光纤通信实验箱的改进

1 现有实验装置
本实验中心光纤通信实验与我院现有的光电技术实验、光纤技术实验保持着较好的分工与协作，承担了光电技术方面的一系列的实验与实践课程。
光电技术实验主要包括: 光源基础知识实验; 发光二极管( 光源) 的照度标定实验; 光敏电阻特性实验; 光敏二极管的特性实验; 透射式光电开关实验;光敏三极管特性实验; 硅光电池特性实验; 红外反射式光电开关( 接近开关) 实验; 光栅位移传感性能实验; PSD 位置传感器实验等。
光纤技术实验主要安排有光纤处理及其性能测试，包括: 光纤端面处理、耦合与焊接技术，光纤损耗谱测试，光纤数值孔径测试。光源性能测试，包括:LD/LED 功率－ 电流及电压－ 电流特性曲线测试，LD/LED 输出光谱特性测试，LD 远场特性测试。光器件性能测试，包括: 光纤耦合器的原理及性能测试，掺铒光纤放大器( EDFA) 的性能测试，掺铒光纤激光器( EDFL) 实验。光通信系统基础实验，包括:光发送模块实验，光接收模块实验，波分复用( WDM) 光纤通信系统实验。
光纤通信实验依靠光纤通信实验箱，可以完成多个实验，既包括验证性实验，还包括设计性综合实验，实验时间长( 一般需要12～15 天) ，内容丰富，是学生进行了光电技术实验、光纤技术实验之后进行的生产实习实验。

图1 现有实验箱结构示意图
1．1 装置的结构与布局
现有光纤通信实验箱根据光纤通信实验的内容，为了利于学生理解实验现象后面的本质，实验箱( 如图1 所示) 进行模块化设计，共分9 个模块: 电源、模拟函数发生器、计算机接口、语音采集、语音还原、CMI 编译码、伪随机码序列发生器、光发射和光接收。
( 1) 电源模块: 主要功能是给实验箱中的所有模块供电，并提供GND、+5V、+12V 和－12V 电压。
( 2) 模拟函数发生器模块: 产生SQ 方波、SIN正弦波、TＲI 三角波，并能通过电位器的调节实现失真、频率、占空比以及振幅的调节。
( 3) 伪随机码序列发生器: 将时钟信号转变成某一特定的序列信号，也就是伪随机码序列信号。
( 4) CMI 编译码模块: CMI 码即传号翻转码，“1”交替地用“00”和“11”来表示，而“0”则固定用“01”来表示，因此把信号从1 位( bit) 变成2 位( bit) 。这种码的特点是有一定的纠错能力，并且易于实现，易于定时提取，因此在低速系统中选为传输码型。
( 5) 光发射模块: 光发射部分由驱动电路和半导体二极管( LED) 组成。驱动电路对光源进行幅度调制，把需传输的信号调制到光载波上。( 实际上，由于LED 已经烧坏，只能用导线直接把电信号引入到光接收模块。)
( 6) 光接收模块: 光接收部分由光探测器、信号放大电路组成。( 由于光敏二极管已经损坏，只能直接用导线将光发射信号引入过来。)
( 7) 语音采集模块: 采用话筒将语音输入，把语音信号转化成电信号，采用放大电路将电信号放大。
( 8) 语音还原模块: 经过前级光接收模块对信号放大，采用听筒将语音信号还原输出。
( 9) 计算机接口模块: 采用导线将计算机上的控制信息输入到计算机接口模块。
1．2 装置的功能
光纤通信实验借助于光纤通信实验箱可进行以下方面的实验:
( 1) 简单模拟光纤通信系统实验;
( 2) 简单的数字光纤通信实验;
( 3) CMI 编码的数字光纤通信系统实验;
( 4) 光纤通信系统指标测试实验;
( 5) 语音光纤通信系统实验;
( 6) 基于光纤传输的模拟语音通信系统的设计;
( 7) 基于光纤传输的数字通信系统的设计;
( 8) 基于PCM 调制的单向数字语音传输系统的设计等。
其中前面5 个实验为普通的验证性实验，后面3 个为综合设计性实验。实现了一套实验设备能进行多个实验的功能，并且能同时进行普通验证性实验与综合设计性实验。
通过利用光纤通信实验箱进行实验，可以锻炼学生如下几个方面的能力:
( 1) 学习使用万用表对各种元件以及电路进行测试;
( 2) 了解各种芯片的原理以及应用;
( 3) 学会使用示波器对各种信号进行观察与测量分析;
( 4) 进行电路设计与调试的综合实践;
( 5) 锻炼分析和解决电路、光学等问题的能力;
( 6) 直观地理解光纤通信原理。
2 结构改进
现有的光纤通信实验箱布局和实验内容的安排总体而言比较合理。但现有的光纤通信实验箱均购置于2000 年，使用年限长，而且每年使用的人次多，存在实验箱坏损严重、缺少光纤传输部分，语音系统方面的实验效果不明显，长期没有开设，计算机接口模块几乎长期没有使用等不足。而且，原厂家已不再进行此产品的生产。为此，在现有实验箱的基础上对光纤通信实验箱进行了改进与设计。
2．1 光传输改进
由于现有的光纤通信实验箱中没有光纤传输的部分，光发射与光接收部分的信号传输是依靠导线直接将光发射模块的信号引入光接收模块的。学生根本看不到光纤通信的实验现象，更谈不上通过实验理解光纤通信的原理。这也是本实验箱的主要缺陷所在。为此对光纤通信实验箱进行改进时，重点对光纤传输部分进行了设计。
2．1．1 采用半导体激光器光发射与光接收
光纤传输部分设计首先采用市面上能购买的半导体激光器进行光发射，光纤传输与光敏三极管进行光接收的整套器件。如图2 所示。
在实验调试过程中发现此装置效果较好，但是，加载的信号电压稍高一些，或者工作时间稍长一些，半导体激光器发出的激光就突然变得很弱，经过光纤传输后，光敏三极管接收不到光传输的信号。经过反复实验与测量对比，发现电压稍高一些，或者工作时间稍长一些，半导体激光器就烧坏了，所以，发光强度变弱。而且这一套半导体激光器的光发射与光接收器件价格也比较贵，一套价格在100 元左右。所以光纤通信实验箱不适合采用半导体激光器的光发射与光接收的器件。

图2 半导体激光器的光发射与光接收器件图
2．1．2 采用半导体二极管光发射与光接收
半导体激光器的光发射与光接收的问题主要是器件容易损坏、价格贵，为此，设计采用了价格比较低廉的半导体二极管( LED 光源) 以及光敏二极管。
单模光纤价格贵，并且容易损坏，为此设计采用价格低廉的塑料光纤。改进后的光纤通信实验箱实物图，如图3 所示。
 
图3 采用LED 光发射的光纤通信实验箱实物图
2．2 其他改进
由于LED 也有电压限制，超过一定的电压后LED 灯也容易烧坏。为此，增加了限压电阻，防止电压过高烧坏LED 灯。预留了直接将光发射的信号引入光接收的跳线接头，可以进行电－电传输与光纤传输的对比实验。
由于采用本实验箱已经可以完成较多的实验，而且实验过程中还需要用到示波器、万用表、工具箱等，所需的实验台面积比较大，所以再摆放计算机进行相应的实验不太合理。为此，删除了需要计算机辅助才有用的计算机接口模块部分。
以往设计的语音采集模块和语音还原模块电路比较简单，噪音较大，效果不明显。为此，对这两个模块进行了一定的改进，增加了放大倍数，增加了抑制噪声的功能，改进后的语音光纤传输效果明显得到改善。
2．3 预期效果
通过对现有光纤通信实验箱进行改进与设计，增加了光纤传输部分，使学生对光纤通信有了直观的印象; 通过实验与理论结合，对光纤通信理论的理解有了进一步的加深。设计了限流电阻，可以防止电压过高烧坏LED 灯，删去了计算机接口模块，将实验电路板进行重新布局，加大元器件之间的间距，便于进行实验与测量。增加了语音采集模块和语音还原模块电路的放大倍数，抑制了噪音，使语音光纤传输效果明显改善。将容易损坏的测量点采用比较结实耐用的材料，确保了实验箱的耐用性。采用改进后的实验箱，不但能使学生对光纤通信实验有直观的印象，而且实验效果明显也增强了学生对实验的信心与兴趣。
3 结语
在现有光纤通信实验箱的基础上，对缺损的光纤通信部分进行了设计与改造。首先采用了带尾纤的半导体激光器进行光发射和带尾纤的光敏三极管进行信号的接收以及单模光纤传输，实验效果好。
但是，由于这一套装置价格相对而言比较贵，而且易于损坏，不利于学生进行自主实验。为此，重新进行了设计，新的设计改用半导体二极管( LED) 进行光发射，光敏二极管进行光接收以及塑料光纤传输，实验效果好，而且这套装置价格较低廉，比较适合学生进行实验。为了防止电压过高，烧坏LED，在原有电路的基础上设计了限压保护电路。同时改进了语音采集与语音还原电路，使语音传输效果明显，能激发学生的实验信心与兴趣。删去了长期不用的计算机接口模块，将电路板重新布局，使元器件之间的间隔增大，便于学生进行实验与测量。