二．设计举例
设计一双向语音光纤传输系统，要求能够进行全双工语音通信。以下设计按照系统方案2来设计。光发送驱动部分和光接收部分经过一些改动也可用于方案1和方案3。
主要技术指标：
平均发送光功率 P > 3uW
系统频率响应 fl～fh＝50Hz～20KHz 光接收灵敏度 PR= －30dBm 光接收动态范围 D=20dB
1．语音输入模块设计举例
如图1-4所示为这一模块原理框图，语音信号通过驻极体话筒输入，进行放大，然后输入光发单元。
驻极体话筒信号输入级信号放大级 图1-4 语音输入原理框图
由于本系统对音质要求不高，因此语音输入设备选用驻极体话筒。其原理见图1-5，它的关键元件是驻极体振动膜，它是一片极薄的塑料膜片，在其一面上蒸镀一层纯金薄膜，然后经过高压电场驻极后，两面分别驻有异性电荷。膜片的蒸金面与金属外壳连通，另一面与其下的金属极板之间用薄的绝缘衬圈隔开，这样蒸金膜与金属极板之间就形成一个电容。当驻极体膜片遇到声波振动时，引起电容两端的电场发生变化，从而产生随声波变化的交变电压。图1-5中接二极管的目的是在场效应管受强信号冲击是起保护作用。
图1-5 驻极体话筒原理图 图1-6 驻极体话筒的一种连接方案
图1-6为两端式驻极体话筒的一种连接方案，D极为输出极。R一般取2.2K—5.1K。
极性判断方法为：将万用表拨至RX10K档上，黑红表笔各接一点，记下数值，两笔交换触点，在记下数值。阻值较小着黑笔触点为源极（S），红笔触点为漏极（D）。或直接观察，看话筒的两个接入端，有一端与外壳相连，这一端为接地端，另一端即为语音输入端。
话筒好坏及灵敏度高低的判断：将万用表拨至RX10K档上，黑笔接漏极，红笔接源极，用嘴吹话筒，观查万用表指示，若无指使，说明话筒失效，有指使说明话筒正常；指示范围的大小表示话筒灵敏度的高低。
图1-7为语音输入模块原理图，该电路采用两级放大，前级抑制回馈啸，后级放大信号，整个模块放大倍数取10—20倍即可，三极管选取放大倍数为160左右的9013。该电路频响特性较好，并能在一定程度上抑制回馈啸叫。首先，由于R4=R5，使集电极和发射极的输出信号正好大小相等，位相相反。利用这一特性可以在一定程度上抑制回馈啸叫，并改善音质。C2、R6构成移相网络，当改变R6的值时，可改变输出信号的相位差。在实际使用中，R6的值应根据实际应用情况来调整。当R6值较大时，其低频响应较差，但增益较大；当R6值较小时，信号的幅度会变小。我们在实践基础上将其定为30K。
通过调整R3可调整Q1的静态工作点，实际操作中可将Q2集电极输出信号输入示波器，并吹话筒，观察波形，调整R3使正负半波幅度基本相等即可。C4，C5可滤掉电源杂波等干扰信号，它们应尽量靠近电源输入点。设计时，要先计算静态工作点，参考《电子技术基础》，根据合适的工作点和需要的放大倍数来选取电阻的阻值。
静态工作点测量方法：将语音输入模块与下一模块断开，输出端接示波器，不加输入信号，将放大器输入端（图8中C1左端）接地，接通电源。用万用表分别测量三极管的B、E、C极对地电压UB、UE、UC，若UC=VCC, UE=END，说明三极管工作在截止状态；若UCE<0.5V,说明三极管已经饱和，若UCE为正几伏，说明三极管工作在放大状态。然后将话筒接入，对着它吹气，观察示波器，若输出波形无明显失真，或输出波形顶部和底部差不多同时开始畸变，说明静态工作点设置的比较合适。
图1-7 语音输入模块原理图
2．语音输出模块设计举例
图1-8所示为这一模块原理框图，这一模块将输入信号通过功放LM386放大后，驱动扬声器发声。
功放LM386扬声器
图1-8 语音输出原理框图
经过前级光接收模块对信号的放大，在本模块信号放大采用低压音频功放LM386即可。它专用于音频功率放大电路。LM386简介：1脚、8脚为增益控制端，2脚为反相输入端，3脚为同相输入端，4脚为地，5为脚输出端，6脚为VCC输入端，7脚旁路端。具体接法见图1-9。当1脚、8脚悬空时，增益为20；当1脚、8接一较大电容时，增益为200；在1、8脚间串联一电阻、电容，增益可以在20—200之间进行调整。由于本电路中输入信号较强，将增益设为20即可。语音信号经过10u的隔直电容后，产生纯交流信号，然后以分电位的方式经R2送到LM386的同相输入端（3脚），我们可以根据实际需要调节滑动变阻器R1来决定最后的输出音量，反相输入端接地。
图1-9 语音输出原理图
3．光发送模块设计举例
如图1-10所示为这一模块原理框图，这一模块将输入信号放大驱动激光器，采用直接强度调制，将电信号转换为光信号输入光纤。
激光器HFBR-1414T光纤模拟驱动 图1-10 光发送单元原理框图
在光纤通信系统中，用于完成电—光转换，实现光信号传送的光发送部分是整个系统的核心之一。光发送模块的好坏，与整个系统的性能有很大关系。在这个部分的设计中，应根据实际情况选择合适的激光器件，尽可能的提高激光器的电光转换效率，减小动态阻抗，提供合适的动态电流，优化激光器的调制效率，使光发送模块能稳定、高
效率的工作。在本设计中，由于对传输速率和通信距离均要求不高，因此选用了LED作为发送光源。我们选用安捷伦公司高性能的半导体通信光源组件—HFBR-1414T。它的具体介绍见光纤通信系统指标测试实验。
图1-11为模拟光发送电路，对光源HFBR-1414T进行直接强度调制，将需要传输的电信号调制到光载波上。通过调整可调电阻，可控制注入半导体光源的电流，从而控制入纤光功率。在调节过程中，要用光功率计来监测，输出光功率在3uW左右为宜。调整好后，不要改动，否则有烧毁激光器的危险，HFBR-1414T的空引脚尽量都接地。
图1-11 模拟光发送电路
学生在调试时，发光器件采用红外LED代替1414T，它的性能指标与1414T基本一致，它可接在图1-11的A、B两点之间，A接正B接负，注意不要接反。整个系统调试好后，可拿到公共实验平台用1414T进行调试。
4．光接收模块设计举例
如图1-12所示为这一模块原理框图，这一模块将输入光信号转换为电信号，放大后将信号输入下一级。
光检测器HFBR-2416前置放大级主放大级光纤 图1-12 光接收单元原理框图
在光纤通信系统中，用于完成光—电转换，完成光信号检测的光接收单元也是整个系统的核心之一。光接收模块的好坏，与整个系统的性能有很大关系。光接收模块通过光电探测器完成光信号的检测，然后将探测器输出的微弱电信号进行处理，使之恢复到原来的信号波形并得到放大。光检测模块我们选用HFBR-2416T，具体介绍见光纤通信系统指标测试实验，它可进行光电转换并经内部低噪声放大后缓冲输出。如图1-15，光探测器的输出直接送至隔离滤波电路，图中的C1、C3实现隔直功能。信号放大电路由两级运放组成，均采用仪表运放LF741。LF741为高输入阻抗、高速型运放，最高频率可达20MHz。整个放大电路为线性放大，调整R3、R4的阻值可调整运放的放大倍数。注意，实际调试时，首先应将放大倍数设置的小些，上电后根据输出声音来调整它。由于本系统光路中的光信号衰减很小，因此放大倍数不要调的很高，否则语音输出级的扬声器会产生啸叫和杂音。若在光纤传输平台上调试，可根据实际情况调整，能保证得到一定强度和清晰度的声音信号即可，HFBR-2416T的空引脚尽量都接地。
学生开始设计制作时也要用红外光电二极管代替HFBR-2416T，并保证与光发部分的LED头部对正。它的接法见图1-13，它接与A、B两点之间，并注意其正负极性，不要接反。整个系统调试好后，可拿到公共实验平台用2416T进行调试。
图1-13 光接收单元电路原理图
三．电路安装与调试
1．分级装调
安装前应检查元器件的质量，安装要特别注意三极管、运算放大器、电解电容等器件的引脚和极性，不能接错。从输入级开始向后安装，安装一级调一级，用示波器观察该级输出波形，并用万用表测量各项性能指标，安装两级要进行级连调试，只到整个系统调试完成。
2．系统联调试听
将话筒和扬声器分别接到电路的输入和输出端，注意扬声器方向与话筒方向相反，否则扬声器的输出声音经话筒输入后，会产生自激啸叫。讲话时，扬声器传出的声音应清晰。
3．光路装调注意事项
在光发送模块和光接收模块单独调试时，先用红外LED对管代替激光器和光探测器组件，保证红外发光二极管和红外光电二极管的头部相对，相隔距离不能超过2米。系统联调阶段，装调光路时，应注意保护光纤跳线的接头，切勿用手触摸接头。要用1414T调试时，开始应将图1-13中的R2调至最小，上电后，慢慢调大，监测光功率达到要求值即可。一定要注意1414T和2416T的引脚不能接错。
四．设计任务
1．设计课题：模拟语音光纤传输系统 2．主要要求：
语音输入采用驻极体话筒，语音输出采用扬声器；
语音信号在光纤中传输1公里，入纤功率在2-5uW之间； 语音输出能得到清晰的语音，且失真较小；
对光模块的接口指标（动态范围，灵敏度，平均光功率）进行测试。
3．主要元器件：驻极体话筒，扬声器，HFBR-1414T，HFBR-2416，红外LED对管（一收一发），LF741，2N5551，9013，LM386，电阻，电容。
4．实验仪器设备：示波器，光功率计，万用表，直流稳压电源（±5V，±12V），激光器和光探测器