光纖通信實驗箱的改進

1 現有實驗裝置
本實驗中心光纖通信實驗與我院現有的光電技術實驗、光纖技術實驗保持著較好的分工與協作，承擔了光電技術方面的一系列的實驗與實踐課程。
光電技術實驗主要包括: 光源基礎知識實驗; 發光二極管( 光源) 的照度標定實驗; 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( 接近開關) 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，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－ 電流特性曲線測試，LD/LED 輸出光譜特性測試，LD 遠場特性測試。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。光通信系統基礎實驗，包括:光發送模塊實驗，光接收模塊實驗，波分復用( WDM) 光纖通信系統實驗。
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，還包括設計性綜合實驗，實驗時間長( 一般需要12～15 天) ，內容豐富，是學生進行了光電技術實驗、光纖技術實驗之后進行的生產實習實驗。

圖1 現有實驗箱結構示意圖
1．1 裝置的結構與布局
現有光纖通信實驗箱根據光纖通信實驗的內容，為了利于學生理解實驗現象后面的本質，實驗箱( 如圖1 所示) 進行模塊化設計，共分9 個模塊: 電源、模擬函數發生器、計算機接口、語音采集、語音還原、CMI 編譯碼、偽隨機碼序列發生器、光發射和光接收。
( 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) 模擬函數發生器模塊: 產生SQ 方波、SIN正弦波、TＲI 三角波，并能通過電位器的調節實現失真、頻率、占空比以及振幅的調節。
( 3) 偽隨機碼序列發生器: 將時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，易于定時提取，因此在低速系統中選為傳輸碼型。
( 5) 光發射模塊: 光發射部分由驅動電路和半導體二極管( LED) 組成。驅動電路對光源進行幅度調制，把需傳輸的信號調制到光載波上。( 實際上，由于LED 已經燒壞，只能用導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損壞，只能直接用導線將光發射信號引入過來。)
( 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行以下方面的實驗:
( 1) 簡單模擬光纖通信系統實驗;
( 2) 簡單的數字光纖通信實驗;
( 3) CMI 編碼的數字光纖通信系統實驗;
( 4) 光纖通信系統指標測試實驗;
( 5) 語音光纖通信系統實驗;
( 6) 基于光纖傳輸的模擬語音通信系統的設計;
( 7) 基于光纖傳輸的數字通信系統的設計;
( 8) 基于PCM 調制的單向數字語音傳輸系統的設計等。
其中前面5 個實驗為普通的驗證性實驗，后面3 個為綜合設計性實驗。實現了一套實驗設備能進行多個實驗的功能，并且能同時進行普通驗證性實驗與綜合設計性實驗。
通過利用光纖通信實驗箱進行實驗，可以鍛煉學生如下幾個方面的能力:
( 1) 學習使用萬用表對各種元件以及電路進行測試;
( 2) 了解各種芯片的原理以及應用;
( 3) 學會使用示波器對各種信號進行觀察與測量分析;
( 4) 進行電路設計與調試的綜合實踐;
( 5) 鍛煉分析和解決電路、光學等問題的能力;
( 6) 直觀地理解光纖通信原理。
2 結構改進
現有的光纖通信實驗箱布局和實驗內容的安排總體而言比較合理。但現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，存在實驗箱壞損嚴重、缺少光纖傳輸部分，語音系統方面的實驗效果不明顯，長期沒有開設，計算機接口模塊幾乎長期沒有使用等不足。而且，原廠家已不再進行此產品的生產。為此，在現有實驗箱的基礎上對光纖通信實驗箱進行了改進與設計。
2．1 光傳輸改進
由于現有的光纖通信實驗箱中沒有光纖傳輸的部分，光發射與光接收部分的信號傳輸是依靠導線直接將光發射模塊的信號引入光接收模塊的。學生根本看不到光纖通信的實驗現象，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行改進時，重點對光纖傳輸部分進行了設計。
2．1．1 采用半導體激光器光發射與光接收
光纖傳輸部分設計首先采用市面上能購買的半導體激光器進行光發射，光纖傳輸與光敏三極管進行光接收的整套器件。如圖2 所示。
在實驗調試過程中發現此裝置效果較好，但是，加載的信號電壓稍高一些，或者工作時間稍長一些，半導體激光器發出的激光就突然變得很弱，經過光纖傳輸后，光敏三極管接收不到光傳輸的信號。經過反復實驗與測量對比，發現電壓稍高一些，或者工作時間稍長一些，半導體激光器就燒壞了，所以，發光強度變弱。而且這一套半導體激光器的光發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體激光器的光發射與光接收的器件。

圖2 半導體激光器的光發射與光接收器件圖
2．1．2 采用半導體二極管光發射與光接收
半導體激光器的光發射與光接收的問題主要是器件容易損壞、價格貴，為此，設計采用了價格比較低廉的半導體二極管( LED 光源) 以及光敏二極管。
單模光纖價格貴，并且容易損壞，為此設計采用價格低廉的塑料光纖。改進后的光纖通信實驗箱實物圖，如圖3 所示。
 
圖3 采用LED 光發射的光纖通信實驗箱實物圖
2．2 其他改進
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。預留了直接將光發射的信號引入光接收的跳線接頭，可以進行電－電傳輸與光纖傳輸的對比實驗。
由于采用本實驗箱已經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行相應的實驗不太合理。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，對這兩個模塊進行了一定的改進，增加了放大倍數，增加了抑制噪聲的功能，改進后的語音光纖傳輸效果明顯得到改善。
2．3 預期效果
通過對現有光纖通信實驗箱進行改進與設計，增加了光纖傳輸部分，使學生對光纖通信有了直觀的印象; 通過實驗與理論結合，對光纖通信理論的理解有了進一步的加深。設計了限流電阻，可以防止電壓過高燒壞LED 燈，刪去了計算機接口模塊，將實驗電路板進行重新布局，加大元器件之間的間距，便于進行實驗與測量。增加了語音采集模塊和語音還原模塊電路的放大倍數，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實耐用的材料，確保了實驗箱的耐用性。采用改進后的實驗箱，不但能使學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生對實驗的信心與興趣。
3 結語
在現有光纖通信實驗箱的基礎上，對缺損的光纖通信部分進行了設計與改造。首先采用了帶尾纖的半導體激光器進行光發射和帶尾纖的光敏三極管進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，不利于學生進行自主實驗。為此，重新進行了設計，新的設計改用半導體二極管( LED) 進行光發射，光敏二極管進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，比較適合學生進行實驗。為了防止電壓過高，燒壞LED，在原有電路的基礎上設計了限壓保護電路。同時改進了語音采集與語音還原電路，使語音傳輸效果明顯，能激發學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，便于學生進行實驗與測量。