光纤通讯演示实验仪的制备及应用

刘 慧，边 健，丰 远，谢 瑜，曾贵平

在几何光学中，光的全反射是指光由光密介质照射到光疏介质的界面时全部被反射回原介质内的现象.从具体应用来看，光导纤维便是较为典型的案例.光导纤维在结构上有中心和外皮两种不同介质，光在均匀透明的玻璃或塑料棒的光滑内壁上传播时，即使棒是弯曲的，它借助于接连不断的全反射，也可以从一端传导到另一端，同时保证光线不会泄漏到光导纤维外，如图1 所示.当棒的截面直径很小，甚至小到数微米数量级，传导效果也不会改变，这种导光的细玻璃丝或塑料丝称为光导纤维，简称光纤［1］.

图1 光导纤维示意图

在日常生活中，与电在电线中的传导相比，光在光纤中的传导损耗要小得多.近年来，随着光的全反射原理在工程实践等应用技术方面的积极开展，光通信技术也进一步得到良好的应用，在越来越多的领域中呈现出较好的应用效果，对人们日常生活的影响越来越大.

光纤通信技术就是通过光学纤维传输信息的通信技术.发射端发出的光信号通过光纤传输到远方的接收端，经光电二极管等转换解调后恢复原信息，从而实现信号的光电转换［2］.如图2 所示.

图2 模拟光纤传输系统

在教学中，通过光通信知识的系统讲述，使得学生对此形成较为清晰的认识，这是本科阶段的重点教学目标.从实际教学的开展情况来看，演示性实验是较为常见的实验形式，有利于学生对实验内容的理解和吸收，并且在学习效果方面也能够起到较好的推动作用，尤其是开放性演示实验，可以让学生自己动手，在培养学生实验技能和开拓创新精神等方面显示出其独特的魅力［3］.实验仪器又是较为常见的教学工具，通过实验仪器的展示，学生可以清晰地理解与掌握实验现象，然而很多实验仪器的售价较高，又不易改进，使得一些高校在开展实验教学过程中遇到很多困难.为此，在实际教学中，学校常常呼吁师生积极开展研制和改进工作，进一步缓解由各种原因造成的教学困境.例如，石家庄学院的于京生等人利用收音机制作了激光通信演示器［4］；滨州学院的史志勇等人设计制造了一款简易的激光通信演示实验仪，可以直观地演示激光通信技术的原理［5］；楚雄师范学院的邱泰光等人使用TDA2822M 集成电路及外围元件制作了光通信演示仪［6］；中国石油大学（华东）的胡珊珊等人设计与研制了LED可见光通信演示实验装置［7］；广西民族大学的韦早春研制了多通道光纤通信教学实验仪［8］.笔者根据多年的教学经验，参考上述文献及相关教材［9-10］中的做法，制备并改进了一台光纤通讯演示实验仪，以用于实际教学.该实验装置外观简洁、制作成本较低，而且便于携带，教师可以在课堂上直观演示声音信号光纤通讯的传输功能.另外，学生还可以利用此装置开展一些初步的研究，起到良好的实验教学和科学研究的效果.

1 原理

一个音频信号光纤传输系统的结构原理如图2 所示，从内容构成来看，它主要有三个重点组成部分：光信号发送器、光纤、光信号接收器.光信号发送器主要由光源器件发光二极管（LED）及其调制、驱动电路组成，它的作用是将待输的电信号经电光转换器件转换为光信号；光纤的作用是将发送端光信号以尽量小的衰减和失真传送到光信号接收端；光信号接收器主要由半导体光电二极管（SPD）、I—V 变换及功放电路组成，主要作用是将光信号经光电转换器件还原为相应的电信号［9］.简单来讲，光纤传输的过程是将声音的电信号调制转化为光信号，使得光载波能够在光纤中实现良好的传输，最终将已调制的光信号还原成声音的电信号，形成光通信的详细演示，方便学生通过实验活动形成更为感性的 认 识 和 理 解［8］.在 器 件 的 选 择 上，选 取 了TDA2822M 功 放 电 路，TDA2822M 为8 脚 双 列直插式封装的双通道单片功率放大集成电路，引脚见图3，该功放电路具有电路简单、音质好、电压范围宽等特点，可应用于立体声以及桥式放大的电路［11］，也可以用来制作光纤通讯演示实验仪［6］.参考文献［6，11］和教材［9-10］中的方法，制作发射端电路和接收端电路，如图4 和图5 所示.

图3 TDA2822M 的实物图及引脚示意图

图4 发射端电路

图5 接收端电路

2 组装与演示

2.1 组装

课题组与合肥明达科教电子仪器厂合作制备光纤通讯演示实验仪一台.制作时，根据相应的电路图将芯片TDA2822M 及外围元件进行焊接处理.为了美观起见，把电源、发射端和接收端焊接好置于一个小巧的密封盒子里，盒子正面留有光信号输出、电信号输入和音频信号输入插孔，同时安装一个电位器旋钮可以调节音频信号的强度，盒子背面留有电源线插孔.面板如图6 所示.用导线连接光信号输出插孔，导线末端连接一个发光二极管；将光电二极管用导线连接在电信号输入端，并将发光二极管和光电二极管放置在导轨两端的支架上.其中光电二极管固定高度，发光二极管高度及角度可以调节，使左侧发光二极管发出的光线能够照射到右侧光电二极管上，实验系统组成如图7 所示.将小型收录机用导线插在音频信号输入插孔上，并通过音频信号调节电位器调节声音信号的强度.整个装置如图8 所示.

图6 光纤通讯演示实验仪面板图

图7 实验系统组成示意图

图8 光纤通讯演示实验仪整体图形

2.2 演示

打开电源开关，将小型收录机置于播放状态.适当调节导轨上左侧发光二极管的高度和角度，并调节右侧光电二极管的位置，尽量使接收端的光电二极管与发射端的发光二极管对准在一条直线上，即让发光二极管发出的光直接照射在光电二极管上.适当调节光纤通讯演示实验仪面板上的电位器就可听到收录机中播放的音乐.

图9 用纸张遮挡光路，声音信号立即停止

根据图9 所示，通过增加A4 纸的方式阻断了光路，从而使得音乐声戛然而止，拿掉纸后，又会重新听到音乐声.由此可见，声音信号与光的传递是息息相关的.对接收端光电二极管的位置进行调整，发现音乐声呈现出不同的强弱变化，位置越远，音乐声越弱.将发射端与接收端放置成错开一定角度，即不在一条直线上，光信号中断，听不到声音，此时用一根光导纤维使其一端固定在发射端的发光二极管后方，另一端固定在接收端光电二极管前方，这时音乐声又会重新出现（图10），说明光信号在光纤中传播.

图10 用光纤连接发光二极管与光电二极管

2.3 传输距离与通信质量的初步研究

利用此光纤通讯演示实验仪开展传输距离与通信质量的初步研究.在不加光纤的情况下，让光信号在空气中传播，固定发射端发光二极管不动，调节接收端光电二极管的位置，即调节发光二极管与光电二极管之间的距离，用声强计（图11）测试光电二极管在不同位置处接收到的声音信号的声强级，测试的数据如表1 所示.用Origin 软件作出空气中的声强级与距离之间的关系图，如图12 所示.

图11 声强计

根据朗伯-比尔定律，光在介质中传播时，由于材料对光波具有吸收和散射作用，会使光强在传播过程中逐渐衰减，光强与距离之间的函数关系为：

式中α称为吸收系数，x为光传播的距离.

声音强度与调制的光强成正比，这里用声音强度代替光强，根据声强级的定义

表1 不同位置处接收到的声强级

可得：

由此可见，声强级与传播距离成正比关系.图12 中拟合出直线的斜率b=-0.545，可以计算出声强级在空气中的衰减系数α=0.13（dB/cm）.

在加光纤的情况下，光纤入口处测得声强级为64.7 dB，光纤出口处声强级为64.6 dB，而整根光纤的长度为100 cm，可以计算出声强级在光纤中的衰减系数α′=2.30×10-4（dB/cm）.比较两种情况下的衰减系数可以看出，光在空气中传播衰减较大，在光纤中传播衰减很小.由于光纤对信号的衰减很小，所以可以用光纤进行信号的远距离传输.

3 结语

利用TDA2822M 集成模块及外围元件设计成光纤通讯演示实验仪的发射端和接收端，结合小型收录机，完成了光纤通讯演示实验仪的改进制作，并对其进行调试与演示，还进行了传输距离与通信质量的初步研究.该实验装置可以实现声音信号光纤通讯的传输功能，直观生动地演示了光纤通讯的过程.装置制作成本低、演示简单、输出音频信号无明显失真，此演示实验仪能够满足教师课堂演示和学生课后研究的需求，起到良好的实验教学效果.