光纖通信實(shí)驗箱的改進(jìn)

1 現有實(shí)驗裝置
本實(shí)驗中心光纖通信實(shí)驗與我院現有的光電技術(shù)實(shí)驗、光纖技術(shù)實(shí)驗保持著(zhù)較好的分工與協(xié)作，承擔了光電技術(shù)方面的一系列的實(shí)驗與實(shí)踐課程。
光電技術(shù)實(shí)驗主要包括: 光源基礎知識實(shí)驗; 發(fā)光二極管( 光源) 的照度標定實(shí)驗; 光敏電阻特性實(shí)驗; 光敏二極管的特性實(shí)驗; 透射式光電開(kāi)關(guān)實(shí)驗;光敏三極管特性實(shí)驗; 硅光電池特性實(shí)驗; 紅外反射式光電開(kāi)關(guān)( 接近開(kāi)關(guān)) 實(shí)驗; 光柵位移傳感性能實(shí)驗; PSD 位置傳感器實(shí)驗等。
光纖技術(shù)實(shí)驗主要安排有光纖處理及其性能測試，包括: 光纖端面處理、耦合與焊接技術(shù)，光纖損耗譜測試，光纖數值孔徑測試。光源性能測試，包括:LD/LED 功率－ 電流及電壓－ 電流特性曲線(xiàn)測試，LD/LED 輸出光譜特性測試，LD 遠場(chǎng)特性測試。光器件性能測試，包括: 光纖耦合器的原理及性能測試，摻鉺光纖放大器( EDFA) 的性能測試，摻鉺光纖激光器( EDFL) 實(shí)驗。光通信系統基礎實(shí)驗，包括:光發(fā)送模塊實(shí)驗，光接收模塊實(shí)驗，波分復用( WDM) 光纖通信系統實(shí)驗。
光纖通信實(shí)驗依靠光纖通信實(shí)驗箱，可以完成多個(gè)實(shí)驗，既包括驗證性實(shí)驗，還包括設計性綜合實(shí)驗，實(shí)驗時(shí)間長(cháng)( 一般需要12～15 天) ，內容豐富，是學(xué)生進(jìn)行了光電技術(shù)實(shí)驗、光纖技術(shù)實(shí)驗之后進(jìn)行的生產(chǎn)實(shí)習實(shí)驗。

圖1 現有實(shí)驗箱結構示意圖
1．1 裝置的結構與布局
現有光纖通信實(shí)驗箱根據光纖通信實(shí)驗的內容，為了利于學(xué)生理解實(shí)驗現象后面的本質(zhì)，實(shí)驗箱( 如圖1 所示) 進(jìn)行模塊化設計，共分9 個(gè)模塊: 電源、模擬函數發(fā)生器、計算機接口、語(yǔ)音采集、語(yǔ)音還原、CMI 編譯碼、偽隨機碼序列發(fā)生器、光發(fā)射和光接收。
( 1) 電源模塊: 主要功能是給實(shí)驗箱中的所有模塊供電，并提供GND、+5V、+12V 和－12V 電壓。
( 2) 模擬函數發(fā)生器模塊: 產(chǎn)生SQ 方波、SIN正弦波、TＲI 三角波，并能通過(guò)電位器的調節實(shí)現失真、頻率、占空比以及振幅的調節。
( 3) 偽隨機碼序列發(fā)生器: 將時(shí)鐘信號轉變成某一特定的序列信號，也就是偽隨機碼序列信號。
( 4) CMI 編譯碼模塊: CMI 碼即傳號翻轉碼，“1”交替地用“00”和“11”來(lái)表示，而“0”則固定用“01”來(lái)表示，因此把信號從1 位( bit) 變成2 位( bit) 。這種碼的特點(diǎn)是有一定的糾錯能力，并且易于實(shí)現，易于定時(shí)提取，因此在低速系統中選為傳輸碼型。
( 5) 光發(fā)射模塊: 光發(fā)射部分由驅動(dòng)電路和半導體二極管( LED) 組成。驅動(dòng)電路對光源進(jìn)行幅度調制，把需傳輸的信號調制到光載波上。( 實(shí)際上，由于LED 已經(jīng)燒壞，只能用導線(xiàn)直接把電信號引入到光接收模塊。)
( 6) 光接收模塊: 光接收部分由光探測器、信號放大電路組成。( 由于光敏二極管已經(jīng)損壞，只能直接用導線(xiàn)將光發(fā)射信號引入過(guò)來(lái)。)
( 7) 語(yǔ)音采集模塊: 采用話(huà)筒將語(yǔ)音輸入，把語(yǔ)音信號轉化成電信號，采用放大電路將電信號放大。
( 8) 語(yǔ)音還原模塊: 經(jīng)過(guò)前級光接收模塊對信號放大，采用聽(tīng)筒將語(yǔ)音信號還原輸出。
( 9) 計算機接口模塊: 采用導線(xiàn)將計算機上的控制信息輸入到計算機接口模塊。
1．2 裝置的功能
光纖通信實(shí)驗借助于光纖通信實(shí)驗箱可進(jìn)行以下方面的實(shí)驗:
( 1) 簡(jiǎn)單模擬光纖通信系統實(shí)驗;
( 2) 簡(jiǎn)單的數字光纖通信實(shí)驗;
( 3) CMI 編碼的數字光纖通信系統實(shí)驗;
( 4) 光纖通信系統指標測試實(shí)驗;
( 5) 語(yǔ)音光纖通信系統實(shí)驗;
( 6) 基于光纖傳輸的模擬語(yǔ)音通信系統的設計;
( 7) 基于光纖傳輸的數字通信系統的設計;
( 8) 基于PCM 調制的單向數字語(yǔ)音傳輸系統的設計等。
其中前面5 個(gè)實(shí)驗為普通的驗證性實(shí)驗，后面3 個(gè)為綜合設計性實(shí)驗。實(shí)現了一套實(shí)驗設備能進(jìn)行多個(gè)實(shí)驗的功能，并且能同時(shí)進(jìn)行普通驗證性實(shí)驗與綜合設計性實(shí)驗。
通過(guò)利用光纖通信實(shí)驗箱進(jìn)行實(shí)驗，可以鍛煉學(xué)生如下幾個(gè)方面的能力:
( 1) 學(xué)習使用萬(wàn)用表對各種元件以及電路進(jìn)行測試;
( 2) 了解各種芯片的原理以及應用;
( 3) 學(xué)會(huì )使用示波器對各種信號進(jìn)行觀(guān)察與測量分析;
( 4) 進(jìn)行電路設計與調試的綜合實(shí)踐;
( 5) 鍛煉分析和解決電路、光學(xué)等問(wèn)題的能力;
( 6) 直觀(guān)地理解光纖通信原理。
2 結構改進(jìn)
現有的光纖通信實(shí)驗箱布局和實(shí)驗內容的安排總體而言比較合理。但現有的光纖通信實(shí)驗箱均購置于2000 年，使用年限長(cháng)，而且每年使用的人次多，存在實(shí)驗箱壞損嚴重、缺少光纖傳輸部分，語(yǔ)音系統方面的實(shí)驗效果不明顯，長(cháng)期沒(méi)有開(kāi)設，計算機接口模塊幾乎長(cháng)期沒(méi)有使用等不足。而且，原廠(chǎng)家已不再進(jìn)行此產(chǎn)品的生產(chǎn)。為此，在現有實(shí)驗箱的基礎上對光纖通信實(shí)驗箱進(jìn)行了改進(jìn)與設計。
2．1 光傳輸改進(jìn)
由于現有的光纖通信實(shí)驗箱中沒(méi)有光纖傳輸的部分，光發(fā)射與光接收部分的信號傳輸是依靠導線(xiàn)直接將光發(fā)射模塊的信號引入光接收模塊的。學(xué)生根本看不到光纖通信的實(shí)驗現象，更談不上通過(guò)實(shí)驗理解光纖通信的原理。這也是本實(shí)驗箱的主要缺陷所在。為此對光纖通信實(shí)驗箱進(jìn)行改進(jìn)時(shí)，重點(diǎn)對光纖傳輸部分進(jìn)行了設計。
2．1．1 采用半導體激光器光發(fā)射與光接收
光纖傳輸部分設計首先采用市面上能購買(mǎi)的半導體激光器進(jìn)行光發(fā)射，光纖傳輸與光敏三極管進(jìn)行光接收的整套器件。如圖2 所示。
在實(shí)驗調試過(guò)程中發(fā)現此裝置效果較好，但是，加載的信號電壓稍高一些，或者工作時(shí)間稍長(cháng)一些，半導體激光器發(fā)出的激光就突然變得很弱，經(jīng)過(guò)光纖傳輸后，光敏三極管接收不到光傳輸的信號。經(jīng)過(guò)反復實(shí)驗與測量對比，發(fā)現電壓稍高一些，或者工作時(shí)間稍長(cháng)一些，半導體激光器就燒壞了，所以，發(fā)光強度變弱。而且這一套半導體激光器的光發(fā)射與光接收器件價(jià)格也比較貴，一套價(jià)格在100 元左右。所以光纖通信實(shí)驗箱不適合采用半導體激光器的光發(fā)射與光接收的器件。

圖2 半導體激光器的光發(fā)射與光接收器件圖
2．1．2 采用半導體二極管光發(fā)射與光接收
半導體激光器的光發(fā)射與光接收的問(wèn)題主要是器件容易損壞、價(jià)格貴，為此，設計采用了價(jià)格比較低廉的半導體二極管( LED 光源) 以及光敏二極管。
單模光纖價(jià)格貴，并且容易損壞，為此設計采用價(jià)格低廉的塑料光纖。改進(jìn)后的光纖通信實(shí)驗箱實(shí)物圖，如圖3 所示。
 
圖3 采用LED 光發(fā)射的光纖通信實(shí)驗箱實(shí)物圖
2．2 其他改進(jìn)
由于LED 也有電壓限制，超過(guò)一定的電壓后LED 燈也容易燒壞。為此，增加了限壓電阻，防止電壓過(guò)高燒壞LED 燈。預留了直接將光發(fā)射的信號引入光接收的跳線(xiàn)接頭，可以進(jìn)行電－電傳輸與光纖傳輸的對比實(shí)驗。
由于采用本實(shí)驗箱已經(jīng)可以完成較多的實(shí)驗，而且實(shí)驗過(guò)程中還需要用到示波器、萬(wàn)用表、工具箱等，所需的實(shí)驗臺面積比較大，所以再擺放計算機進(jìn)行相應的實(shí)驗不太合理。為此，刪除了需要計算機輔助才有用的計算機接口模塊部分。
以往設計的語(yǔ)音采集模塊和語(yǔ)音還原模塊電路比較簡(jiǎn)單，噪音較大，效果不明顯。為此，對這兩個(gè)模塊進(jìn)行了一定的改進(jìn)，增加了放大倍數，增加了抑制噪聲的功能，改進(jìn)后的語(yǔ)音光纖傳輸效果明顯得到改善。
2．3 預期效果
通過(guò)對現有光纖通信實(shí)驗箱進(jìn)行改進(jìn)與設計，增加了光纖傳輸部分，使學(xué)生對光纖通信有了直觀(guān)的印象; 通過(guò)實(shí)驗與理論結合，對光纖通信理論的理解有了進(jìn)一步的加深。設計了限流電阻，可以防止電壓過(guò)高燒壞LED 燈，刪去了計算機接口模塊，將實(shí)驗電路板進(jìn)行重新布局，加大元器件之間的間距，便于進(jìn)行實(shí)驗與測量。增加了語(yǔ)音采集模塊和語(yǔ)音還原模塊電路的放大倍數，抑制了噪音，使語(yǔ)音光纖傳輸效果明顯改善。將容易損壞的測量點(diǎn)采用比較結實(shí)耐用的材料，確保了實(shí)驗箱的耐用性。采用改進(jìn)后的實(shí)驗箱，不但能使學(xué)生對光纖通信實(shí)驗有直觀(guān)的印象，而且實(shí)驗效果明顯也增強了學(xué)生對實(shí)驗的信心與興趣。
3 結語(yǔ)
在現有光纖通信實(shí)驗箱的基礎上，對缺損的光纖通信部分進(jìn)行了設計與改造。首先采用了帶尾纖的半導體激光器進(jìn)行光發(fā)射和帶尾纖的光敏三極管進(jìn)行信號的接收以及單模光纖傳輸，實(shí)驗效果好。
但是，由于這一套裝置價(jià)格相對而言比較貴，而且易于損壞，不利于學(xué)生進(jìn)行自主實(shí)驗。為此，重新進(jìn)行了設計，新的設計改用半導體二極管( LED) 進(jìn)行光發(fā)射，光敏二極管進(jìn)行光接收以及塑料光纖傳輸，實(shí)驗效果好，而且這套裝置價(jià)格較低廉，比較適合學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗。為了防止電壓過(guò)高，燒壞LED，在原有電路的基礎上設計了限壓保護電路。同時(shí)改進(jìn)了語(yǔ)音采集與語(yǔ)音還原電路，使語(yǔ)音傳輸效果明顯，能激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗信心與興趣。刪去了長(cháng)期不用的計算機接口模塊，將電路板重新布局，使元器件之間的間隔增大，便于學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗與測量。