最后把已调信号输入光发射机。
数字电视传输：
数据速率6*2*8=96Mb/s ，
由于图象信息的实际带宽小于6MHz， 96Mb/s的速率是可以降低的！
全电视信号传输：
图象带宽限制在4.5MHz以内，按2倍速率抽样，每个抽样值使用9比特编码，数据速率为4.5*2*9=81Mb/s。
一个完全的音频信号占据15kHz，按2倍速率抽样，每个抽样值使用8比特编码，数据速率为15*2*8=240 kb/s =0.24Mb/s。
全电视信号速率：81+0.24=81.24 Mb/s
实验内容：
对于基带直传视频图像的传输，实验电路图如下。其具体的实验步骤如下。图像传输采用乙路光纤通信系统。
1.用视频电缆连接摄像头的视频输出与实验箱光发模块乙的图像发；
2.用视频电缆连接监视器的视频输入与实验箱光收模块乙的图像收；
3.根据光发模块乙、光收模块乙的电路图，通过对可变电阻的调节使电路成通路，监视器的图像清晰。
实验报告要求：
1. 用示波器在测试点观察记录图像信号波形；
2. 比较本实验图像传输与数字视频光端机图像传输的不同。