音频信号光纤传输实验摘要:实验通过对LED-传输光纤组件的电光特性的测量，得出了在合适的偏置电流下，其具有线性。
验证了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。
AbstracfThe experimental transmission through the LED-fiber components of theelectro-optical properties Measuring obtained at the right bias current, with its linear. Verification of the silicon photodiode fiber can transmit a radio-signal output into with the current proportional to the light.一.前言:1.实验的历史地位:光纤自20世纪60年代问世以来，其在远距离信息传输方面的应用得到了突飞猛进的发展，以光纤作为信息传输介质的“光纤通信”技术，是世界新技术革命的重要标志，也是未来信息社会各种信息网的主要传输工具。
随着光纤通信技术的发展,一个以微电子技术,激光技术,计算机技术呵现代通信技术为基础的超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,未来信息社会的一项基础技术和主要手段.2.实验目的了解音频信号光纤传输系统的结构熟悉半导体电光/光电器件的基本性能及主要特性的测试方法了解音频信号光纤传输系统的调试技能3.待解决的几个主要问题:声音是一种低频信号，你可能有这样的经历，当你说话的声音较低时，只有你旁边的人可以听见你的声音，要让声音传的远些你必须大声喊。
这说明了低频信号的传播受周围环境的影响很大，传播的范围有限。
为了解决上述的问题，在通信技术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要对信号进行解调，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，上述传播过程的缺陷也暴露了出来，主要为以下几点：1信号间的干扰；2 对接手端和发射端阻抗匹配要求较高；3 传播速度受到一定的限制。
专家们一致认为解决上述问题的关键是利用光作为信号的载体，也就是所说的光纤通信。
本实验的目的就是去了解光纤传输系统的结构，以及半导体电光/光电器件的基本性能及主要特性的测试方法。
二. 实验介绍1.实验原理⑴通信基本原理通信，简单点说就是信息的传输。
比如打电话，就是将我们的声音传输到很远的地方，这就是一种通信。
下面就是通信系统组成示意图。
⑵光纤通信所谓光纤通信，就是用激光做载波，光纤为传输媒质的信号传输。
下图所示为直接光强调制光纤传输系统的结构原理方块图。
它主要包括光信号发送器，传输光纤，光信号接收器三部分组成。
但是，要确保接收到的信号与我们发送的信号一样，要求传输过程中的各种变换都必须是线性变换。
因此，只有在各部分共有的线性工作频率范围内的信号才能通过传输系统而不失真。
对于语音信号，频谱在300—3400 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。
发光二极管(LED)的电光特性LED的P-I特性曲线光纤通信系统中使用的LED的光功率是经称为尾纤的光导纤维输出，出纤光功率与LED驱动电流的关系称为电光特性。
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，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应位于电光特性的直线范围内。
⑶光信号的发送光信号发送器的原理图被传音频信号由以IC 1为主要元件构成的音频放大电路放大后经电容器 藕合到BG 1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。
对于高频信号，电容可看作短路；对于低频信号，电容可看作开路，且电容越大，允许通过的最低频率就越低。
只要 选得足够小（只允许高频信号通过）， 选得足够大（较低频率的信号也可通过，但仍有截止频率），则在要求带宽的中频范围内， 的阻抗很大，它所在支路可视为开路，而 的阻抗很小，它可视为短路。
2R ccV在此情况下，根据运放电路的特性计算出：放大电路的闭环增益为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.光信号的接收光电检测器件SPD：响应度：描述光电检测器光电转换能力的一种物理量。
定义为：其中：I为光电检测器的平均输出电流； P为光电检测器的平均输入功率。
光信号接收器原理图光信号的接收主要是利用硅光电二极管 (SPD)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光电流I0 ，然后经I / V 转换电路再把光电流转换成电压V0输出。
V0和I0之间有以下关系：以IC3 为主要元件构成的是一个集成音频功放电路，只要调节外接的电位器Wnf，就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。
2.实验设计思想:音频信号的光纤传输系统主要包括：光信号发送器；传输光纤以及光信号接收器。
三个部分。
光信号发送器由半导体发光二极管（Light Emitted Diode 简称LED），以及由它的调制、驱动电路组成；光信号接收器包括了发光二极管的电流/电压（I/V）转换电路和功放电路。
组成该系统时，光源LED的发光中心波长必须在传输光纤呈现低损耗的、或附近，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0.85 的半导体发光二极管作光源，峰值响应波长为 0.8—0.9.85 的硅光电二极管（Silica Photo Diode 简称 SPD）作光电检测元件。
在传播过程中，为了避免或减小波形失真，要求载波的频率宽度能覆盖被传信号的频率范围。
由于光导纤维对光信号具有很宽的频带，完全可以将频谱在300—3400 范围的音频信号覆盖。
整个系统的频带宽度（即可传信号的频率宽度）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。
光信号发送器：光信号发送器由信号放大电路，和LED的驱动电路组成。
放大后的信号进入右侧的信号发送系统。
LED的正常工作需要有一定的正向偏压，一般是在1.2-1.4V之间，光功率与LED驱动电流的关系称为电光特性。
由NPN三极管构成的LED的驱动电路，就是给LED提供正常工作所需的正向偏压。
本实验仪LED最大允许工作电流为50mA，把偏置电流选为LED最大允许工作电流的一半，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送。
光信号接收器：光信号接收器由光电转换器和集成音频功放电路组成。
光电转换器是由峰值响应波长与发送端LED的发光中心波长很接近的硅光电二极管（SPD）和运算放大器组成。
硅光电二极管的任务是把传输光纤出射端输出光信号的光功率转变为与之成正比的光电流I0，然后经运算放大器组成的I / V 转换电路把光电流转换成电压V0输出，然后经功放电路放大后还原成音频信号播放。
三.实验仪器本实验使用的是四川大学物理系研制的YOF—A型音频信号光纤传输技术实验仪，包括：1.光纤2.双踪示波器功率计、音频信号发送器和音频信号接收器3.音频信号发生器四.实验内容本实验包括了以下几部分内容：1．光信号发送器特性的研究（1）LED—传输光纤组件电光特性的测定（2） LED 偏置电流与无截止畸变最大调制幅度关系的测定（3）光信号发送器调制放大电路幅频特性的测定2. 光信号接收器特性的研究(1) 硅光电二极管特性及响应度的测定(2) 光信号的检测(3) 光电信号的放大3.原始数据表格I偏(mA) 0 4 8 12 16 20光功率P(uW) 0 1.3 3.8 7.5 12.0 17.1 ⑵硅光电二极管特性及响应度的测试 R f=23.8(kΩ)I偏(mA) 0 4 8 12 16 20 V o(mV) 7.2 9.5 21.8 49.3 88.2 135.1定的偏执电流附近摆动,尽管波形畸变不明显,但说明输出已失真,此时应减小信号的调制幅I偏(mA) 0 4 8 12 16 20电压峰值(mA)12.5 56 110 170 250 280 (峰-峰值)偏iF(kHz) 0.1 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Vi(mV) 10 10 10 10 10 10 10 10 Vo(mV) 300 300 300 300 290 290 290 287 F(kHz) 4 4.5 5 7 9 12 16 20 Vi(mV) 10 10 10 9 8 7.5 6 5.8 Vo(mV) 280 275 265 235 210 180 140 110F(kHz) 0.1 0.85 1 1.5 2 2.5 3 3.5 发送器V o(mV) 300 300 300 290 290 280 280 265 接收器V o(mV) 65 65 68 70 70 70 68 68 F(kHz) 4 4.5 5 7 9 12 16 20 发送器V o(mV) 250 250 240 210 190 150 120 100 接收器V o(mV) 65 65 60 55 50 40 30 20 五.数据处理:⑴LED电光特性曲线文字描述: 由图像可以看出在4mA到19mA之间Ｐ－Ｉ成线性关系R=ΔI/ΔP=(0.915966-0.39916)/( 3.8-1.3)= 0.206722⑶LED偏置电流与无截止畸变最大调制幅度的关系曲线V max-I偏⑷放大倍数随频率变化的关系曲线:可以看出在大于运放的截止频率和饱和频率之间，运放放大倍数最大，随着频率的增加运放的放大功能减弱。
⑸发送器V o(mV), 接收器V o(mV)曲线由图像可以看出来，电势随着频率的增大而变小。
5.实验中常见问题的分析（1）发送器W1和W2在实验前（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损坏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（实验过程中保持Vi≤20mV[峰—峰值]）；（4）实验过程中如果出现截止或饱和削波失真，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。