光纤语音电路的设计详解

光纤语音电路就是把语音信号经光纤远距离传输之后在接收端经光电检测、放大器恢复为原始信号的电路。光纤通信系统是以光为载波，利用纯度极高的玻璃拉制成极细的光导纤维作为传输媒介，通过光电变换，用光来传输信息的通信系统。目前，光纤光缆在我国通信网中已成为主流传输介质，光缆线路工程、光纤通信设备投资比重也越来越大，光纤通信技术已成为支撑通信业务网最重要的通信技术之一。随着国际互联网业务和通信业的飞速发展，光纤通信成为了现代通信的支柱， “信息高速公路”的骨干，光纤通信在现实生活中已得到了广泛的应用，它作为一种新技术、新发展，将推动人类社会的文明进步和发展。

1、光纤通信系统的基本组成

最基本的光纤通信系统由数据源、光发送端、光学信道和光接收机组成。其中数据源包括所有的信号源，它们是话音、图象、数据等业务经过信源编码所得到的信号；光发送机和调制器则负责将信号转变成适合于在光纤上传输的光信号，先后用过的光波有 0.85、1.31 和 1.55 三个低损耗窗口。光学信道包括最基本的光纤，还有中继放大器 EDFA 等；而光学接收机则接收光信号，并从中提取信息，然后转变成电信号，最后得到对应的话音、图象、数据等信息。在光纤通信系统中，光纤中传输的是二进制光脉冲“0”码和“1”码，它由二进制数字信号对光源进行通断调制而产生。而数字信号是对连续变化的模拟信号进行抽样、量化和编码产生的，称为 PCM（pulse code modulation），即脉冲编码调制。这种电的数字信号称为数字基带信号，由 PCM 电端机产生。光纤通信系统的基本组成原理图如下图 1 所示：

1.1 光发射端机

光发射机是实现电 / 光转换的光端机。它由光源、驱动器和调制器组成。其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆中传输。电端机就是常规的电子通信设备。光发射机的原理图如下图 2 所示：

光源是光发射机的核心，其性能好坏将对光纤通信系统产生很大的影响。目前光纤通信系统使用的光源都是由半导体材料制成的，而半导体光源分两种：发光管 LED 和激光管 LD。由于半导体激光器发出的是激光，发光功率大、谱线宽度窄，但电路结构复杂，温度特性差。而半导体发光二极管发出的是荧光，发光功率不大，谱线宽度宽，但电路结构简单、寿命长、价格便宜。在实验室中经常用到。

1.2 光纤或光缆

光纤作为传输媒介，作用是将发射端机光源发出的光信号，经远距离传输后耦合到接收端机的检测器，完成信息传输任务。在通信中使用的光纤通常是由石英玻璃制成的，由纤芯和包层组成。目前，塑料光纤应用于低速、短距离的传输中。其构成光纤的纤芯与包层都是塑料材料。与大芯径 50/125 和 的石英玻璃多模光纤相比，塑料光纤的芯径高达 ，其接续时可使用不带光纤定位套筒的便直注塑塑料连接器，即便是光纤接续中芯对准产生偏差都不会影响耦合损耗。正是塑料光纤结构赋予了其施工快捷，接续成本低等优点。另外，芯径 或更大则能够消除在石英玻璃多模光纤中存在的模间噪音。

1.3 中继器

含有光中继器的光纤传输系统成为光纤中继通信。光信号在光纤中传输一定的距离后，由于受到光纤衰减和色散的影响会产生能量衰减和波形失真，为保证通信质量，必须对衰减和失真达到一定程度的光信号及时进行放大和恢复。中继器由光检测器、光源和判决再生电路组成。它的作用有两个：一个是补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减；另一个是对波形失真的脉冲进行整形。

1.4 光纤连接器、耦合器等无源器件

由于光纤或光缆的长度受光纤拉制工艺和光缆施工条件的限制，且光纤的拉制长度也是有限度的（如 1Km）。因此一条光纤线路可能存在多根光纤相连接的问题。于是，光纤间的连接、光纤与光端机的连接及耦合，对光纤连接器、耦合器等无源器件的使用是必不可少的。

1.5 光接收端机

光收信机是实现光 / 电转换的光端机。它由光检测器和光放大器组成。其功能是将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，然后，再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端的电端汲去。光接收机原理图如下图 3 所示：

2、光纤语音电路设计

光纤语音电路由三部分组成：光发射电路、光纤和光接收电路。其工作原理是：音频信号最初是声波，由发送器的电子麦克风转换为电信号。此信号由 LM358 组成的音频放大器放大，并且借助于一个单独的晶体管控制 LED 的端电压，将电信号转换为光信号。光信号送入光纤或光缆。在光纤或光缆的另一端，光信号照射到接收器的光电检测器上。光电检测器再将其转换为电信号。此信号被放大并送入扬声器转换为声波恢复为原始信号。

2.1 发射器电路板

此电路主要是把音频信号经麦克风转换为电信号，电信号经滤波器、多级放大器把微弱的电流信号转换为适合半导体二极管发光的电压信号，在晶体管的调制下把电信号转换为光信号送入光纤中进行传输。在发射器电路上有一个话筒和调制 LED 发光的线路。LED 装在塑料壳中以便于连接光纤或光缆进行发送信号。在实验室里设计操作可以使用 200m 长的塑料光纤传送语音信号，也可以使用玻璃光纤在更远的距离内通信。光纤语音发射器电路如下图 4 所示：

2.2 光电接收器电路板

在接收器电路板上通过光电检测器把光纤传输的微弱的光信号转换为电信号，经电容滤波、运算放大器放大，把电流信号转换为电压信号，放大到适合扬声器输出的电压，恢复原始的语音信号。光纤语音接收电路如图 5 所示。

编辑点评：本文详细的介绍了光纤通信系统的组成，为设计光纤语音传输电路提供理论基础。在该电路系统中语音信号以光波形式在光缆内传输、不受任何电场和磁场的影响。传输距离远，抗干扰能力强。每个电路板需要一个 9V 电池，元件简单，易于实现，在实验室就能操作完成。