1 現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置
本實(shí)驗(yàn)中心光纖通信實(shí)驗(yàn)與我院現(xiàn)有的光電技術(shù)實(shí)驗(yàn)、光纖技術(shù)實(shí)驗(yàn)保持著較好的分工與協(xié)作，承擔(dān)了光電技術(shù)方面的一系列的實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐課程。
光電技術(shù)實(shí)驗(yàn)主要包括: 光源基礎(chǔ)知識(shí)實(shí)驗(yàn); 發(fā)光二極管( 光源) 的照度標(biāo)定實(shí)驗(yàn); 光敏電阻特性實(shí)驗(yàn); 光敏二極管的特性實(shí)驗(yàn); 透射式光電開(kāi)關(guān)實(shí)驗(yàn);光敏三極管特性實(shí)驗(yàn); 硅光電池特性實(shí)驗(yàn); 紅外反射式光電開(kāi)關(guān)( 接近開(kāi)關(guān)) 實(shí)驗(yàn); 光柵位移傳感性能實(shí)驗(yàn); PSD 位置傳感器實(shí)驗(yàn)等。
光纖技術(shù)實(shí)驗(yàn)主要安排有光纖處理及其性能測(cè)試，包括: 光纖端面處理、耦合與焊接技術(shù)，光纖損耗譜測(cè)試，光纖數(shù)值孔徑測(cè)試。光源性能測(cè)試，包括:LD/LED 功率－ 電流及電壓－ 電流特性曲線測(cè)試，LD/LED 輸出光譜特性測(cè)試，LD 遠(yuǎn)場(chǎng)特性測(cè)試。光器件性能測(cè)試，包括: 光纖耦合器的原理及性能測(cè)試，摻鉺光纖放大器( EDFA) 的性能測(cè)試，摻鉺光纖激光器( EDFL) 實(shí)驗(yàn)。光通信系統(tǒng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，包括:光發(fā)送模塊實(shí)驗(yàn)，光接收模塊實(shí)驗(yàn)，波分復(fù)用( WDM) 光纖通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。
光纖通信實(shí)驗(yàn)依靠光纖通信實(shí)驗(yàn)箱，可以完成多個(gè)實(shí)驗(yàn)，既包括驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，還包括設(shè)計(jì)性綜合實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)( 一般需要12～15 天) ，內(nèi)容豐富，是學(xué)生進(jìn)行了光電技術(shù)實(shí)驗(yàn)、光纖技術(shù)實(shí)驗(yàn)之后進(jìn)行的生產(chǎn)實(shí)習(xí)實(shí)驗(yàn)。

圖1 現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)箱結(jié)構(gòu)示意圖
1．1 裝置的結(jié)構(gòu)與布局
現(xiàn)有光纖通信實(shí)驗(yàn)箱根據(jù)光纖通信實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，為了利于學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象后面的本質(zhì)，實(shí)驗(yàn)箱( 如圖1 所示) 進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，共分9 個(gè)模塊: 電源、模擬函數(shù)發(fā)生器、計(jì)算機(jī)接口、語(yǔ)音采集、語(yǔ)音還原、CMI 編譯碼、偽隨機(jī)碼序列發(fā)生器、光發(fā)射和光接收。
( 1) 電源模塊: 主要功能是給實(shí)驗(yàn)箱中的所有模塊供電，并提供GND、+5V、+12V 和－12V 電壓。
( 2) 模擬函數(shù)發(fā)生器模塊: 產(chǎn)生SQ 方波、SIN正弦波、TＲI 三角波，并能通過(guò)電位器的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)失真、頻率、占空比以及振幅的調(diào)節(jié)。
( 3) 偽隨機(jī)碼序列發(fā)生器: 將時(shí)鐘信號(hào)轉(zhuǎn)變成某一特定的序列信號(hào)，也就是偽隨機(jī)碼序列信號(hào)。
( 4) CMI 編譯碼模塊: CMI 碼即傳號(hào)翻轉(zhuǎn)碼，“1”交替地用“00”和“11”來(lái)表示，而“0”則固定用“01”來(lái)表示，因此把信號(hào)從1 位( bit) 變成2 位( bit) 。這種碼的特點(diǎn)是有一定的糾錯(cuò)能力，并且易于實(shí)現(xiàn)，易于定時(shí)提取，因此在低速系統(tǒng)中選為傳輸碼型。
( 5) 光發(fā)射模塊: 光發(fā)射部分由驅(qū)動(dòng)電路和半導(dǎo)體二極管( LED) 組成。驅(qū)動(dòng)電路對(duì)光源進(jìn)行幅度調(diào)制，把需傳輸?shù)男盘?hào)調(diào)制到光載波上。( 實(shí)際上，由于LED 已經(jīng)燒壞，只能用導(dǎo)線直接把電信號(hào)引入到光接收模塊。)
( 6) 光接收模塊: 光接收部分由光探測(cè)器、信號(hào)放大電路組成。( 由于光敏二極管已經(jīng)損壞，只能直接用導(dǎo)線將光發(fā)射信號(hào)引入過(guò)來(lái)。)
( 7) 語(yǔ)音采集模塊: 采用話筒將語(yǔ)音輸入，把語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，采用放大電路將電信號(hào)放大。
( 8) 語(yǔ)音還原模塊: 經(jīng)過(guò)前級(jí)光接收模塊對(duì)信號(hào)放大，采用聽(tīng)筒將語(yǔ)音信號(hào)還原輸出。
( 9) 計(jì)算機(jī)接口模塊: 采用導(dǎo)線將計(jì)算機(jī)上的控制信息輸入到計(jì)算機(jī)接口模塊。
1．2 裝置的功能
光纖通信實(shí)驗(yàn)借助于光纖通信實(shí)驗(yàn)箱可進(jìn)行以下方面的實(shí)驗(yàn):
( 1) 簡(jiǎn)單模擬光纖通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn);
( 2) 簡(jiǎn)單的數(shù)字光纖通信實(shí)驗(yàn);
( 3) CMI 編碼的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn);
( 4) 光纖通信系統(tǒng)指標(biāo)測(cè)試實(shí)驗(yàn);
( 5) 語(yǔ)音光纖通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn);
( 6) 基于光纖傳輸?shù)哪M語(yǔ)音通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì);
( 7) 基于光纖傳輸?shù)臄?shù)字通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì);
( 8) 基于PCM 調(diào)制的單向數(shù)字語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等。
其中前面5 個(gè)實(shí)驗(yàn)為普通的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，后面3 個(gè)為綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。實(shí)現(xiàn)了一套實(shí)驗(yàn)設(shè)備能進(jìn)行多個(gè)實(shí)驗(yàn)的功能，并且能同時(shí)進(jìn)行普通驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)與綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。
通過(guò)利用光纖通信實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以鍛煉學(xué)生如下幾個(gè)方面的能力:
( 1) 學(xué)習(xí)使用萬(wàn)用表對(duì)各種元件以及電路進(jìn)行測(cè)試;
( 2) 了解各種芯片的原理以及應(yīng)用;
( 3) 學(xué)會(huì)使用示波器對(duì)各種信號(hào)進(jìn)行觀察與測(cè)量分析;
( 4) 進(jìn)行電路設(shè)計(jì)與調(diào)試的綜合實(shí)踐;
( 5) 鍛煉分析和解決電路、光學(xué)等問(wèn)題的能力;
( 6) 直觀地理解光纖通信原理。
2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)
現(xiàn)有的光纖通信實(shí)驗(yàn)箱布局和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的安排總體而言比較合理。但現(xiàn)有的光纖通信實(shí)驗(yàn)箱均購(gòu)置于2000 年，使用年限長(zhǎng)，而且每年使用的人次多，存在實(shí)驗(yàn)箱壞損嚴(yán)重、缺少光纖傳輸部分，語(yǔ)音系統(tǒng)方面的實(shí)驗(yàn)效果不明顯，長(zhǎng)期沒(méi)有開(kāi)設(shè)，計(jì)算機(jī)接口模塊幾乎長(zhǎng)期沒(méi)有使用等不足。而且，原廠家已不再進(jìn)行此產(chǎn)品的生產(chǎn)。為此，在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)箱的基礎(chǔ)上對(duì)光纖通信實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行了改進(jìn)與設(shè)計(jì)。
2．1 光傳輸改進(jìn)
由于現(xiàn)有的光纖通信實(shí)驗(yàn)箱中沒(méi)有光纖傳輸?shù)牟糠?，光發(fā)射與光接收部分的信號(hào)傳輸是依靠導(dǎo)線直接將光發(fā)射模塊的信號(hào)引入光接收模塊的。學(xué)生根本看不到光纖通信的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，更談不上通過(guò)實(shí)驗(yàn)理解光纖通信的原理。這也是本實(shí)驗(yàn)箱的主要缺陷所在。為此對(duì)光纖通信實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行改進(jìn)時(shí)，重點(diǎn)對(duì)光纖傳輸部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)。
2．1．1 采用半導(dǎo)體激光器光發(fā)射與光接收
光纖傳輸部分設(shè)計(jì)首先采用市面上能購(gòu)買(mǎi)的半導(dǎo)體激光器進(jìn)行光發(fā)射，光纖傳輸與光敏三極管進(jìn)行光接收的整套器件。如圖2 所示。
在實(shí)驗(yàn)調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)此裝置效果較好，但是，加載的信號(hào)電壓稍高一些，或者工作時(shí)間稍長(zhǎng)一些，半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光就突然變得很弱，經(jīng)過(guò)光纖傳輸后，光敏三極管接收不到光傳輸?shù)男盘?hào)。經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)與測(cè)量對(duì)比，發(fā)現(xiàn)電壓稍高一些，或者工作時(shí)間稍長(zhǎng)一些，半導(dǎo)體激光器就燒壞了，所以，發(fā)光強(qiáng)度變?nèi)?。而且這一套半導(dǎo)體激光器的光發(fā)射與光接收器件價(jià)格也比較貴，一套價(jià)格在100 元左右。所以光纖通信實(shí)驗(yàn)箱不適合采用半導(dǎo)體激光器的光發(fā)射與光接收的器件。

圖2 半導(dǎo)體激光器的光發(fā)射與光接收器件圖
2．1．2 采用半導(dǎo)體二極管光發(fā)射與光接收
半導(dǎo)體激光器的光發(fā)射與光接收的問(wèn)題主要是器件容易損壞、價(jià)格貴，為此，設(shè)計(jì)采用了價(jià)格比較低廉的半導(dǎo)體二極管( LED 光源) 以及光敏二極管。
單模光纖價(jià)格貴，并且容易損壞，為此設(shè)計(jì)采用價(jià)格低廉的塑料光纖。改進(jìn)后的光纖通信實(shí)驗(yàn)箱實(shí)物圖，如圖3 所示。
 
圖3 采用LED 光發(fā)射的光纖通信實(shí)驗(yàn)箱實(shí)物圖
2．2 其他改進(jìn)
由于LED 也有電壓限制，超過(guò)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(guò)高燒壞LED 燈。預(yù)留了直接將光發(fā)射的信號(hào)引入光接收的跳線接頭，可以進(jìn)行電－電傳輸與光纖傳輸?shù)膶?duì)比實(shí)驗(yàn)。
由于采用本實(shí)驗(yàn)箱已經(jīng)可以完成較多的實(shí)驗(yàn)，而且實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還需要用到示波器、萬(wàn)用表、工具箱等，所需的實(shí)驗(yàn)臺(tái)面積比較大，所以再擺放計(jì)算機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)不太合理。為此，刪除了需要計(jì)算機(jī)輔助才有用的計(jì)算機(jī)接口模塊部分。
以往設(shè)計(jì)的語(yǔ)音采集模塊和語(yǔ)音還原模塊電路比較簡(jiǎn)單，噪音較大，效果不明顯。為此，對(duì)這兩個(gè)模塊進(jìn)行了一定的改進(jìn)，增加了放大倍數(shù)，增加了抑制噪聲的功能，改進(jìn)后的語(yǔ)音光纖傳輸效果明顯得到改善。
2．3 預(yù)期效果
通過(guò)對(duì)現(xiàn)有光纖通信實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行改進(jìn)與設(shè)計(jì)，增加了光纖傳輸部分，使學(xué)生對(duì)光纖通信有了直觀的印象; 通過(guò)實(shí)驗(yàn)與理論結(jié)合，對(duì)光纖通信理論的理解有了進(jìn)一步的加深。設(shè)計(jì)了限流電阻，可以防止電壓過(guò)高燒壞LED 燈，刪去了計(jì)算機(jī)接口模塊，將實(shí)驗(yàn)電路板進(jìn)行重新布局，加大元器件之間的間距，便于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與測(cè)量。增加了語(yǔ)音采集模塊和語(yǔ)音還原模塊電路的放大倍數(shù)，抑制了噪音，使語(yǔ)音光纖傳輸效果明顯改善。將容易損壞的測(cè)量點(diǎn)采用比較結(jié)實(shí)耐用的材料，確保了實(shí)驗(yàn)箱的耐用性。采用改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)箱，不但能使學(xué)生對(duì)光纖通信實(shí)驗(yàn)有直觀的印象，而且實(shí)驗(yàn)效果明顯也增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的信心與興趣。
3 結(jié)語(yǔ)
在現(xiàn)有光纖通信實(shí)驗(yàn)箱的基礎(chǔ)上，對(duì)缺損的光纖通信部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)與改造。首先采用了帶尾纖的半導(dǎo)體激光器進(jìn)行光發(fā)射和帶尾纖的光敏三極管進(jìn)行信號(hào)的接收以及單模光纖傳輸，實(shí)驗(yàn)效果好。
但是，由于這一套裝置價(jià)格相對(duì)而言比較貴，而且易于損壞，不利于學(xué)生進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)。為此，重新進(jìn)行了設(shè)計(jì)，新的設(shè)計(jì)改用半導(dǎo)體二極管( LED) 進(jìn)行光發(fā)射，光敏二極管進(jìn)行光接收以及塑料光纖傳輸，實(shí)驗(yàn)效果好，而且這套裝置價(jià)格較低廉，比較適合學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。為了防止電壓過(guò)高，燒壞LED，在原有電路的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了限壓保護(hù)電路。同時(shí)改進(jìn)了語(yǔ)音采集與語(yǔ)音還原電路，使語(yǔ)音傳輸效果明顯，能激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)信心與興趣。刪去了長(zhǎng)期不用的計(jì)算機(jī)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(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與測(cè)量。