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音频信号光纤传输技术

时间:2022-02-13 理论教育 版权反馈
【摘要】:本实验通过测量两转换器的特性和调试仪器各功能区的功能,从而达到了解光纤传输技术的目的。图5-31-1所示为音频信号光纤传输系统的结构原理图,它主要由三部分组成:a.光信号发送器;b.传输光纤;c.光信号接收器。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,这有利于信号的远距离传输。

实验31 音频信号光纤传输技术

光纤通信是将来取代电通信的一门新技术,其特点是低损耗、大容量、无电磁辐射,不受电磁干扰、重量轻、体积小等。光纤传输技术是指以光作为信息载体的传输技术,其基本原理为:首先通过信号发送器将电信号转换成光信号,接着光信号被光纤传送到光信号接收器,最后转换还原成原信号。本实验通过测量两转换器的特性和调试仪器各功能区的功能,从而达到了解光纤传输技术的目的。

【实验目的】

(1)了解音频信号光纤传输系统的结构;

(2)熟悉半导体电光/光电器件的基本性能及主要特性的测试方法;

(3)训练音频信号光纤传输系统的调试技能。

【实验仪器】

YOF A型音频信号光纤传输技术实验仪,DOP A型光功率计,信号发生器,双踪示波器,数字万用表。

【实验原理】

1.系统的组成

图5-31-1所示为音频信号光纤传输系统的结构原理图,它主要由三部分组成:a.光信号发送器(由半导体发光二极管LED及其调制、驱动电路组成);b.传输光纤;c.光信号接收器(由硅光电二极管SPD、I/V转换电路和功放电路组成)。

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图5-31-1 音频信号光纤传输系统结构原理图

组成该系统时,光源LED的发光中心波长选择在0.85μm、1.3μm或1.6μm附近,因为传输光纤在这些波长区呈现低损耗,光电检测器件的峰值响应波长也应与此接近。本实验采用发光中心波长为0.85μm的GaAs半导体发光二极管作为光源,峰值响应波长为0.8~0.9μm的硅光电二极管(SPD)作为光电检测元件。

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覆盖被传信号的频谱范围;对于语音信号,其频谱在300~3 400Hz的范围内。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。

2.LED结构及工作原理

光纤传输系统中常用的半导体发光二极管(LED)是如图5-31-2所示的N-p-P三层结构的半导体器件,中间层通常由直接带隙的GaAs(砷化镓)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GaAlAs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5-31-2中,有源层与左侧的N层之间形成的是p-N异质结,而与右侧P层之间形成的是p-P异质结,故这种结构又称为N-p-P双异质结构,简称DH结构。

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图5-31-2 LED的结构及工作原理

当给这种结构加上正向偏压时,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,因受到右边p-P异质结的阻挡作用不能再进入右侧的P层,它们只能被限制在有源层内与空穴复合。导电电子在有源层与空穴复合的过程中,其中有不少电子要释放出能量满足以下关系的光子:

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其中h是普朗克常量,υ是光波的频率,E1是有源层内导电电子的能量,E2是导电电子与空穴复合后处于价键束缚状态时的能量。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,就可使得LED的发光中心波长与传输光纤的低损耗波长一致。

光纤通讯系统中使用的LED的光功率是经过光导纤维输出的,出纤光功率与LED驱动电流的关系称为LED的电光特性。为了避免和减少非线性失真,使用时应先给LED一个适当的偏置电流I(电光特性曲线线性部分中点对应的电流值),而调制信号的峰—峰值应位于电光特性的直线范围内。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,这有利于信号的远距离传输。见图5-31-3。

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图5-31-3 LED信号调制输出

3.LED的驱动及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5-31-4所示。

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图5-31-4 LED的驱动和调制电路

三极管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0~80mA的范围内变化。被传输的音频信号由音频放大电路(以运放IC1为主构成)放大后经电容器C4耦合到三极管BG1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。

根据运放电路理论,图5-31-4中音频放大电路IC1闭环增益为

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其中Z2、Z1分别为IC1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、C2和C3是决定音频放大电路增益和带宽的几个重要参数。

4.光信号接收器

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图5-31-5 光信号接收器的电路原理图

光信号接收器由SPD、I/V转换电路和音频功放电路构成,如图5-31-5所示。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二极管,它的峰值波长响应度为0.25~0.5μA/μW。SPD的任务是把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微弱的光电流I0。I/V转换电路是指以运放IC2为主构成的电路,I0经过I/V电路转换后就成为电压V0输出,V0与I0之间成正比关系,关系式为:

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音频功放电路是指以IC3(LA4102)为主构成的电路,该电路的电阻元件(包括反馈电阻在内)均集成在芯片内部,只要调节外接的电位器Wnf,可改变功放电路的电压增益,功放电路中电容Cnf的大小决定着该电路的下限截止频率。

【实验内容与步骤】

1.LED的电光转换特性的测定

根据测试电路(如图5-31-6所示)原理,测定LED的电光特性,在坐标纸上作P0-ID曲线,确定其线性较好的部分,将线性区分成4等份来决定5个工作点,其中I3为中点。

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图5-31-6 LED-传输光纤组件电光特性的测定

具体步骤如下:

(1)连接仪器。不要打开电源,首先把两端带电流插头的电缆线的一头插入光纤盘上的电流插孔,另一头插入发送器前面板的“LED”插孔,然后把带有光电探头(实验时该光电插口已经插入了光纤绕线盘上光信号输出端的同轴插孔上)的电缆的两个红、黑色的香蕉电流插头插入光功率指示器的对应颜色的插孔内。

(2)观察调试。旋动发送器前面板右边的“偏流调节”旋钮,使LED的偏置电流在“20~50mA”范围内变化,观察光功率指示器的读数变化。然后,在保持LED偏置电流不变的情况下,将插入同轴插孔中的光电探头沿“同轴插孔”的轴线方向适当旋动,直到光功率指示器的读数尽可能大,在以后的整个实验过程中注意保持传输光纤输出端面与光电探头的这一最佳耦合状态不变。

(3)精确测量。旋动“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)在0~50mA(<70mA)范围内逐渐增加,从0mA开始,每隔5mA读取一次光功率指示值P0,直到ID不能增加为止。根据以上测量数据,以P0为纵坐标,ID为横坐标,绘制P0—ID图线,该图线就是传输光纤输出端与光电二极管之间在以上耦合状态下LED的电光特性曲线。

2.硅光电二极管光电特性及响应度的测定

由于硅光电二极管SPD的工作任务是将光信号转换为电信号,因此其光电特性的测定就是SPD产生的光电流I0与传送到SPD端的光功率P0之间的关系的测定,I0-P0曲线即为其光电特性曲线。为了得到I0与P0的关系,可以借助实验内容1得到的ID与P0的对应关系。

SPD的光电流I0可以利用Rf间接测出。方法是调节LED驱动电路中的w2,使LED的偏置电流ID从0mA到约70mA范围内逐渐增加,每增加5mA,读取一次由IC2组成的电流—电压变换电路的输出电压V0,根据I/V变换电路中的Rf和V0的关系V0=Rf·I0,可求得I0随ID的变化关系。测试电路如图5-31-7所示。

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图5-31-7 硅光电二极管光电特性的测定

在坐标纸上作零偏压(V=0)下的I0-P0曲线,并在I0-P0曲线上选取两点来计算光电二极管的响应度R。

具体步骤如下:

(1)连接仪器。完成了LED特性测量后,不要急着打开接收器的电源开关,首先把电缆线的红、黑两个插头(与红色香蕉插头对应的引脚为负极,黑色为正极)从光功率指示器的两个输入插孔拔出改接到接收器前面板左侧标有“SPD”记号的相应颜色的插孔内;再把数字万用表打向200mV挡,并接至接收器前面板上“电流—电压(I/V)”电路输出端和地端所对应的两个插孔内,注意极性正确连接。

(2)观察调试。保持传输光纤输出端面与光电探头的这一最佳耦合状态,打开接收器的电源开关,旋动发送器前面板右边的“偏流调节”旋钮,使LED的偏置电流在“0~50mA”范围内变化,观察数字万用表的变化情况。

(3)精确测量。调节发送器上的“偏流调节”旋钮,使LED的偏置电流从0~70mA范围内逐渐增大,每增大5mA,读取一次接收端I—V变换电路的输出电压V0。测量完毕后,断开发送器和接收器的电源开关,把数字万用表的插头从接收器中拔除,然后换到电阻挡并测量光信号接收器反馈电阻Rf的阻值(面板上标有“Rf”记号的两个插孔就是该电阻的接入端)。通过欧姆公式V0=Rf·I0,可以求出SPD(硅光电二极管)光电转换产生的电流I0的大小。同时,由于LED和SPD测量时所定的测量点的偏置电流相同,也就是LED测量中的光功率指示器的功率示数对应等于SPD接收到的光功率P0。因此可以根据LED—光纤组件的电光特性曲线和计算出来的I0值描绘出SPD的光电特性曲线,利用线性拟合实验数据处理的方法,即可求出被测硅光电二极管的响应度R:

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其中ΔP0表示两个测量点对应的入照光功率的差值,ΔI0是对应的光电流的差值。

注意:测量前应先进行LED尾纤与SPD光敏面最佳耦合状态的调节。

3.LED偏置电流与输出波形无失真时最大调制幅度关系的测定

在图5-31-4中,用音频信号发生器产生1kHz的正弦波作为“LED调制电路”的输入,接入发送器前面板的“信号输入”耳机插孔。把双踪示波器的一条输入通道跨接在Re两端,然后在LED偏置电流为50mA、40mA、30mA、20mA、10mA和0mA的各种情况下,调节音频信号发生器的衰减旋钮(或发送器的旋钮W1)来调节正弦信号幅度,用示波器观测Re上波形临界出现截止或饱和失真时电压的峰-峰值Ue。分析Re中的电流Ie与偏置电流ID的关系,根据P0—ID曲线和图5-31-3确定出纤光功率P0的最大变化范围(即调制幅度)。

4.光信号的检测

(1)仪器连接。仪器的连接保持前项实验时所用的连接。

(2)观察调试。检查LED尾纤与接收器光电检测元件的最佳耦合状态,发送端LED的偏置电流设置为50mA,调节音频信号发生器的频率和输出电压幅度,用示波器观测接收端I—V变换电路输出电压V0的波形变化情况。

(3)精确测量。记录下某一确定频率时(比如1kHz)这一波形无失真的最大峰-峰值,根据观测结果计算与此情况对应的光信号光功率变化的幅值。

5.光电信号的放大

(1)仪器连接。实验在前面实验仪器连接基础上进行。

(2)观察调试和测量。把接收端功放电路的电位器Wnf调至最小,然后在保持发送端输入信号幅度不变(其值以LED的光信号不出现截止失真和功放电路输出不出现饱和失真为宜)的情况下(示波器的两通道要接到Re和V0端进行调整),改变信号发生器的频率,用示波器观测和记录接收端功放电路输出电压随信号频率的变化,列表记录测量结果。增大功放电路中电位器Wnf的阻值,重复以上观测,把结果与Wnf阻值最小时的情形进行比较并分析比较结果。

6.语音信号的传输

(1)仪器连接。在前实验内容的基础上,用收音机或随身听代替信号发生器,把本实验仪配置的小音箱接入接收器前面板上标有扬声器记号的插孔内,与此同时把接收器面板上的负载电阻和扬声器之间的切换开关倒向扬声器一侧。

(2)观察调试。开启随身听,在保持偏置电流不大于50mA的情况下,根据实验情况适当调节发送器一侧的输入信号幅度、LED的偏置电流或接收器前面板的“功放增益调节(Wnf)”旋钮。观察其产生的效果,并用示波器观察输入和输出波形的变化。

(3)测量。记录几个不同旋钮在调试中产生的作用,达到总体上清晰掌握光纤传输的原理。

预习思考题

(1)半导体发光二极管LED如何将电信号转换成光信号?

(2)光电二极管SPD如何将光信号转换成电信号?

思 考 题

(1)LED确定后,为了实现光信号的远距离传输,应该如何设定它的偏置电流和调制幅度?

(2)当调制信号幅度较小时,指示LED偏置电流的毫安表读数与调制信号幅度无关,当调制信号幅度增加到某一程度后,毫安表读数将随调制信号的幅度增加,为什么?

【附录】

半导体发光二极管与其他光源比较,其优点在于只需调制它的驱动电流就可以简单地实现光讯号的调制。进行光讯号调制时,首先根据LED的电光特性曲线选择一个适当的偏置电流(一般选其电光特性曲线中线性度较好的线段中点对应的驱动电流),然后把正弦信号经电流插头引至发送器前面板的“信号输入”插孔,并用示波器观察发送器前面板右侧标明的晶体三极管发射极电阻Re两端的电压波形。由于V0=ReID,所以V0的波形反映了LED驱动电流ID(在LED电光特性的线性范围内即代表了传输光纤中传输的光功率)随时间的变化波形。若观察到的这一波形具有严重的截止削波失真,则适当减小调制信号幅度、或旋动发送器前面板上控制输入信号幅度的“输入衰减”旋钮,可使光信号的波形为一正弦波。

如果LED的电光特性曲线在驱动电流从零至其允许的最大电流范围内线性度较好,则大幅度调制引起的光信号非线性失真很小,此时调制幅度主要受截止削波失真的限制。在此情况下,为了获得最大幅度的光信号(因为在接收器灵敏度一定时,光信号幅度越大,光信号传输的距离就越远),LED偏置电流可以选为其最大允许驱动电流的一半。本实验仪器采用的LED允许的最大工作电流为100mA,故在进行光信号的调制实验时,偏置电流最大不得超过50mA,这说明了为什么要控制偏置电流不能超过50mA。

在不同的偏置电流情况下调节调制信号的幅度,用示波器可以观测到无截止削波失真的光信号最大幅度随LED偏置电流变化的情况。

调制幅度小于LED的偏置电流时,无截止削波失真发生,故流过LED的平均电流应等于原来设定的偏置电流,此时发送器前面板上的毫安表指针保持不变;当调制幅度过大时,出现截止削波失真,LED平均电流大于原来设定的偏置电流,在此情况下,毫安表指示要随调制幅度增加而增加。因此,根据以上分析,不需用示波器而仅仅根据发送器前面板上毫安表的指针有无摆动也可以判断在信号传输过程中调制信号幅度是否过大。在传输语音信号时,由于信号幅度是随机变化的,如果其调制幅度过强,则毫安表指针会在原来设定的偏置电流的附近左、右摆动,此时应适当减小调制信号的幅度。

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