光纖通信實驗箱的改進(jìn)

1 現(xiàn)有實驗裝置
本實驗中心光纖通信實驗與我院現(xiàn)有的光電技術(shù)實驗、光纖技術(shù)實驗保持著較好的分工與協(xié)作，承擔(dān)了光電技術(shù)方面的一系列的實驗與實踐課程。
光電技術(shù)實驗主要包括: 光源基礎(chǔ)知識實驗; 發(fā)光二極管( 光源) 的照度標(biāo)定實驗; 光敏電阻特性實驗; 光敏二極管的特性實驗; 透射式光電開關(guān)實驗;光敏三極管特性實驗; 硅光電池特性實驗; 紅外反射式光電開關(guān)( 接近開關(guān)) 實驗; 光柵位移傳感性能實驗; PSD 位置傳感器實驗等。
光纖技術(shù)實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(shù)值孔徑測試。光源性能測試，包括:LD/LED 功率－ 電流及電壓－ 電流特性曲線測試，LD/LED 輸出光譜特性測試，LD 遠(yuǎn)場特性測試。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) 實驗。光通信系統(tǒng)基礎(chǔ)實驗，包括:光發(fā)送模塊實驗，光接收模塊實驗，波分復(fù)用( WDM) 光纖通信系統(tǒng)實驗。
光纖通信實驗依靠光纖通信實驗箱，可以完成多個實驗，既包括驗證性實驗，還包括設(shè)計性綜合實驗，實驗時間長( 一般需要12～15 天) ，內(nèi)容豐富，是學(xué)生進(jìn)行了光電技術(shù)實驗、光纖技術(shù)實驗之后進(jìn)行的生產(chǎn)實習(xí)實驗。

圖1 現(xiàn)有實驗箱結(jié)構(gòu)示意圖
1．1 裝置的結(jié)構(gòu)與布局
現(xiàn)有光纖通信實驗箱根據(jù)光纖通信實驗的內(nèi)容，為了利于學(xué)生理解實驗現(xiàn)象后面的本質(zhì)，實驗箱( 如圖1 所示) 進(jìn)行模塊化設(shè)計，共分9 個模塊: 電源、模擬函數(shù)發(fā)生器、計算機接口、語音采集、語音還原、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(shù)發(fā)生器模塊: 產(chǎn)生SQ 方波、SIN正弦波、TＲI 三角波，并能通過電位器的調(diào)節(jié)實現(xiàn)失真、頻率、占空比以及振幅的調(diào)節(jié)。
( 3) 偽隨機碼序列發(fā)生器: 將時鐘信號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)碼，“1”交替地用“00”和“11”來表示，而“0”則固定用“01”來表示，因此把信號從1 位( bit) 變成2 位( bit) 。這種碼的特點是有一定的糾錯能力，并且易于實現(xiàn)，易于定時提取，因此在低速系統(tǒng)中選為傳輸碼型。
( 5) 光發(fā)射模塊: 光發(fā)射部分由驅(qū)動電路和半導(dǎo)體二極管( LED) 組成。驅(qū)動電路對光源進(jìn)行幅度調(diào)制，把需傳輸?shù)男盘栒{(diào)制到光載波上。( 實際上，由于LED 已經(jīng)燒壞，只能用導(dǎo)線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(dǎo)線將光發(fā)射信號引入過來。)
( 7) 語音采集模塊: 采用話筒將語音輸入，把語音信號轉(zhuǎn)化成電信號，采用放大電路將電信號放大。
( 8) 語音還原模塊: 經(jīng)過前級光接收模塊對信號放大，采用聽筒將語音信號還原輸出。
( 9) 計算機接口模塊: 采用導(dǎo)線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
光纖通信實驗借助于光纖通信實驗箱可進(jìn)行以下方面的實驗:
( 1) 簡單模擬光纖通信系統(tǒng)實驗;
( 2) 簡單的數(shù)字光纖通信實驗;
( 3) CMI 編碼的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)實驗;
( 4) 光纖通信系統(tǒng)指標(biāo)測試實驗;
( 5) 語音光纖通信系統(tǒng)實驗;
( 6) 基于光纖傳輸?shù)哪M語音通信系統(tǒng)的設(shè)計;
( 7) 基于光纖傳輸?shù)臄?shù)字通信系統(tǒng)的設(shè)計;
( 8) 基于PCM 調(diào)制的單向數(shù)字語音傳輸系統(tǒng)的設(shè)計等。
其中前面5 個實驗為普通的驗證性實驗，后面3 個為綜合設(shè)計性實驗。實現(xiàn)了一套實驗設(shè)備能進(jìn)行多個實驗的功能，并且能同時進(jìn)行普通驗證性實驗與綜合設(shè)計性實驗。
通過利用光纖通信實驗箱進(jìn)行實驗，可以鍛煉學(xué)生如下幾個方面的能力:
( 1) 學(xué)習(xí)使用萬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(yīng)用;
( 3) 學(xué)會使用示波器對各種信號進(jìn)行觀察與測量分析;
( 4) 進(jìn)行電路設(shè)計與調(diào)試的綜合實踐;
( 5) 鍛煉分析和解決電路、光學(xué)等問題的能力;
( 6) 直觀地理解光纖通信原理。
2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)
現(xiàn)有的光纖通信實驗箱布局和實驗內(nèi)容的安排總體而言比較合理。但現(xiàn)有的光纖通信實驗箱均購置于2000 年，使用年限長，而且每年使用的人次多，存在實驗箱壞損嚴(yán)重、缺少光纖傳輸部分，語音系統(tǒng)方面的實驗效果不明顯，長期沒有開設(shè)，計算機接口模塊幾乎長期沒有使用等不足。而且，原廠家已不再進(jìn)行此產(chǎn)品的生產(chǎn)。為此，在現(xiàn)有實驗箱的基礎(chǔ)上對光纖通信實驗箱進(jìn)行了改進(jìn)與設(shè)計。
2．1 光傳輸改進(jìn)
由于現(xiàn)有的光纖通信實驗箱中沒有光纖傳輸?shù)牟糠?，光發(fā)射與光接收部分的信號傳輸是依靠導(dǎo)線直接將光發(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驗現(xiàn)象，更談不上通過實驗理解光纖通信的原理。這也是本實驗箱的主要缺陷所在。為此對光纖通信實驗箱進(jìn)行改進(jìn)時，重點對光纖傳輸部分進(jìn)行了設(shè)計。
2．1．1 采用半導(dǎo)體激光器光發(fā)射與光接收
光纖傳輸部分設(shè)計首先采用市面上能購買的半導(dǎo)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。
在實驗調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)此裝置效果較好，但是，加載的信號電壓稍高一些，或者工作時間稍長一些，半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光就突然變得很弱，經(jīng)過光纖傳輸后，光敏三極管接收不到光傳輸?shù)男盘?。?jīng)過反復(fù)實驗與測量對比，發(fā)現(xiàn)電壓稍高一些，或者工作時間稍長一些，半導(dǎo)體激光器就燒壞了，所以，發(fā)光強度變?nèi)酢６疫@一套半導(dǎo)體激光器的光發(fā)射與光接收器件價格也比較貴，一套價格在100 元左右。所以光纖通信實驗箱不適合采用半導(dǎo)體激光器的光發(fā)射與光接收的器件。

圖2 半導(dǎo)體激光器的光發(fā)射與光接收器件圖
2．1．2 采用半導(dǎo)體二極管光發(fā)射與光接收
半導(dǎo)體激光器的光發(fā)射與光接收的問題主要是器件容易損壞、價格貴，為此，設(shè)計采用了價格比較低廉的半導(dǎo)體二極管( LED 光源) 以及光敏二極管。
單模光纖價格貴，并且容易損壞，為此設(shè)計采用價格低廉的塑料光纖。改進(jìn)后的光纖通信實驗箱實物圖，如圖3 所示。
 
圖3 采用LED 光發(fā)射的光纖通信實驗箱實物圖
2．2 其他改進(jìn)
由于LED 也有電壓限制，超過一定的電壓后LED 燈也容易燒壞。為此，增加了限壓電阻，防止電壓過高燒壞LED 燈。預(yù)留了直接將光發(fā)射的信號引入光接收的跳線接頭，可以進(jìn)行電－電傳輸與光纖傳輸?shù)膶Ρ葘嶒灐?br />由于采用本實驗箱已經(jīng)可以完成較多的實驗，而且實驗過程中還需要用到示波器、萬用表、工具箱等，所需的實驗臺面積比較大，所以再擺放計算機進(jìn)行相應(yīng)的實驗不太合理。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(shè)計的語音采集模塊和語音還原模塊電路比較簡單，噪音較大，效果不明顯。為此，對這兩個模塊進(jìn)行了一定的改進(jìn)，增加了放大倍數(shù)，增加了抑制噪聲的功能，改進(jìn)后的語音光纖傳輸效果明顯得到改善。
2．3 預(yù)期效果
通過對現(xiàn)有光纖通信實驗箱進(jìn)行改進(jìn)與設(shè)計，增加了光纖傳輸部分，使學(xué)生對光纖通信有了直觀的印象; 通過實驗與理論結(jié)合，對光纖通信理論的理解有了進(jìn)一步的加深。設(shè)計了限流電阻，可以防止電壓過高燒壞LED 燈，刪去了計算機接口模塊，將實驗電路板進(jìn)行重新布局，加大元器件之間的間距，便于進(jìn)行實驗與測量。增加了語音采集模塊和語音還原模塊電路的放大倍數(shù)，抑制了噪音，使語音光纖傳輸效果明顯改善。將容易損壞的測量點采用比較結(jié)實耐用的材料，確保了實驗箱的耐用性。采用改進(jìn)后的實驗箱，不但能使學(xué)生對光纖通信實驗有直觀的印象，而且實驗效果明顯也增強了學(xué)生對實驗的信心與興趣。
3 結(jié)語
在現(xiàn)有光纖通信實驗箱的基礎(chǔ)上，對缺損的光纖通信部分進(jìn)行了設(shè)計與改造。首先采用了帶尾纖的半導(dǎo)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，實驗效果好。
但是，由于這一套裝置價格相對而言比較貴，而且易于損壞，不利于學(xué)生進(jìn)行自主實驗。為此，重新進(jìn)行了設(shè)計，新的設(shè)計改用半導(dǎo)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，實驗效果好，而且這套裝置價格較低廉，比較適合學(xué)生進(jìn)行實驗。為了防止電壓過高，燒壞LED，在原有電路的基礎(chǔ)上設(shè)計了限壓保護電路。同時改進(jìn)了語音采集與語音還原電路，使語音傳輸效果明顯，能激發(fā)學(xué)生的實驗信心與興趣。刪去了長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)行實驗與測量。