许 豪 ， 朱永虎 ， 曾 杰 ， 孙 立 ， 杜 柯

（1.南京航空航天大学 理学院，江苏 南京 211100；2.南京航空航天大学 机电学院，江苏 南京 211100）

20世纪90年代以来，光纤通信系统在全球范围内得到了很大的发展，并引起了通信领域的一场变革。并且光纤通信远远优于其他通信系统，光载波的频率在约100 THz的数量级，使得其信息容量比微波系统高出10 000倍，调制带宽可以达到约1 Tbps的量级，正是由于光通信系统具有如此巨大的带宽潜力，才使得人们不断研究和开发光通信系统[1]。

本文是普通高等工科类学校中，基础性实验教学科目所研制的 《音频信号光纤传输实验仪》创新实践项目，是对原有同类型实验教学仪器进行一次全新的技术性能的改进与综合性使用功能的提升，实现了全数控、高可靠、多辅助配置等设计目标，获得了更加准确、一致、稳定的实验效果，使得仪器的使用寿命增加，促使维修成本和实验教学的管理成本降低，完善与提高了实验教学的相关要求。

1 仪器的基本构成

仪器主要由光纤、光发送器、光接收器以及相关接口电路等构成。其中，光发送器的功能是将音频信号转换成光信号，然后发射到光纤内传输。光接收器的功能是将光纤传送过来的光信号转换成电信号，然后送入输出设备[2]。

2 核心器件与电路

本系统控制芯片采用单片机AT89C51，光发送模块采用HFBR-1414，光接收模块采用HFBR-2416。

2.1 发光二极管HFBR-1414

HFBR-1414是一款低价位高性能的光发送器，来自于Avago Technologies公司的HFBR-0400系列。其组成的电路系统不需要专门设置编码与译码电路，具有电路简单且性价比高的特点。因而广泛应用于光纤模拟通信领域。

HFBR-1414光纤发送器内部主要电路是一个AlGaAs发光二极管。其工作波长为820 μm，它满足IEEE802.3以太网和802.5令牌环等多种标准。而且能与 50/125 μm、100/140 μm、62.5/125 μm 以及 200 μm 的多种型号的光纤适配，给了设计者带来极大地灵活性选择光纤。

HFBR-1414发送器的高耦合性，使得它能够在极低的工作电流下驱动，因而能达到低功耗和高稳定的效果。当其在60 mA的电流下驱动时，耦合进50/125 μm的光纤中时的光功率可达-15.8 dBm，耦合进62.5/125 μm的光纤时的光功率可达-12 dBm。可以说对于大尺寸的光纤，它是个理想的选择。

2.2 光电二极管HFBR-2416

HFBR－2416是一款低价高性能的光接插件，属于Agilent公司生产的HFBR－0400系列。只需少量外部元件就能构成光接收器，具有抗干扰能力强、体积小、重量轻等特点，广泛用于模拟和数字光通信系统。

HFBR－2416光接收器内部由PIN光电二极管和前置放大电路构成，可以直接输出较大的电信号，其典型带宽高达125 MHz，工作波长为820 nm，与之相接的光纤可以为50/125 μm、100/140 μm、62．5/125 μm 以及 200 μm。 其波谱响应不随纤芯直径为10 mm的光纤尺寸变化而变化。如图1为其内部结构图[3]。

图1 HFBR－2416内部结构图Fig．1 The internal structure of HFBR－2416

光接收器在工作时，在HFBR－2416的VCC与电源间需要连接一个10 Ω的限流电阻和0．1 μF的旁路电容以便去除电源噪声。

2.3 数字电位器X9313

数字电位器一般由RDAC电路和数字输入控制电路两部分构成[4]。与机械电位器相比，不但具有耐冲击、抗振动、噪声小、使用寿命长等优点，而且更重要的是可由数字信号进行控制，可以方便地与计算机接口，由编程实现电阻的改变，从而实现数控功能。控制电阻部分采用X9313或者X9c10xp数字电位器，RL为底端，RH高端，RW为滑动端，通过内部译码模块的1脚、2脚等输出端控制电阻变化[5]。其工作原理与电路结构如图2所示。

图2 X9313结构图Fig．2 The structure of X9313

2.4 单片机AT89C51

系统采用全数字化控制方式，核心问题是同时控制4到5个数字电位器，考虑到研制成本与技术要求，采用单片机技术实现。AT89C51是一种低功耗/低电压、高性能的8位单片机，片内带有一个4K的Flash可编程可擦除只读存储器（PEROM），它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器（NURAM）技术，而且其输出引脚和指令系统都与MSC－51兼容。片内的Flash存储器允许在系统内可改编程序或用常规的非易失性存储器来编程。所以说，ATM89C51是一种功能强，灵活性高且价格合理的单片机，可方便地应用在各种控制领域。

3 系统电路组成

3.1 电源电路

系统电路需要12 V、9 V、6 V和5 V的正负直流电压。采用了一对12 V的开关电源，将220 V的交流电压转换成正负12 V的直流电压，再利用了LM系列稳压芯片进行稳压输出，提供给相应的单元电路。

3.2 光发射电路

3.2.1 前置电路

前置电路具有信号滤波与放大的基本功能，电路如图3所示。

图3 前置电路Fig．3 Preposition circuit

在音频信号传输系统中，为了保证声音品质高保真的传输效果，系统通道具有高性能的信噪比要求，使合理频率范围内的有效信号获得高增益，同时抑制各种干扰噪声，保持信号传输不失真，系统抗干扰能力增强。如图6所示设计的滤波与放大前置电路，起到对信号预处理的作用。

根据理想运放的放大原理，其放大倍数为G=1+Z2/Z1。Z2是电路的反馈阻抗，Z1是电路的接地阻抗。由于电容具有通交隔直的作用，小电容C3就会截止高频信号，反之大电容C2会限制低频信号，所以调整C2和C3的参数值，就会产生所需要的中频信号。因此合理的选择电阻和电容值，对于系统技术性能的好坏有着很重要的作用。

3.2.2 LED调制驱动电路

LED发光二极管是典型的电流控制器件，电光转换取决于其P－I特性，为了获得最佳的转换结果，驱动电路必须为之提供理想波形的电流信号。因此，采用最便捷的方式是将驱动电路设计成为受输入信号控制的电流源[6]。由图7所示，把三极管与LED相连接，形成对LED直接驱动作用。

整个电路以三极管为核心构成LED的调制驱动功能。调节电路中的P2可使LED的偏置电流在0～50 mA的范围内变化。音频信号由前一运放所构成的音频放大电路放大后再经一跟随器后，通过电容器C4耦合到三极管的基极，形成对LED工作电流的调制，使得LED发送出光强随音频信号变化的光信号，并经光导纤维把这一信号传至接收端。同时，电流表将会显示偏置电流的大小。

图4 LED调制驱动电路Fig.4 LED modulation-drive circuit

3.3 光接收电路

3.3.1 光电转换

SPD二极管将光纤输出端的光信号（即光功率P0）转变为与之成正比的光电流If，经接收器中由运算放大器构成的I/U转换电路完成光电流转换成电压信号U的输出，Ul与If之间的关系为U1=RIf。

3.3.2 光信号放大

如图5所示，在测量光电二极管的光电特性时，经过光电转换后的电信号经过运算放大器放大，通过光功率计测量光功率P0，光功率计是来衡量光信号转换成电信号的效率。通过调节R13可以对光功率计进行调零。

图5 光电二极管特性测量电路Fig.5 SPD characteristic measuring circuit

3.3.3 音频信号放大

电路如图6所示。集成运放采用LF356N型电路芯片，具有低电压、功耗低、噪声小、很大带宽的放大器。其特点为低输入偏置电流和补偿电流，低输入补偿电压和补偿电压漂移。

图中LF356N采用双电源+9 V和-9 V供电工作，进行一级信号放大，电压放大倍数Auf=-R11/R1≈21，放大后的电信号再经后续功率放大电路完成音频功率输出，推动扬声器发出清晰动听的悦耳声音。

3.3.4 功率放大电路与输出

图6 音频信号放大电路Fig.6 Signal amplication circuit

电路如图7所示。功放电路采用的是TDA2030A做成的OTL式集成芯片，采用单电源，具有输入耦合电容大，输出电流大，谐波失真和交越失真小等特点。同时兼有优良的短路的过热保护电路。 图中的R5（150 k）和 R4（4.7k）的电阻大小决定放大器的闭环增益，R4的电阻愈小增益就愈大，但是增益太大也容易导致信号失真，所以R4的阻值要选择合理。两个限流二极管IN4001接在电源与输出端之间，是为了防止扬声器感性负载反冲而影响音质。电容C7（0.1 μF）与电阻R6（1 Ω）是对感性负载（喇叭）进行相位补偿进而消除自激。电解电容C1、C2对输入信号有滤波作用。

图7 集成功率放大电路Fig.7 Integrated circuit power

输入端的滑动变阻器R的作用是来控制音量，通过改变其输入阻值大小来调节音量大小。

3.4 波形发生器

波形发生器以ICL8038芯片为基础，是一个用最少的外部元件就能生产高精度正弦、方形、三角、锯齿波和脉冲波形的单片集成电路。频率 （或重复频率）的覆盖范围从0.001 Hz到300 kHz，可以选用电阻器或电容器来调节。调频及扫描可以由同一个外部电压完成。ICL8038精密函数发生器是采用肖特基势垒二极管等先进工艺制成的单片集成电路芯片，输出由温度和电源变化范围而决定。芯片与锁相回路作用，具有在发生温度变化时产生低的频率漂移，最大不超过250 ppm／℃。

4 控制程序

旋转编码开关通过89C51控制数字电位器，通过顺时针或者逆时针旋转来实现电位器电阻增减。旋转编码开关旋转方向不同时输出脉冲不同，如图8所示。

图8 正、反输出波形Fig.8 Wave of clockwise and counter clockwise rotation

通过A与B两引脚高低不同来确定UD是高平还是低平，按照这个思路设计程序如下：INC为下降沿触发，UD为0时电位器阻值减少，UD为1时阻值增加：

#include

#include

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

sbit INC_1=P1^7；

sbit UD_1=P1^6；

sbit CS_1=P3^0；

sbit CA_1=P2^7；

sbit CB_1=P2^6；

void delay（uint z）

{

uint i，j；

for（i=z；i>0；i--）

for（j=110；j>0；j--）；

}

void setA（uint x，uchar y ）

{

uchar i；

INC_1=1；

_nop_（）；

CS_1=0；

_nop_（）；

UD_1=y；

for（i=0；i

{

INC_1=1；

_nop_（）；

_nop_（）；

INC_1=0；

_nop_（）；

_nop_（）；

}

}

void CodingsWitchPolling_1（void）

{

static uchar Aold_1，Bold_1；

static uchar st_1=0；

static uint tmp_1=0；

uchar u；

if（CA_1&&CB_1）

st_1=1；

if（st_1）

{

if（CA_1==0&&CB_1==0）

{

if（Bold_1）

{

st_1=0；

u=1；

if（tmp_1==31）

tmp_1=0；

else

tmp_1++；

setA（1，u）；

}

if（Aold_1）

{

st_1=0；

u=0；

if（tmp_1==0）

tmp_1=0；

else

tmp_1--；

if（tmp_1<0）

tmp_1=-tmp_1；

setA（1，u）；

}

}

}

Aold_1=CA_1；

Bold_1=CB_1；

}

void main（）

{

setA（31，0）；

while（1）

{

CodingsWitchPolling_1（）；

delay（5）；

}

}

5 结束语

全数字化控制方式设计与实现，新型电子器件的采用，解决了目前使用仪器存在许多问题。现代电子技术综合利用，使得整套装置焕发出新的生命力，促成仪器具有了更好的可靠性、更高的准确性、更长的耐用性。

[1]邱昆，王晟，邱琪.光纤通信系统[M]．成都：电子科技大学出版社，2005．

[2]方志豪，朱秋萍．光纤通信原理、设备和网络应用[M].武汉：武汉大学出版社，2004．

[3]李春艳，董天临．接插件HFBR2416在光接收器中的应用[J]．电子设计工程，2001，8（8）：18．LI Chun-yan，DONG Tian-lin.Connector HFBR2416 in optical receiver application[J].Electronic Design Engineering，2001，8（8）：18.

[4]王勇，田晓东．数控电位器X9313及其应用[J]．电子设计工程，1999（7）：5-8．WANG Yong，TIAN Xiao-dong.Numerical control potentiometer X9313 and application[J].Electronic Design Engineering，1999（7）：5-8.

[5]沙占友.数字电位器应用指南[M].北京：北京化工出版社，2008．

[6]赵梓森.光纤通信工程[M].北京：人民邮电出版社，1994.