音频信号光纤传输技术实验

实验目的

1． 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

2．了解音频信号光纤传输系统的结构及选配各主要部件的原则

3．学习分析集成运放电路的基本方法

4．训练音频信号光纤传输系统的调试技术

实验仪器

YOF—B型音频信号光纤传输技术实验仪（由四川大学物理系研制）；

音频信号发生器；

示波器；

数字万用表

实验原理

一．  系统的组成

图（1）给出了一个音频信号直接光强调制光纤传输系统的结构原理图，它主要包括由LED及其调制、驱动电路组成的光信号发送器、传输光纤和由光电转换、I—V变换及功放电路组成的光信号接收器三个部分。光源器件LED的发光中心波长必须在传输光纤呈现低损耗的0.85μｍ、1.3μｍ或1.5μｍ附近，本实验采用中心波长0.85μｍ附近的GaAs半导体发光二极管作光源、峰值响应波长为0.8～0.9μｍ的硅光二极管（SPD）作光电检测元件。为了避免或减少谐波失真，要求整个传输系统的频带宽度能够覆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。

  此电路的工作原理如下：

  音频信号经IC1放大电路传到LED调制电路。W2调节发光管LED工作（偏置）电流，音频电流调制此工作电流，并经LED转换成音频调制的光信号，经光纤传至光电二极管SPD再复原成原始音频电流信号，经由IC2构成的I—V变换电路转换成电压信号，最后通过功率放大电路输出声音功率信号，推动扬声器发出声音。这样就完成了音频信号通过光纤的传输过程。

二、半导体发光二极管的驱动、调制电路

本实验采用半导体发光二极管 LED作光源器件.音频信号光纤传输系统发送端LED的驱动和调制电路如图（2）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—20mA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。半导体发光二极管输出的光功率与其驱动电流的关系称LED的电光特性，如图3所示。为了使传输系统的发送端能够产生一个无非线性失真、而峰—峰值又最大的光信号，使用LED时应先给它一个适当的偏置电流 ，其值等于这一特性曲线线性部分中点对应的电流值，而调制电流的峰—峰值应尽可能大地处于这一电光特性的线性范围内。

图2  LED的驱动和调制电路                            图3  LED的正向伏安特性

三．半导体光电二极管的工作原理及特性

半导体光电二极管SPD与普通的半导体二极管一样，都具体一个p-n结,光电二极管在外形结构方面有它自身的特点，这主要表现在光电二极管的管壳上有一个能让光射入其光敏区的窗口、此外，与普通二极管不同，它经常工作在反向偏置电压状态（如图4a所示）或无偏压状态（如图4b所示）。

图4  光电二极管的结构及工作方式 

半导体光电二极管SPD的反向伏安特性如图5所示。

图5  光电二极管的伏安特性曲线

实验内容

一. LED—传输光纤组件电光特性的测定

测量前首先将两端带电流插头的电缆线一头插入光纤绕线盘上的电流插孔，另一端插入发送器前面板上的“LED”插孔，并将光电探头插入光纤绕线盘上引出传输光纤输出端的同轴插孔中，SPD的两条出线接至仪器前面板光功率指示器的相应插孔内，在以后实验过程中注意保持光电探头的这一位置不变。测量时调节W2使毫安表指示从零开始（此时光功率计的读数应为零，若不为零记下读数，并在以后的各次测量中以此为零点扣除）,逐渐增加LED的驱动电流，每增加2mA读取一次光功率计示值，直到20mA为止。根据测量结果描绘LED—传输光纤组件的电光特性曲线，并确定出其线性度较好的线段。

二．光电二极管反向伏安特性曲线的测定

测定光电二极管反向伏安特性的电路如图(6)所示。由IC1为主构成的电路是一个电流—电压变换电路，它的作用是把流过光电二极管的光电流I转换成由IC1输出端C点的输出电压V o，它与光电流成正比。整个测试电路的工作原理依据如下：由于IC1的反相输入端具有很大的输入阻抗，光电二极管受光照时产生的光电流几乎全部流过Rf并在其上产生电压降V c b =R f  I 。另外，又因IC1具有很高的开环电压增益，反相输入端具有与同相输入端相同的地电位，故IC1的输出电压

            Vo =I Rf                        （4）

已知R f后，就可根据上式由V o计算出相应的光电流I。

 

图6    光电二极管反向伏安特性的测定

在图（7）中，为了使被测光电二极管能工作在不同的反向偏压状态下，设置了由W1组成的分压电路。具体测量时首先把SPD的插头接至接收器前面板左侧SPD相应的插孔中，然后根据LED的电光特征曲线在LED工作电流从0～20mA的变化范围内查出输出光功率均分的5个工作点对应的驱动电流值，为以后论述方便起见，对应这5个电流值分别标以i1，i2，i3，i4和 i5 .

    测量LED工作电流为i1～i5时所对应的5种光照情况下光电二极管的反向伏安特性曲线。对于每条曲线,测量时，调节W1使被测二极管的反偏电压逐渐增加，从0 V开始，每增加1V用接收器前面板的数字毫伏表测量一次IC1输出电压V o值，根据这一电压值由

（4）式即可算出相应的光电流I。

三. 音频放大器频带特性

音频放大器的频带宽度决定了所传音频信号保证不失真、且有良好放大作用的频率范围。具体测试时，应将音频放大器的输入断与双踪示波器的一个通道和低频信号发生器相连，输出端和示波器的另一通道相连。将音频输入信号保持在20HZ—20KHZ之间，幅度保持10mv不变，改变频率f从10—20KHZ，测出对应的放大器输出信号峰峰值Uout值。作出Uout—lgf曲线，求出带宽Δf。

四．语言信号的传输

实验整个音频信号光纤传输系统的音响效果。实验时把示波器和数字毫伏表接至接收器I—V变换电路的输出端，适当调节发送器的LED偏置电流和调制输入信号幅度，使传输系统达到无非线性失真、光信号幅度为最大的最佳听觉效果。

思考题

1. 利用SPD 、I—V变换电路和数字毫伏表，设计—光功率计。

2．如何测定图9示SPD第四象限的正向伏安特性曲线？

3.在LED偏置电流一定情况下,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，毫安表读数将随着调制信号的幅度而变化，为什么﹖

4. 若传输光纤对于本实验所采用LED的中心波长的损耗系数（**）〆≤1dB,根 据实验数据估算本实验系统的传输距离还能延伸多远？

 

 

第二篇：北京邮电大学 音频信号的光纤传输

音频信号的光纤传输

xxx

（学院：xxxx班级：xxx学号：xxx）

摘

要：光纤通信以及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。本实

验主要通过研究光纤音频信号的传输来了解光纤通信的基本工作原理，熟悉半导体—光电器件的基本性能及主要特性的测试方法，学习分析集成运放电路的基本方法，学习掌握音频信号光纤传输系统的调试技能。

关键词：光纤通信；LED光电特性；硅光电二极管；调制放大电路

Opticaltransmissionofaudiosignals

WuHuiwen

（College：BeijingUniversityofPostandTelecommunication）

Abstract：Fiberopticcommunications,andmanyotheradvantageswillbecomethemainstreamofmoderncommunication,thefutureofcommunicationsandmeansofacommunicationtechnology.Thisexperimentbystudyingtheopticalaudiosignaltransmissiontounderstandthebasicworkingprincipleofopticalfibercommunication,familiarwithsemiconductor-basicpropertiesofoptoelectronicdevicesandthemaincharacteristicsofthetestmethod,learntoanalyzeintegratedcircuitopampbasicmethodoflearningandmasteringtheaudiosignalopticalfibertransmissionsystemdebuggingskills.

Keywords:OpticalFiberCommunication;LED;Siliconphotodiode;Modulationamplifiercircuit

光导纤维技术是近40年发展起来的一项新兴的技术，是现代光信息技术的重要组成部分。光线的用途很多，其最重要的应用是光

纤通信。通过本实验对LED-传输光纤组件的电光特性的测量,可以了解光纤通信的基本工作原理，熟悉半导体电光—光电器件的基本性能和主要特性的测试方法。1实验

输系统的频带宽度能覆盖被传输信号的频率范围，对于语音信号，频谱在300~3400Hz范围内。由于光导纤维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率放大电路的幅频特性。

1.2半导体发光二极管的结构

光纤通信系统中，对光源器件在发光波长、电光效率、工作寿命、光谱宽度和调制性能等许多方面均有特殊要求。目前在以上各个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和半导体激光器。光纤传输系统中常用的半导体发光二极管是一个如图1所示的N-P-P双异质结构的半导体器件，中间层通常是由直接带隙的GaAsP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材料形成的PN结称为异质结，。当给

原理

1.1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”3部分组成。为了保证系统的传输损耗低，光信号发送器的光源发光二极管的发光中心波长必须在传输光线呈现低损耗的0.85~1.3um或1.6um附近。光信号接收器中的光电检测器件的峰值响应波长也应与此接近。

为了避免或减小波形失真，要求整个传

实验日期：2013-5-30.作者简介：xxx（女）

这种结构加上正向偏压是，就能使N层想有源层注入导电电子，这些导电电子一旦进有源层后，因受到右边P-P异质结的阻挡作用不能在进入右侧的P层，他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，有不少电子要释放出能量满足以下关系式的光子：

hυ=E1-E2=Eg式中，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健束缚状态时的能量。两者的差值Eg与DH结构中隔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，就能使LED发光中心波长与传输光线的低速好波长一致。

根据运放电路理论，图2中音频放大电

路的闭环增益为G（jw）=I+Z2/Z1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C1选得足够小，Can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（jw）=I+R3/R1。C1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频率f1，故该电中的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。

1.4光信号接收器

图3

图1

1.3LED的驱动及调制电路

光纤通信系统中使用的半导体发光二极管的光功率经光导纤维输出，出纤光功率与LED驱动电流的关系称为光电特性。驱动电路，调节这一电路的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ICI为主构成的音频放大电路放大后经电容器耦合到BGI基极，对LED的工作电路进行调制，从而使LED发送出光强随音频信号普化的光信号，并经光纤把这一信号传至接收端。

图3是光信号接收器的电路原理图，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二极管，它的峰值波长响应度为0.25—0.5uA/uW。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I0，然后经IC1组成的I—V转换电路，再把光电流转换成电压V0输出，V0与I0之间具有以下比例关系V0=R1I0以IC2（LA4102）为主构成的是一个音频功放电路，该电路的电阻元件均集成在芯片内部，只要调节外接的电位器Wnf，可改变功放电路的电压增益，从而可以改变功放电路的输出功率，功放电路中电容Cnf的大小决定着该电路的下限截止频率。

2实验仪器

音频信号光纤传输技术实验仪，光功率

计，光纤一盘，信号发生器，双踪示波器，万

图2

用表，导线若干。

3实验步骤4数据处理

3.1LED-传输光纤组件电光特性的测定

利用光功率计测量LED驱动电路三极管的偏执电流与LED输出光功率之间的关系曲线。将图2中的LED的输出接入光功率计，利用发送器上的电位器RP2可以4.1LED-传输光纤组件电光特性的测定

I偏（mA）光功率

P(uW)

00.0

41.6

87.0

1213.4

1620.9

2028.2

调节驱动电路三极管的基极电位，进而改变偏执电流ID.

3.2硅光电二极管特性及响应度的测定

(1)用数字万用表测量Rf的值。

(2)用数字万用表测量LED的偏执电流与接收器上的输出电压U0之间的关系。要求偏置电流0~20mA范围内逐渐增加，每增加4mA测量一次对应的接收器上的输出电压U0。作SPD的光电特性曲线（I-P曲线），并计算出被测光电二极管的响应度R的值。3.3LED偏执电流与无截止畸变最大调制幅度关系的测量

利用双踪示波器测量发送器输入信号Ui和Re两端的输出的信号。当输入信号大小改变时，Re两端输出信号无畸变的最大幅值与三极管工作点的位置选择有关。实验要求信号源频率为1kHz，通过RP1改变输入信

号的幅值，对不同偏置电流下Re两端输出信号无畸变的最大幅值进行观察，确定LED驱动电路中三极管的最佳工作点。

3.4光信号发送器调制放大电路幅频特性的测定

本实验装置是为音频信号的传输而设计的，当信号频率超出音频范围时，输出信号的幅度将下降。通常将输出信号幅度下降到最大值的70%时对应的频率范围定义为通频带，实验要求在输入信号幅值不变，但频率改变时，测量输出信号的放大倍数，并确定带宽。依次改变信号发生器输出频率为100Hz,500Hz,1kHz,3kHz,5kHz,6kHz,7kHz,8kHz,9kHz,10kHz,12kHz,14kHz,16kHz,18kHz,20kHz,用示波器观测放大器相应的输入和输出端波形的峰—峰值并将结果记录下来。由观测结果绘出幅频特性曲线，利用实验结果确定带宽和增益，并与理论计算进行比较。

由此数据可以看出，硅光电二极管可以

把传输光纤出射端输出的信号转变成与之成正比的光电流。光功率随偏置电流的增大而增大。但在初使位置处稍有非线性，造成此现象的可能原因是在电流较小的时候，由于限流电阻的作用，加在二极管上的电压值较小，从而N层向有源层注入的导电电子的数止就较少，从而这些电子进入有源层后，与有源层内空穴复合同时释入能量产生的光子个数就相对较少，这也就是导致了光率相对偏小的原因。以下为LED的电光特性曲线。

LED传输光纤组件电光特性的测定

)

W(uP率功光0246

8101214161820

偏执电流I偏（mA）

4.2硅光电二极管特性及响应度测定（Rf=12.667kΩ）

I偏（mA）048121620Vo(mV)

-0.2

6.6

26.2

49.6

76

102.8

由此数据可得光信号发送器电路输出电压和偏置电流在4mA-20mA范围内成正比，其特性曲线为下图。

硅光电二极管特性及响应度测定

LED偏置电流与最大调制幅度（无截止畸变）关系的测定（f=1kHz）最大调制幅度（mV）(峰峰值)

输出电压Vo(mV)

468

101214偏置电流I（mA）

161820

0246

81012偏执电流I偏（mA）

14161820

4.3LED偏置电流与最大调制幅度（无截止畸变）关系的测定

I偏（mA）最大调制幅度（mV,峰峰值）

4518

81045

121470

161290

20545

此实验说明LED输入信号大小改变时，Re两端输出信号大小改变时，Re两端输出信号无畸变的最大幅值与三机关工作点的位置选择有关，当信号源频率为1kHz，通过RP1改变输入信号的幅值，对不同偏置电流下Re两端输出信号无畸变的最大幅值进行观察，当偏置电流在12mA左右时，最大无截止畸变调制幅度峰峰值最大约为1470mV，当偏置电流小于12mA时，最大调制幅度峰峰值随偏置电流增大而增大，当偏置电流大于12mA时，最大调制幅度随偏置电流增大而减小。其特性曲线如下图所示。

4.4光信号发送器调制放大电路幅频特性的测定及光信号的检测

f(kHz)0.10.511.5

Vi(mV)30303030

发送器Vo(mV)902910875900

接收器Vo（mV）8687.58986

f(kHz)22.533.5

Vi(mV)30303030

发送器Vo(mV)906882876894

接收器Vo（mV）868382.584.5

f(kHz)44.557

Vi(mV)30303030

发送器Vo(mV)888888868804

接收器Vo（mV）85.28483.275.2

f(kHz)9121620

Vi(mV)30303030

发送器Vo(mV)770716654594

接收器Vo（mV）70.462.853.444.6

信号发生器输出频率与输入信号幅度的关系

）

Vm（度幅号信入输024

68101214161820

信号发生器输出频率（kHz）

由此图可见，此实验保持在信号发生器输出频率发生改变时，输入信号幅度保持不变。

）

Vm（值峰峰的形波端入输器大放0

2

4

6810121416

18

20

信号发生器输出频率（kHz）

信号发生器输出频率与接收器输出端波形的峰峰值的关系

）

Vm（值峰峰的形波端出输器收接0

2

4

6810121416

18

20

信号发生器输出频率（kHz）

由以上两图可知，光信号发送器对音频信号的放大倍数约为30倍，并且在频率在截止频率和饱和频率之间范围内输出信号的峰峰值频率特性较好，当输入信号峰峰值幅度为30mV时，其输出信号的峰峰值在900mV附近波动，而后，随着信号发生器输出频率增加，其频率特性下降较快，输出信号峰峰值下降幅度较大，运放放大功能减弱。而光信号接收器输出信号的峰峰值频率特性同样在输入信号频率在截止频率和饱和频率之间范围内较好，在85mV附近波动，同信号发送器频率特性，光信号接收器输出端波形的峰峰值随信号发生器输出频率在5kHz以上增加而降低，其输出端波形的峰峰值下降较大，因此可以看出其低频特性较好。因此，此系统有利于音频信号的传输。

5实验常见问题的分析

（1）发送器W1和W2在实验开机之前和实验后都要逆时针旋转到最小，防止开机就有较大的电流随坏LED。

（2）LED上的直流偏置电流要小于20mA,否则会烧坏LED。

（3）调节音频信号发生器输出的正弦信号的幅度，使其峰峰值小于等于20mV。

（4）实验过程中如果出现截止和饱和消波失真，说明调制信号幅度过大，要适当减小调制信号幅度，保证不失真。

（5）当调制幅度过强时，毫安表指示会在原来设定的偏置电流的附近左右摆动，要减小调制信号幅度。

6思考题

（1）在进行光信号的远距离传输时，应如何设定偏置电流和调制幅度？

答：首先，发送器W1和W2在实验开机之前和实验后都要逆时针旋转到最小，防止开机就有较大的电流随坏LED。并且LED上的直流偏置电流要小于20mA,否则会烧坏LED，音频信号发生器输出的正弦信号的幅度峰峰值要小于等于20mV。在实验过程中，如果出现截止和饱和消波失真，说明调制信号幅度过大，要适当减小调制信号幅度，保证不失真。当调制幅度过强时，毫安表指示会在原来设定的偏置电流的附近左右摆动，要减小调制信号幅度。

（2）信号传输过程中判断调制信号幅度过

大？有几种判断方法？答：首先，当调制幅度过大时，就会超过LED电光特性线性段或出现截止消波失真，使LED的平均驱动电流不等于原来设定的偏置电流。因此可以通过示波器显示波形是否出现消波失真判断调制幅度是否过大。其次，也可以根据毫安表有无变化判断在信号传输过程中调制信号幅度是否过大。（3）在音频范围内整个系统的频带宽度取决于什么？答：频带宽度取决于光信号接收器的饱和频率和截止频率。

7实验总结

我通过本次实验对LED-传输光纤组件的电光特性的测量,了解了光纤通信的基本工作原理，熟悉了半导体电光—光电器件的基本性能和主要特性的测试方法。通过对光信号发送器，光信号接收器的使用我对LED—传输光纤组件电管特性，硅光电二极管特性及响应度，LED偏执电流与无截止畸变最大调制幅度关系以及光信号发送器调制放大电路幅频特性有了更加深入地了解。我了解到硅光电二极管可以把传输光纤出射端输出的信号转变成与之成正比的光电流。光功率随偏置电流的增大而增大。并且，光信号发送器电路输出电压和偏置电流在4mA-20mA范围内成正比，当LED输入信号大小改变时，Re两端输出信号大小改变时，Re两端输出信号无畸变的最大幅值与三机关工作点的位置选择有关。另外在光信号发送器和光信号接收器输出电压方面，光信号发送器对音频信号的放大倍数约为30倍，并且在频率在截止频率和饱和频率之间范围内输出信号的峰峰值频率特性较好，当输入信号峰峰值幅度为30mV时，其输出信号的峰峰值在900mV附近波动，而后，随着信号发生器输出频率增加，其频率特性下降较快，输出信号峰峰值下降幅度较大，运放放大功能减弱。光信号接收器输出信号的峰峰值频率特性同样在输入信号频率在截止频率和饱和频率之间范围内较好，在85mV附近波动，同信号发送器频率特性，光信号接收器输出端波形的峰峰值随信号发生·频特性较好。因此，光纤通信十分有利于音频信号的传输。

8实验相关建议

(1)关于实验室开放，我建议增加实验室开放次数，以便于同学们做相关拓展创新实验；

(2)关于实验预习，我建议在实验中心网站上发布相关实验相关视频，课件，以便于同学们在实验前充分了解实验并做好充分预习；

(3)关于正确实验数据公布，我建议在实验报告上交后老师可以将关于此次实验的相关相对正确数据公布，以便于同学们了解自己实验操作的正确性以及及时纠正自己在实验室不正当的操作，处理数据时不正当的计算等等。

(4)关于考核方式，我建议以实际操作实验的方式来进行考核，以便于同学们增强动手能力以及探索能力。

9实验收获

上学期和这学期我学习了《大学物理实验教程》，使得我在基础知识到所学内容的综合应用，以及独立研究都获得了很大的提高。在物理实验课程的学习过程中，我更加深入地了解了基础理论知识，并养成了严格按照数据测量、误差分析、数据处理、实验结果分析的良好的实验习惯。此次实验的考核方式为以科学论文的形式完成实验报告，使得我们了解了科技论文的格式以及以严谨、认真的态度完成实验报告。物理实验提高了我们独立学习的能力和自主创新的能力，并努力钻研、认真、严谨的不断探索的精神。

参考文献

[1]朱洪波、蒋达娅、张雨田、肖景华.大学物理实验教程.第三版本.北京邮电大学出版社：20xx年8月.

[2]朱世国，熊湘.光导纤维及其数值孔径的测定.物理实验，1996（6）