光纖通訊演示實驗儀的制備及應(yīng)用

劉 慧，邊 健，豐 遠，謝 瑜，曾貴平

在幾何光學(xué)中，光的全反射是指光由光密介質(zhì)照射到光疏介質(zhì)的界面時全部被反射回原介質(zhì)內(nèi)的現(xiàn)象.從具體應(yīng)用來看，光導(dǎo)纖維便是較為典型的案例.光導(dǎo)纖維在結(jié)構(gòu)上有中心和外皮兩種不同介質(zhì)，光在均勻透明的玻璃或塑料棒的光滑內(nèi)壁上傳播時，即使棒是彎曲的，它借助于接連不斷的全反射，也可以從一端傳導(dǎo)到另一端，同時保證光線不會泄漏到光導(dǎo)纖維外，如圖1 所示.當棒的截面直徑很小，甚至小到數(shù)微米數(shù)量級，傳導(dǎo)效果也不會改變，這種導(dǎo)光的細玻璃絲或塑料絲稱為光導(dǎo)纖維，簡稱光纖［1］.

圖1 光導(dǎo)纖維示意圖

在日常生活中，與電在電線中的傳導(dǎo)相比，光在光纖中的傳導(dǎo)損耗要小得多.近年來，隨著光的全反射原理在工程實踐等應(yīng)用技術(shù)方面的積極開展，光通信技術(shù)也進一步得到良好的應(yīng)用，在越來越多的領(lǐng)域中呈現(xiàn)出較好的應(yīng)用效果，對人們?nèi)粘Ｉ畹挠绊懺絹碓酱?

光纖通信技術(shù)就是通過光學(xué)纖維傳輸信息的通信技術(shù).發(fā)射端發(fā)出的光信號通過光纖傳輸?shù)竭h方的接收端，經(jīng)光電二極管等轉(zhuǎn)換解調(diào)后恢復(fù)原信息，從而實現(xiàn)信號的光電轉(zhuǎn)換［2］.如圖2 所示.

圖2 模擬光纖傳輸系統(tǒng)

在教學(xué)中，通過光通信知識的系統(tǒng)講述，使得學(xué)生對此形成較為清晰的認識，這是本科階段的重點教學(xué)目標.從實際教學(xué)的開展情況來看，演示性實驗是較為常見的實驗形式，有利于學(xué)生對實驗內(nèi)容的理解和吸收，并且在學(xué)習(xí)效果方面也能夠起到較好的推動作用，尤其是開放性演示實驗，可以讓學(xué)生自己動手，在培養(yǎng)學(xué)生實驗技能和開拓創(chuàng)新精神等方面顯示出其獨特的魅力［3］.實驗儀器又是較為常見的教學(xué)工具，通過實驗儀器的展示，學(xué)生可以清晰地理解與掌握實驗現(xiàn)象，然而很多實驗儀器的售價較高，又不易改進，使得一些高校在開展實驗教學(xué)過程中遇到很多困難.為此，在實際教學(xué)中，學(xué)校常常呼吁師生積極開展研制和改進工作，進一步緩解由各種原因造成的教學(xué)困境.例如，石家莊學(xué)院的于京生等人利用收音機制作了激光通信演示器［4］；濱州學(xué)院的史志勇等人設(shè)計制造了一款簡易的激光通信演示實驗儀，可以直觀地演示激光通信技術(shù)的原理［5］；楚雄師范學(xué)院的邱泰光等人使用TDA2822M 集成電路及外圍元件制作了光通信演示儀［6］；中國石油大學(xué)（華東）的胡珊珊等人設(shè)計與研制了LED可見光通信演示實驗裝置［7］；廣西民族大學(xué)的韋早春研制了多通道光纖通信教學(xué)實驗儀［8］.筆者根據(jù)多年的教學(xué)經(jīng)驗，參考上述文獻及相關(guān)教材［9-10］中的做法，制備并改進了一臺光纖通訊演示實驗儀，以用于實際教學(xué).該實驗裝置外觀簡潔、制作成本較低，而且便于攜帶，教師可以在課堂上直觀演示聲音信號光纖通訊的傳輸功能.另外，學(xué)生還可以利用此裝置開展一些初步的研究，起到良好的實驗教學(xué)和科學(xué)研究的效果.

1 原理

一個音頻信號光纖傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如圖2 所示，從內(nèi)容構(gòu)成來看，它主要有三個重點組成部分：光信號發(fā)送器、光纖、光信號接收器.光信號發(fā)送器主要由光源器件發(fā)光二極管（LED）及其調(diào)制、驅(qū)動電路組成，它的作用是將待輸?shù)碾娦盘柦?jīng)電光轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換為光信號；光纖的作用是將發(fā)送端光信號以盡量小的衰減和失真?zhèn)魉偷焦庑盘柦邮斩?；光信號接收器主要由半?dǎo)體光電二極管（SPD）、I—V 變換及功放電路組成，主要作用是將光信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器件還原為相應(yīng)的電信號［9］.簡單來講，光纖傳輸?shù)倪^程是將聲音的電信號調(diào)制轉(zhuǎn)化為光信號，使得光載波能夠在光纖中實現(xiàn)良好的傳輸，最終將已調(diào)制的光信號還原成聲音的電信號，形成光通信的詳細演示，方便學(xué)生通過實驗活動形成更為感性的 認 識 和 理 解［8］.在 器 件 的 選 擇 上，選 取 了TDA2822M 功 放 電 路，TDA2822M 為8 腳 雙 列直插式封裝的雙通道單片功率放大集成電路，引腳見圖3，該功放電路具有電路簡單、音質(zhì)好、電壓范圍寬等特點，可應(yīng)用于立體聲以及橋式放大的電路［11］，也可以用來制作光纖通訊演示實驗儀［6］.參考文獻［6，11］和教材［9-10］中的方法，制作發(fā)射端電路和接收端電路，如圖4 和圖5 所示.

圖3 TDA2822M 的實物圖及引腳示意圖

圖4 發(fā)射端電路

圖5 接收端電路

2 組裝與演示

2.1 組裝

課題組與合肥明達科教電子儀器廠合作制備光纖通訊演示實驗儀一臺.制作時，根據(jù)相應(yīng)的電路圖將芯片TDA2822M 及外圍元件進行焊接處理.為了美觀起見，把電源、發(fā)射端和接收端焊接好置于一個小巧的密封盒子里，盒子正面留有光信號輸出、電信號輸入和音頻信號輸入插孔，同時安裝一個電位器旋鈕可以調(diào)節(jié)音頻信號的強度，盒子背面留有電源線插孔.面板如圖6 所示.用導(dǎo)線連接光信號輸出插孔，導(dǎo)線末端連接一個發(fā)光二極管；將光電二極管用導(dǎo)線連接在電信號輸入端，并將發(fā)光二極管和光電二極管放置在導(dǎo)軌兩端的支架上.其中光電二極管固定高度，發(fā)光二極管高度及角度可以調(diào)節(jié)，使左側(cè)發(fā)光二極管發(fā)出的光線能夠照射到右側(cè)光電二極管上，實驗系統(tǒng)組成如圖7 所示.將小型收錄機用導(dǎo)線插在音頻信號輸入插孔上，并通過音頻信號調(diào)節(jié)電位器調(diào)節(jié)聲音信號的強度.整個裝置如圖8 所示.

圖6 光纖通訊演示實驗儀面板圖

圖7 實驗系統(tǒng)組成示意圖

圖8 光纖通訊演示實驗儀整體圖形

2.2 演示

打開電源開關(guān)，將小型收錄機置于播放狀態(tài).適當調(diào)節(jié)導(dǎo)軌上左側(cè)發(fā)光二極管的高度和角度，并調(diào)節(jié)右側(cè)光電二極管的位置，盡量使接收端的光電二極管與發(fā)射端的發(fā)光二極管對準在一條直線上，即讓發(fā)光二極管發(fā)出的光直接照射在光電二極管上.適當調(diào)節(jié)光纖通訊演示實驗儀面板上的電位器就可聽到收錄機中播放的音樂.

圖9 用紙張遮擋光路，聲音信號立即停止

根據(jù)圖9 所示，通過增加A4 紙的方式阻斷了光路，從而使得音樂聲戛然而止，拿掉紙后，又會重新聽到音樂聲.由此可見，聲音信號與光的傳遞是息息相關(guān)的.對接收端光電二極管的位置進行調(diào)整，發(fā)現(xiàn)音樂聲呈現(xiàn)出不同的強弱變化，位置越遠，音樂聲越弱.將發(fā)射端與接收端放置成錯開一定角度，即不在一條直線上，光信號中斷，聽不到聲音，此時用一根光導(dǎo)纖維使其一端固定在發(fā)射端的發(fā)光二極管后方，另一端固定在接收端光電二極管前方，這時音樂聲又會重新出現(xiàn)（圖10），說明光信號在光纖中傳播.

圖10 用光纖連接發(fā)光二極管與光電二極管

2.3 傳輸距離與通信質(zhì)量的初步研究

利用此光纖通訊演示實驗儀開展傳輸距離與通信質(zhì)量的初步研究.在不加光纖的情況下，讓光信號在空氣中傳播，固定發(fā)射端發(fā)光二極管不動，調(diào)節(jié)接收端光電二極管的位置，即調(diào)節(jié)發(fā)光二極管與光電二極管之間的距離，用聲強計（圖11）測試光電二極管在不同位置處接收到的聲音信號的聲強級，測試的數(shù)據(jù)如表1 所示.用Origin 軟件作出空氣中的聲強級與距離之間的關(guān)系圖，如圖12 所示.

圖11 聲強計

根據(jù)朗伯-比爾定律，光在介質(zhì)中傳播時，由于材料對光波具有吸收和散射作用，會使光強在傳播過程中逐漸衰減，光強與距離之間的函數(shù)關(guān)系為：

式中α稱為吸收系數(shù)，x為光傳播的距離.

聲音強度與調(diào)制的光強成正比，這里用聲音強度代替光強，根據(jù)聲強級的定義

表1 不同位置處接收到的聲強級

可得：

由此可見，聲強級與傳播距離成正比關(guān)系.圖12 中擬合出直線的斜率b=-0.545，可以計算出聲強級在空氣中的衰減系數(shù)α=0.13（dB/cm）.

在加光纖的情況下，光纖入口處測得聲強級為64.7 dB，光纖出口處聲強級為64.6 dB，而整根光纖的長度為100 cm，可以計算出聲強級在光纖中的衰減系數(shù)α′=2.30×10-4（dB/cm）.比較兩種情況下的衰減系數(shù)可以看出，光在空氣中傳播衰減較大，在光纖中傳播衰減很小.由于光纖對信號的衰減很小，所以可以用光纖進行信號的遠距離傳輸.

3 結(jié)語

利用TDA2822M 集成模塊及外圍元件設(shè)計成光纖通訊演示實驗儀的發(fā)射端和接收端，結(jié)合小型收錄機，完成了光纖通訊演示實驗儀的改進制作，并對其進行調(diào)試與演示，還進行了傳輸距離與通信質(zhì)量的初步研究.該實驗裝置可以實現(xiàn)聲音信號光纖通訊的傳輸功能，直觀生動地演示了光纖通訊的過程.裝置制作成本低、演示簡單、輸出音頻信號無明顯失真，此演示實驗儀能夠滿足教師課堂演示和學(xué)生課后研究的需求，起到良好的實驗教學(xué)效果.