音频信号光纤传输技术实验报告

实验目的

1. 理解光纤通信的基本原理：掌握光信号在光纤中传输的全过程，包括电/光转换、光信号在光纤中的传播以及光/电转换的核心环节。
2. 熟悉光纤传输系统的基本构成：认识并了解光纤传输实验箱中的各功能模块，如音频信号源、光发射模块、光纤、光接收模块及音频功放等。
3. 掌握光纤传输音频信号的方法：学习如何搭建一套完整的音频信号光纤传输链路，并成功实现高质量的声音传输。
4. 分析并评估系统性能：通过对比输入与输出的音频信号，定性或定量地分析光纤传输系统对信号保真度的影响，理解其主要技术指标（如信噪比、失真度等）的实际意义。
5. 观察并研究关键参数对系统的影响：探究半导体激光器的工作电流（偏置电流和调制电流）等关键参数对传输信号质量的影响。

实验原理

光纤通信系统概述

光纤通信是以光波为载波,以光纤为传输媒介的通信方式，一个基本的光纤通信系统主要由三部分组成：光发射端机、光纤和光接收端机。

• 光发射端机：将电端机送来的电信号（本实验中为音频信号）转换为光信号，并将其耦合进光纤中进行传输，其核心器件是光源，如半导体激光器或发光二极管。
• 光纤：作为传输媒介，利用光的全反射原理将光信号从一端高效地传送到另一端。
• 光接收端机：将来自光纤的光信号转换回原始的电信号，并放大、处理后送至电端机（本实验中为音频功放和扬声器），其核心器件是光电检测器，如光电二极管或雪崩光电二极管。

音频信号的光调制

本实验采用直接强度调制方式，这种方式是将音频信号作为调制信号，直接加载到光源（LD）的驱动电流上，使光源发出的光强度随音频信号的幅度变化而变化。

数学表达式： 设音频信号为 $m(t) = A_m \cos(\omega_m t)$，光源的驱动总电流为 $I(t) = I_b + k \cdot m(t)$。

• $I_b$ 为光源的偏置电流，是一个直流分量，用于将光源的工作点设置在其P-I特性曲线的线性区域中心。
• $k$ 为调制系数，表示光强度随信号变化的灵敏度。
• 光源输出的光功率 $P(t)$ 与驱动电流 $I(t)$ 成正比：$P(t) \propto I(t) = I_b + k A_m \cos(\omega_m t)$。

通过这种方式,音频信号的幅度信息就被编码到了光波的强度变化中。

光纤传输原理

本实验使用多模光纤，光在光纤中传输是利用了全反射原理，光纤由纤芯和包层两部分组成，纤芯的折射率 $n_1$ 略高于包层的折射率 $n_2$，当光从纤芯以大于某个特定角度（临界角）入射到纤芯-包层界面时，光会在界面上发生全反射，能量被束缚在纤芯内，以“之”字形路径向前传播，从而实现长距离、低损耗的传输。

光电检测与解调

光接收端机使用光电二极管作为检测器，光电效应是指当光照射到PN结时，会产生电子-空穴对，从而在外电路中形成光电流，这个光电流的大小与入射到光敏面的光功率成正比。 从光纤传来的、被音频信号调制的光功率，经过光电二极管转换后，会还原出一个与原始音频信号成比例的微弱电流，此电流经过前置放大器和主放大器放大，就得到了可以驱动扬声器发声的音频电压信号，完成信号的解调。

实验仪器与设备

1. 音频信号光纤传输实验箱 1台 (包含光发射模块、光接收模块、音频输入/输出接口)
2. 半导体激光器-光电二极管组件 1套 (带光纤跳线)
3. 函数信号发生器 1台 (用于产生正弦波音频信号)
4. 示波器 1台 (用于观察输入/输出波形)
5. 数字万用表 1台 (用于测量偏置电流等)
6. 音频信号源 (如MP3播放器或手机) 1个
7. 有源音箱或耳机 1个
8. 连接线、单模/多模光纤跳线 若干

实验内容与步骤

系统连接与检查

1. 光路连接：将实验箱上光发射模块的LD输出端口通过一根光纤跳线连接到光接收模块的PD输入端口，确保光纤接口（如FC/PC）清洁并插紧。
2. 电信号连接：
   • 将函数信号发生器的“输出”端口连接到实验箱光发射模块的“音频输入”端口。
   • 将实验箱光接收模块的“音频输出”端口连接到有源音箱的“输入”端口。
3. 电源连接：检查所有设备电源线连接无误，依次打开实验箱、函数信号发生器、示波器、有源音箱的电源开关，并预热5分钟。

音频信号的定性传输实验

1. 设置函数信号发生器,输出一个频率为 1 kHz、幅度为 1 Vpp 的正弦波。
2. 调节实验箱光发射模块上的“偏置电流调节”电位器，从0开始缓慢顺时针旋转，同时仔细听音箱中的声音，当声音首次出现时，记录下此时的偏置电流值 $I_{b(min)}$。
3. 继续缓慢增大偏置电流,观察并监听声音质量的变化，当声音最清晰、失真最小时，记录此时的最佳偏置电流值 $I_{b(opt)}$。
4. 保持偏置电流在 $I_{b(opt)}$ 附近，将音频输入切换为手机或MP3播放器，播放不同类型的音乐（如古典、摇滚、人声），监听并评估声音的保真度，感受光纤传输与普通电传输（如用音频线直连）在音质上的差异。

波形观察与系统性能分析

1. 将示波器的CH1探头连接到函数信号发生器的输出端（作为输入信号），CH2探头连接到实验箱光接收模块的音频输出端（作为输出信号）。
2. 保持函数信号发生器输出 1 kHz, 1 Vpp 的正弦波，并将偏置电流调节至 $I_{b(opt)}$。
3. 调整示波器,使输入和输出波形稳定显示在屏幕上，对比两个波形的幅度、频率和形状。
4. 测量增益/衰减：分别读取输入和输出波形的峰峰值电压 $V{in(pp)}$ 和 $V{out(pp)}$，计算系统的电压增益 $G = 20 \log{10}(V{out(pp)} / V_{in(pp)})$。
5. 观察失真：逐渐增大函数信号发生器的输出幅度（例如增加到2Vpp, 3Vpp），观察输出波形是否出现削顶等非线性失真现象，并记录失真开始出现的输入电压阈值。
6. 观察噪声：断开函数信号发生器的输入，将音频输入端接地，观察示波器上输出端的噪声波形，估算其幅度，了解系统的噪声水平。

偏置电流对传输质量的影响研究

1. 将函数信号发生器的输出恢复为 1 kHz, 1 Vpp。
2. 在 $I{b(min)}$ 到 $I{b(opt)}$ 的范围内，选择几个不同的偏置电流值（$I{b(min)}$, $0.8 \times I{b(opt)}$, $I_{b(opt)}$）。
3. 在每个偏置电流点,用示波器观察并记录输出波形的形状，特别关注波形的对称性和失真情况。
4. 分析偏置电流过小和过大时,分别会对信号质量产生什么影响（小信号失真、交调失真等）。

实验数据记录与处理

定性传输实验数据

| 观察与监听结果 | | :--- | :--- | | 声音出现时偏置电流 $I_{b(min)}$ | [5.2 mA] | | 声音最佳时偏置电流 $I_{b(opt)}$ | [8.5 mA] | | 音乐播放音质评价 | [高音清亮，低音有力，无明显杂音，保真度较高，与普通音频线相比，感觉声音更“纯净”，没有电磁干扰声，] |

波形观察与性能分析数据

偏置电流影响研究数据

实验结果分析与讨论

1. 偏置电流的重要性：实验结果表明，偏置电流 $I_b$ 对系统性能至关重要，当 $I_b$ 过小时（$Ib < I{b(min)}$），光源无法被有效驱动，无法产生有效的光功率变化，导致信号无法传输或严重失真，当 $Ib$ 过大时，光源可能进入P-I特性曲线的非线性饱和区，导致大信号调制时产生削顶失真，只有在P-I曲线的线性中心区域（$I{b(opt)}$附近）设置偏置点，才能获得最佳的线性度和最小的信号失真。

2. 系统保真度评估：从示波器波形对比和听觉感受来看，在最佳偏置点和正常输入信号幅度下，光纤传输系统具有很高的保真度，输出波形能很好地复现输入波形，说明系统引入的线性失真和非线性失真都很小，由于光纤是优良的电绝缘体，传输过程不受电磁干扰影响，因此声音“纯净”，无哼声等杂音，这是相比电传输的显著优势。

   
   （图片来源网络，侵删）

3. 系统增益分析：本次实验测得系统增益为负值（1.43 dB），表明输出信号幅度略小于输入信号，这是正常的，因为光信号在光纤中存在传输损耗，光电检测器和后续放大电路也并非理想的无源器件，存在一定的转换效率和增益限制，在实际应用中，可以通过增加光放大器或设计更高增益的接收电路来补偿这种衰减。

4. 噪声与失真：当输入信号幅度过大时，系统出现了明显的削顶失真，这表明系统的动态范围是有限的，输入接地时的噪声幅度很小，说明系统设计良好，信噪比较高，在高质量音频传输中，需要综合考虑调制信号的幅度范围和偏置电流的设置，以避免进入非线性区。

实验结论

本次实验成功地搭建了一套音频信号光纤传输系统,并实现了高质量的声音传输，通过实验，我们得出以下结论：

1. 光纤通信技术能够有效地传输音频信号,具有抗电磁干扰、频带宽、损耗低等优点，音质表现优异。
2. 光源（LD）的偏置电流是影响系统性能的关键参数，必须将其精确设置在P-I特性曲线的线性工作区域，以获得最佳的信号保真度。
3. 直接强度调制是实现音频信号光传输的一种简单有效的方法,但需要注意调制信号幅度不能过大，以避免非线性失真。
4. 本实验系统在最佳工作条件下,表现出良好的线性度和较低的噪声水平，验证了光纤传输音频信号的可行性和优越性。

思考题

1. 为什么本实验不使用单模光纤而使用多模光纤？

   • 答：对于短距离、低速率的音频信号传输实验，多模光纤已经足够，其芯径较大（几十微米），更容易与光源和探测器进行光耦合，对准容差大，实验操作更简单，成本也更低，单模光纤芯径极小（约9微米），耦合困难，需要更精密的设备，通常用于长距离、高速率通信。

2. 如果将实验中的半导体激光器换成发光二极管，系统性能会有何变化？

   • 答：使用LED代替LD会带来以下变化：
     • 光谱宽度：LED的光谱宽度远大于LD（几十nm vs. 几nm），导致更大的材料色散，限制了传输距离和带宽。
     • 输出功率与耦合效率：LED输出光功率较低，且光束发散角大，耦合进光纤的效率远低于LD。
     • 调制特性：LED的响应速度比LD慢得多，限制了可传输的最高信号频率。
     • 线性度：LED的P-I特性曲线在较大范围内线性度较好，但其调制带宽和功率限制使其不适合高速率、大功率的应用。
     • 总体影响：系统传输距离会显著缩短，信噪比可能下降，但对于短距离音频传输，其简单的驱动电路和低成本的优点可能使其在某些应用中仍有价值。

3. 如何定量测量该光纤传输系统的总谐波失真？

   • 答：可以使用频谱分析仪进行定量测量。
     1. 将函数信号发生器设置为输出一个标准的单频正弦波（如1 kHz，1 Vpp）。
     2. 将频谱分析仪的输入连接到系统的音频输出端。
     3. 观察频谱分析仪上的频谱图,找到基波（1 kHz）的幅度 $P_1$。
     4. 找出二次谐波（2 kHz）、三次谐波（3 kHz）等各次谐波的幅度 $P_2, P_3, ...$。
     5. 总谐波失真定义为所有谐波有效值总和与基波有效值之比,通常用百分比或分贝表示。 $$THD = \frac{\sqrt{P_2^2 + P_3^2 + ...}}{P1} \times 100\%$$ 或 $$THD(dB) = 20 \log{10}\left(\frac{\sqrt{P_2^2 + P_3^2 + ...}}{P_1}\right)$$