模拟光纤通信系统

课程设计报告书一、设计题目：模拟光纤通信系统二、设计要求：运用光纤通信以及模拟电路的知识实现模拟信号（要求频率1~3MHZ）的光纤通信系统。信号发生器：产生2MHz的正弦模拟信号，要求其能直接连在发射电路上时，发射电路能把它发射出去。模拟光发射电路：信号的发射由发光二极管（LED）实现。LED是电流驱动的，要求交流电流：50--70(mA)之间，直流电流：50mA左右的模拟光发射电路。模拟光接收电路：光信号的接收由光电二极管（PIN）实现。设计的电路要求能够稳定准确地发射并接收信号。三、分析设计：1、实验原理我们设计的是模拟光纤通信系统。既然是通信系统，那就包括通信系统的所有的模块，如信源、调制、信道、解调、信宿五大模块。对于光纤通信系统，又有其特殊性，是因为载波为光波。信源用信号发生器产生的电信号来代替，而调制是用光发射机把电信号调制到光频上发射出去，信道是光纤，解调用光接收机来代替，信宿是信号的使用者，这里不考虑。光发射机的基本功能是将携带信息的电信号转换成光信号，并将光信号送入光纤中。为了实现这一功能，发光射机要有适合的光源及其驱动电路以及一些使系统正常、可靠工作的辅助控制电路组成。我们是用电信号调制光的强度把信号发射出去的。光源要求其产生的光波能够在光纤中低损耗低色散传输，并切其产生的光能够尽可能的耦合在光纤中，且易于调制，工作可靠信高。可用半导体激光器（LD）和发光二极管（LED）作为光源。这里用发光二极管（LED）作光源。但要特别注意：发光二极管（LED）的电压不得高于+5V,同时要防止静电！所以上光时要带防止静电的手镯。发光二极管的P－I特性：指的时输出的光功率随注入电流的变化关系。当注入电流较小时，线性度非常好；但当注入电流较大时，由于PN结的发热，发光效率降低，出现了饱和现象。同样的注入电流下，面发光二极管输出功率比边发光二极管大2.5～3倍。是因为边发光二极管受到更多的吸收和界面复合的影响。在通常应用条件下，发光二极管的工作电流为50～150ｍA，输出功率为几个毫瓦。温度对发光二极管的P—I特性也有影响，当温度升高时，同一电流下的发射功率要降低。但其温度特性相对较好，在实际应用中，一般可以不加温度控制。信道是光纤，以给出。光接收机的基本功能是将携带信息的光信号转换成电信号，由光检测电路，低噪声前置放大，主放大电路等组成。要求其有足够快的响应度，尽可能低的噪声，良好的线性关系，较小的体积和较长的工作寿命等。光检测电路一般用光电二极管（PIN）实现光电信号转换的，把PN结中间加入本征材料I,是因为其吸收系数很小，能形成很宽的耗尽层，提高光电转换效率。低噪声前置放大，主放大电路由自己设计了。2．模块分解：1信号发生电路：这是一个f=2MHz的信号发生电路：电压是10伏，电容C1=0.05uF,是把振荡的电压信号引到基极，再用三极管把它放大，使之起振。C2=0.02uFC3=0.01uFL2=0.01uHC4=5pF和C1共同组成LC滤波电路，由于C4C3C2,起主要作用。信号发生电路波形如下：波形可以看出产生的频率为f=2MHz.2.光发射电路：8V电压时：由于LED是电流驱动的，要求交流电流：50--70(mA)之间，直流电流：50mA左右，R1是输入电阻，C1起到割直流用交流的作用，用两个二极管主要为LED得到大的电流。波形如下：由上图得知交流电压U1=2.645V交流电流I1=2.645V/28Ω=94.46mA直流电压U2=2.067V直流电流I2=2.067/28Ω=73.82mA光功率计测的发射光功率：Po=34.4dB电压有点高。改进后5V电压时：和电压为8伏的原理一样，就是把电压降为5伏。改进后5V电压时波形：由上图得知交流电压U1=1.412V交流电流I1=1.412V/22Ω=64.18mA直流电压U2=1.441V直流电流I2=1.441/26Ω=55.42mA符合设计要求。3光接收电路：光检测及前置放大电路、主放大电路：如上图R2和PIN(仿真用LED替带)组成检测电路把光信号转变为电信号，仿真用60mV的信号源替带。由于放大十几倍就够了，前置放大电路和主放大电路一块用两级放大电路来做。光检测及前置放大电路、主放大电路波形：由波形知放大倍数为T=Uo/Ui=1.248V/120mV=10.4,达到了设计要求。3：功能设计：发射机的功能是通过驱动电路驱动发光二极管（LED）将模拟电信号加载到光波上把信号发射出去。前置放大模块中的光电二极管（PIN）将接收到的光信号转换成电信号，前置放大模块实现降低信号噪声和初步放大的功能，主放大模块的功能是对电信号再次进行放大。4：元件参数选择：发光二极管（LED3M412）：波长1.31um(T=293K)输出功率50mA---25.7uw100mA---68.5uw150mA---100.7uw光电二极管（PIN）：型号PDDM981(T=293K)光敏面直径60um光谱响应范围1.1—1.6um响应度（波长1.3um）0.92A/W工作电压-5V电阻电容和三极管：电容为几个4.7uF、100uF三极管为BJT9018型四、实验调试调试：首先不加电源检查。对着仿真电路图和实际电路板检查连线是否正确；检查电路板连接是否良好，电解电容的极性是否正确，电源供电包括极性、信号源连线是否正确等。其次调解静态检测与调试断开信号源。把经过准确测量的电源接入电路，用万用表电压档监测电源电压，发现无异常情况出现；接下来分别测量各关键点直流电压，光发射电路二极管两端的电压大约为0.7V，放大电路输入、输出端直流电压等是在正常工作状态下。最后进行动态检测与调试。动态调试是在静态调试的基础上进行的，调试的方法地在电路的输入端加上所需的信号源，并循着信号的注射逐级检测各有关点的性能指标。分析：系统整体电路的构建是由三个模块构成的。搭建电路过程中也是一个一个电路逐步调试，然后再将其组合起来。在光发射机遇到的主要问题是通过发光二极管的电信号出现失真。这个问题主要是通过改变三极管Q1、Q2的静态工作点的位置以及发射极和集电极电阻的大小来达到要求的，由于三极管Q2的基极是一个放大了的电压信号，所以其静态工作点很难调解，这个问题经过我们的努力得到了一定的解决。开始时工作电压是8伏的，改进后的工作电压是5伏的，效果不错。光接收机是把检测到的光信号转换成电信号进行低噪声放大，由于我们开放性实验做过放大器，这不是什么问题，设计时把10mV的电压信号放大到1V左右，但是当接8V电压时检测到的电压信号是80mV，出现了失真问题，经过调节参数也得到了很好的解决,当接5V电压时检测到的电压信号不是很理想。最后一部分是设计一个信号发生器。设计出来了，担插板子地时候没有找到相应的电容和电感，结果频率没达到要求，这是很大的遗憾。五、设计结果设计的电路实现了模拟信号的光发射与光接收的功能。该电路的频带宽度为1MHz-3MHz，接收到的模拟信号与原信号相比放大了十几倍，高频时信号噪声干扰较大。交流电流：8V时：94.46mA5V时：64.18mA直流电流：8V时：73.82mA5V时：55.4mA发射光功率：8V时：34.4dB5V时：17.4dB接收：频率信宿1MHz--------------1.43Vp-p3MHz------------0.98Vp-p六、体会设计电路的过程中用软件仿真比较容易，我们一天就做完了，特别是光发射机是我自己想出来的，感觉特别爽。但仿真的电路与连插板子有一些出入，主要是因为所找的电阻与所仿真的不太符合，很多电阻是我们并联或串联起来的，与所要求的有一定的差别，导致静态工作点的偏移从而产生失真。通过这次课程设计，我掌握了发光二极管（LED）、光电二极管（PIN）工作特性，加深了光纤通信系统的理解，同时对光发射与光接收电路的工作和设计原理更加清楚明白，在电路的调试过程中提高了自己的动手能力。七、附录参考资料：方强，梁猛编著《光纤通信》西安电子科技大学出版社