光纖語(yǔ)音電路的設(shè)計(jì)詳解—電路圖天天讀（256）

　　光纖語(yǔ)音電路就是把語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)光纖遠(yuǎn)距離傳輸之后在接收端經(jīng)光電檢測(cè)、放大器恢復(fù)為原始信號(hào)的電路。光纖通信系統(tǒng)是以光為載波，利用純度極高的玻璃拉制成極細(xì)的光導(dǎo)纖維作為傳輸媒介，通過(guò)光電變換，用光來(lái)傳輸信息的通信系統(tǒng)。目前，光纖光纜在我國(guó)通信網(wǎng)中已成為主流傳輸介質(zhì)，光纜線路工程、光纖通信設(shè)備投資比重也越來(lái)越大，光纖通信技術(shù)已成為支撐通信業(yè)務(wù)網(wǎng)最重要的通信技術(shù)之一。隨著國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)和通信業(yè)的飛速發(fā)展，光纖通信成為了現(xiàn)代通信的支柱， “信息高速公路”的骨干，光纖通信在現(xiàn)實(shí)生活中已得到了廣泛的應(yīng)用，它作為一種新技術(shù)、新發(fā)展，將推動(dòng)人類社會(huì)的文明進(jìn)步和發(fā)展。

　　1、光纖通信系統(tǒng)的基本組成

　　最基本的光纖通信系統(tǒng)由數(shù)據(jù)源、光發(fā)送端、光學(xué)信道和光接收機(jī)組成。其中數(shù)據(jù)源包括所有的信號(hào)源，它們是話音、圖象、數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)經(jīng)過(guò)信源編碼所得到的信號(hào)；光發(fā)送機(jī)和調(diào)制器則負(fù)責(zé)將信號(hào)轉(zhuǎn)變成適合于在光纖上傳輸?shù)墓庑盘?hào)，先后用過(guò)的光波有 0.85、1.31 和 1.55 三個(gè)低損耗窗口。光學(xué)信道包括最基本的光纖，還有中繼放大器 EDFA 等；而光學(xué)接收機(jī)則接收光信號(hào)，并從中提取信息，然后轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，最后得到對(duì)應(yīng)的話音、圖象、數(shù)據(jù)等信息。在光纖通信系統(tǒng)中，光纖中傳輸?shù)氖嵌M(jìn)制光脈沖“0”碼和“1”碼，它由二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行通斷調(diào)制而產(chǎn)生。而數(shù)字信號(hào)是對(duì)連續(xù)變化的模擬信號(hào)進(jìn)行抽樣、量化和編碼產(chǎn)生的，稱為 PCM（pulse code modulation），即脈沖編碼調(diào)制。這種電的數(shù)字信號(hào)稱為數(shù)字基帶信號(hào)，由 PCM 電端機(jī)產(chǎn)生。光纖通信系統(tǒng)的基本組成原理圖如下圖 1 所示：

　　1.1 光發(fā)射端機(jī)

　　光發(fā)射機(jī)是實(shí)現(xiàn)電 / 光轉(zhuǎn)換的光端機(jī)。它由光源、驅(qū)動(dòng)器和調(diào)制器組成。其功能是將來(lái)自于電端機(jī)的電信號(hào)對(duì)光源發(fā)出的光波進(jìn)行調(diào)制，成為已調(diào)光波，然后再將已調(diào)的光信號(hào)耦合到光纖或光纜中傳輸。電端機(jī)就是常規(guī)的電子通信設(shè)備。光發(fā)射機(jī)的原理圖如下圖 2 所示：

　　光源是光發(fā)射機(jī)的核心，其性能好壞將對(duì)光纖通信系統(tǒng)產(chǎn)生很大的影響。目前光纖通信系統(tǒng)使用的光源都是由半導(dǎo)體材料制成的，而半導(dǎo)體光源分兩種：發(fā)光管 LED 和激光管 LD。由于半導(dǎo)體激光器發(fā)出的是激光，發(fā)光功率大、譜線寬度窄，但電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，溫度特性差。而半導(dǎo)體發(fā)光二極管發(fā)出的是熒光，發(fā)光功率不大，譜線寬度寬，但電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)、價(jià)格便宜。在實(shí)驗(yàn)室中經(jīng)常用到。

　　1.2 光纖或光纜

　　光纖作為傳輸媒介，作用是將發(fā)射端機(jī)光源發(fā)出的光信號(hào)，經(jīng)遠(yuǎn)距離傳輸后耦合到接收端機(jī)的檢測(cè)器，完成信息傳輸任務(wù)。在通信中使用的光纖通常是由石英玻璃制成的，由纖芯和包層組成。目前，塑料光纖應(yīng)用于低速、短距離的傳輸中。其構(gòu)成光纖的纖芯與包層都是塑料材料。與大芯徑 50/125 和 的石英玻璃多模光纖相比，塑料光纖的芯徑高達(dá) ，其接續(xù)時(shí)可使用不帶光纖定位套筒的便直注塑塑料連接器，即便是光纖接續(xù)中芯對(duì)準(zhǔn)產(chǎn)生偏差都不會(huì)影響耦合損耗。正是塑料光纖結(jié)構(gòu)賦予了其施工快捷，接續(xù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。另外，芯徑 或更大則能夠消除在石英玻璃多模光纖中存在的模間噪音。

　　1.3 中繼器

　　含有光中繼器的光纖傳輸系統(tǒng)成為光纖中繼通信。光信號(hào)在光纖中傳輸一定的距離后，由于受到光纖衰減和色散的影響會(huì)產(chǎn)生能量衰減和波形失真，為保證通信質(zhì)量，必須對(duì)衰減和失真達(dá)到一定程度的光信號(hào)及時(shí)進(jìn)行放大和恢復(fù)。中繼器由光檢測(cè)器、光源和判決再生電路組成。它的作用有兩個(gè)：一個(gè)是補(bǔ)償光信號(hào)在光纖中傳輸時(shí)受到的衰減；另一個(gè)是對(duì)波形失真的脈沖進(jìn)行整形。

　　1.4 光纖連接器、耦合器等無(wú)源器件

　　由于光纖或光纜的長(zhǎng)度受光纖拉制工藝和光纜施工條件的限制，且光纖的拉制長(zhǎng)度也是有限度的（如 1Km）。因此一條光纖線路可能存在多根光纖相連接的問(wèn)題。于是，光纖間的連接、光纖與光端機(jī)的連接及耦合，對(duì)光纖連接器、耦合器等無(wú)源器件的使用是必不可少的。

　　1.5 光接收端機(jī)

　　光收信機(jī)是實(shí)現(xiàn)光 / 電轉(zhuǎn)換的光端機(jī)。它由光檢測(cè)器和光放大器組成。其功能是將光纖或光纜傳輸來(lái)的光信號(hào)，經(jīng)光檢測(cè)器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，然后，再將這微弱的電信號(hào)經(jīng)放大電路放大到足夠的電平，送到接收端的電端汲去。光接收機(jī)原理圖如下圖 3 所示：

　　2、光纖語(yǔ)音電路設(shè)計(jì)

　　光纖語(yǔ)音電路由三部分組成：光發(fā)射電路、光纖和光接收電路。其工作原理是：音頻信號(hào)最初是聲波，由發(fā)送器的電子麥克風(fēng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。此信號(hào)由 LM358 組成的音頻放大器放大，并且借助于一個(gè)單獨(dú)的晶體管控制 LED 的端電壓，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。光信號(hào)送入光纖或光纜。在光纖或光纜的另一端，光信號(hào)照射到接收器的光電檢測(cè)器上。光電檢測(cè)器再將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。此信號(hào)被放大并送入揚(yáng)聲器轉(zhuǎn)換為聲波恢復(fù)為原始信號(hào)。

　　2.1 發(fā)射器電路板

　　此電路主要是把音頻信號(hào)經(jīng)麥克風(fēng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)濾波器、多級(jí)放大器把微弱的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合半導(dǎo)體二極管發(fā)光的電壓信號(hào)，在晶體管的調(diào)制下把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)送入光纖中進(jìn)行傳輸。在發(fā)射器電路上有一個(gè)話筒和調(diào)制 LED 發(fā)光的線路。LED 裝在塑料殼中以便于連接光纖或光纜進(jìn)行發(fā)送信號(hào)。在實(shí)驗(yàn)室里設(shè)計(jì)操作可以使用 200m 長(zhǎng)的塑料光纖傳送語(yǔ)音信號(hào)，也可以使用玻璃光纖在更遠(yuǎn)的距離內(nèi)通信。光纖語(yǔ)音發(fā)射器電路如下圖 4 所示：

　　2.2 光電接收器電路板

　　在接收器電路板上通過(guò)光電檢測(cè)器把光纖傳輸?shù)奈⑷醯墓庑盘?hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)電容濾波、運(yùn)算放大器放大，把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，放大到適合揚(yáng)聲器輸出的電壓，恢復(fù)原始的語(yǔ)音信號(hào)。光纖語(yǔ)音接收電路如圖 5 所示。

　　編輯點(diǎn)評(píng)：本文詳細(xì)的介紹了光纖通信系統(tǒng)的組成，為設(shè)計(jì)光纖語(yǔ)音傳輸電路提供理論基礎(chǔ)。在該電路系統(tǒng)中語(yǔ)音信號(hào)以光波形式在光纜內(nèi)傳輸、不受任何電場(chǎng)和磁場(chǎng)的影響。傳輸距離遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)。每個(gè)電路板需要一個(gè) 9V 電池，元件簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)室就能操作完成。
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