呂 菲，韋文生，沈 琦

(溫州大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院，浙江溫州 325035)

一種模擬/數(shù)字調(diào)制解調(diào)光纖通信綜合實驗的設(shè)計

呂 菲，韋文生?，沈 琦

(溫州大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院，浙江溫州 325035)

通信系統(tǒng)由不同功能模塊組成．傳統(tǒng)教學(xué)為方便學(xué)生掌握通信工程專業(yè)的知識和技能，將各門課程的實驗分時段、分地點循序漸進開展，這樣不利于學(xué)習(xí)者對通信系統(tǒng)的整體認識．針對當前通信工程專業(yè)課程實驗教學(xué)的現(xiàn)狀，以通信原理的AM、2FSK調(diào)制解調(diào)實驗與光纖通信的光傳輸系統(tǒng)實驗的結(jié)合為例，設(shè)計了這兩門課程的綜合實驗，學(xué)生可利用原有的實驗器材，設(shè)計更加全面的通信系統(tǒng)，無需另加經(jīng)費即可開展綜合設(shè)計性實驗，這有利于加強知識之間的聯(lián)系，深化對通信系統(tǒng)整體性的理解，提高學(xué)生的動手能力，節(jié)約實驗時間及實驗室建設(shè)時間．

通信原理；光纖通信；綜合實驗

隨著社會信息化速度加快，通信已成為生活中必不可少的一部分．不少高校給通信類專業(yè)學(xué)生開設(shè)了《通信原理》、《交換原理》、《光纖通信》、《移動通信》等專業(yè)理論課程和配套的實驗．專業(yè)培養(yǎng)方案中大部分課程根據(jù)通信系統(tǒng)功能模塊劃分知識體系，讓學(xué)生們循序漸進地學(xué)習(xí)，建立通信系統(tǒng)的基本概念和基本理論，掌握通信技術(shù)的基本技能．各門課程實驗則采用實驗箱進行，每種課程實驗箱都是一個簡易的通信系統(tǒng)，功能簡單．不同課程的實驗通常分開進行，且采用實驗箱來完成不同課程的實驗項目．學(xué)生在實驗時只能掌握該實驗箱對應(yīng)的課程知識和技能，容易忽視不同課程之間知識和技能的聯(lián)系．另外，實驗箱的實驗項目一般以驗證性為主，實驗?zāi)K選定后無法拓展新的實驗內(nèi)容．若增加更多功能的實驗箱，則會因增加經(jīng)費和實驗用房而難以為繼，學(xué)生很難有機會進行通信系統(tǒng)的整體設(shè)計．鑒于這種現(xiàn)狀，應(yīng)在現(xiàn)有的實驗器材上進行改進，綜合兩門及以上實驗課程，設(shè)計功能相對全面的通信系統(tǒng)．本文以通信原理實驗和光纖通信實驗為例，利用現(xiàn)成的通信原理實驗箱和光纖通信實驗箱，構(gòu)建了模擬 / 數(shù)字調(diào)制解調(diào)光纖通信系統(tǒng)．當然，學(xué)生也可根據(jù)通信課程中的理論知識點，選擇不同的實驗?zāi)K來搭建系統(tǒng)．

1 模擬/數(shù)字調(diào)制解調(diào)光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)

此處采用通信原理實驗箱的相關(guān)模塊進行設(shè)計，如圖1所示．信源發(fā)出的原始電信號即基帶信號，頻率較低，強度較弱，還通常包含直流成分，在通信系統(tǒng)中直接傳輸損耗較大，易受干擾．因此在通信原理實驗中，一般通過調(diào)制使原始基帶信號轉(zhuǎn)換成抗干擾能力強或便于多路復(fù)用的已調(diào)信號，并根據(jù)信源的信號類型選擇模擬調(diào)制或是數(shù)字調(diào)制．已調(diào)信號在傳輸?shù)浇邮斩撕?，需從中提取出原來的信號，這個過程叫解調(diào)，它是調(diào)制的逆過程，但其實質(zhì)都是頻譜的轉(zhuǎn)移[1]．不同的調(diào)制方式，對應(yīng)的解調(diào)方式也不一樣．

圖1 調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)

若信源發(fā)出模擬信號，可采用幅度調(diào)制(AM)．電路的實現(xiàn)過程是在引入一個直流補償電壓后，模擬信號和載波通過乘法器完成模擬調(diào)制．在解調(diào)時則是利用乘法器使已調(diào)信號與同頻同相的載波相乘，通過低通濾波器濾除高頻信號還原出原始信號，即完成模擬信號的無失真?zhèn)鬏?，其中通過控制直流補差電壓的大小可調(diào)節(jié)調(diào)制系數(shù)m的大?。斝旁礊閿?shù)字信號時，可采用二進制頻移鍵控(2FSK)將基帶信號變成頻帶信號．電路的實現(xiàn)方式是數(shù)字信號通過控制模擬開關(guān)實現(xiàn)不同頻率的信號輸出，即得到2FSK已調(diào)信號．2FSK的解調(diào)方式可采用過零檢測[2]，已調(diào)信號通過微分和整流處理后由低通濾波器濾除高頻成份，再經(jīng)過抽樣判決恢復(fù)出數(shù)字信號，具體的電路可參見文獻[3]．由于數(shù)字調(diào)制技術(shù)可進行加密、糾錯和流量控制、便于集成[1]，因此在實際應(yīng)用中數(shù)字通信比模擬通信更具優(yōu)勢．

1.2光纖通信系統(tǒng)

以光為信息載體實現(xiàn)通信的通信系統(tǒng)具有傳輸速率快、容量大、衰減小等優(yōu)點．一般光纖通信實驗系統(tǒng)主要包括信源、光發(fā)送模塊、光纖傳輸線路、光接收模塊、信宿等，如圖2所示．傳輸?shù)男盘柗N類包括波形、圖像或是語音等．

圖2 光纖通信系統(tǒng)

在此利用光纖通信實驗箱的有關(guān)模塊來設(shè)計，具體的電路可參考文獻[3]．光發(fā)射模塊的驅(qū)動電路控制發(fā)光二極管發(fā)光將信源轉(zhuǎn)換成光信號，并將經(jīng)轉(zhuǎn)換調(diào)制后的光信號以較高的轉(zhuǎn)換效率注入到光纖中，其中模擬信號是通過晶體管級聯(lián)放大電路進行電流放大來驅(qū)動光源，而數(shù)字信號可通過電流驅(qū)動器轉(zhuǎn)換成電流后再驅(qū)動光源[4]．

信號通過光纖傳輸線路到達光接收模塊后，通過光探測器后光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，然后這微弱的電信號通過低噪聲放大器和主放大器送到信宿．光探測器作為光接收機的第一環(huán)節(jié)，它產(chǎn)生的噪聲對后面的設(shè)備有顯著的影響[5]．放大器在系統(tǒng)中非常重要，決定了光接收模塊輸出的信號是否失真．通過調(diào)節(jié)放大器的增益，可改善系統(tǒng)的效果．

1.3模擬/數(shù)字調(diào)制解調(diào)光纖通信系統(tǒng)

利用前述的調(diào)制解調(diào)模塊和光纖通信模塊設(shè)計了一個模擬/數(shù)字調(diào)制解調(diào)光纖通信系統(tǒng)，如圖3所示．信號輸入到調(diào)制模塊，并根據(jù)信號的類型選擇調(diào)制方式．將調(diào)制后的信號輸入到光發(fā)送模塊，在光纖中傳輸?shù)焦饨邮漳K，最后通過解調(diào)模塊恢復(fù)出信號．新系統(tǒng)的功能比原來的單個實驗系統(tǒng)更豐富，實驗者可綜合這兩門實驗課所涉及的知識點，根據(jù)需求自主設(shè)計實驗項目．

圖3 模擬/數(shù)字調(diào)制解調(diào)光纖通信系統(tǒng)

下面以AM、2FSK調(diào)制解調(diào)為例分別進行模擬、數(shù)字調(diào)制解調(diào)光纖通信系統(tǒng)實驗，本綜合實驗把原有通信原理、光纖通信實驗箱的模塊串聯(lián)起來實現(xiàn)信號傳輸，如圖4所示．

圖4 信號傳輸路線及測試點分布圖

當輸入信號為模擬信號時，首先將信號輸入到通信原理實驗箱的AM調(diào)制模塊變成高頻信號，再通過光纖通信實驗箱的開關(guān)SW101選擇模擬光驅(qū)動電路驅(qū)動光源以完成電光轉(zhuǎn)換，當光信號經(jīng)過光纖傳輸?shù)教綔y器，再轉(zhuǎn)換成電信號．為提高信噪比，先對電信號進行濾波并低噪聲放大，再經(jīng)過更大倍數(shù)的主放大，以達到信號在電路中有效傳輸．將收到的調(diào)制信號輸送到通信原理Ⅵ型實驗箱的AM解調(diào)模塊恢復(fù)出模擬信號．

當信源為數(shù)字信號時，可在調(diào)制解調(diào)模塊選擇2FSK，其它模塊不變，即可形成一個數(shù)字調(diào)制解調(diào)光纖通信系統(tǒng)．此處需要注意的是，數(shù)字信號通過2FSK調(diào)制后，其信號變成模擬信號，因此2FSK調(diào)制解調(diào)光纖通信系統(tǒng)采用的是模擬光纖傳輸系統(tǒng)，而不是數(shù)字光纖傳輸系統(tǒng)．若已調(diào)信號為數(shù)字信號時，可通過控制開關(guān)SW101選擇數(shù)字驅(qū)動電路來驅(qū)動光源．電路連接好之后，用數(shù)字示波器觀測各測試點的波形并進行比較，其具體電路實現(xiàn)可見文獻[3]，其中測試點1獲得的是信源波形，測試點2得到的是調(diào)制后的高頻信號，測試點3顯示的是經(jīng)過光纖通信系統(tǒng)傳輸后解調(diào)前的信號，測試點4測量的是經(jīng)過模擬/數(shù)字調(diào)制解調(diào)光纖通信系統(tǒng)后的信號．

2 測試結(jié)果與分析

2.1 模擬調(diào)制解調(diào)光纖傳輸系統(tǒng)

對如下三種方案的通信效果進行了測試，結(jié)果分別見圖5、圖6和圖7．方案一，只有通信原理實驗?zāi)K的AM調(diào)制解調(diào)通信系統(tǒng)，相當于圖4中的測試點2與測試點3直接相連，不經(jīng)過光纖通信；方案二，只有光纖通信實驗?zāi)K的模擬光纖通信系統(tǒng)，相當于圖4中測試點1與測試點2、測試點3和測試點4直接用導(dǎo)線相連，不用調(diào)制解調(diào)；方案三，如圖4所示完整的AM模擬調(diào)制解調(diào)光纖通信系統(tǒng)．通過觀測波形，可見：

1）對比圖5、圖6和圖7（d）中的信號2（二者中的下波形），可發(fā)現(xiàn)模擬信號不管是通過調(diào)制解調(diào)在電路中傳輸，還是直接在光纖系統(tǒng)中傳輸，或是先通過調(diào)制再通過光纖系統(tǒng)傳輸后解調(diào)，都能恢復(fù)出較好的波形，這說明這三種通信系統(tǒng)都能實現(xiàn)信號的傳輸．

2）對比三個方案最終輸出信號發(fā)現(xiàn)，方案三得到的模擬信號即圖7（d）的下波形失真最小，同步性較好，幅度較大，傳輸效果總體來說最佳．由方案二直接通過光纖系統(tǒng)得到的模擬信號即圖6的信號2有很多毛刺，波形失真嚴重．方案一得到的模擬信號即圖5的信號2時延最大，同步性最差．

3）將示波器的時間軸由原來的500 μs / div調(diào)到50 μs / div得到圖7（c），即將圖7（b）的波形展開，可清晰觀察到，與經(jīng)過光纖前的高頻信號相比，經(jīng)過光纖傳輸后的高頻信號波峰和波谷處有失真，說明光纖傳輸線路上有噪聲，這主要來自于半導(dǎo)體激光器在電/光轉(zhuǎn)換時的非線性效應(yīng)[6]．另外，可以根據(jù)輸出電壓U2和輸入電壓U1，計算增益U2/ U1．

2.2數(shù)字調(diào)制解調(diào)光纖傳輸系統(tǒng)

現(xiàn)將通信原理實驗?zāi)K上的數(shù)字信號作為信源，測試如下三種通信系統(tǒng)：方案一，只有通信原理實驗系統(tǒng)的2FSK調(diào)制解調(diào)通信模塊，相當于圖4中的測試點2與測試點3直接相連；方案二：只有數(shù)字光纖通信系統(tǒng)，相當于圖4中測試點1與測試點2、測試點3和測試點4直接相連；方案三：如圖4，組成2FSK數(shù)字調(diào)制解調(diào)光纖通信系統(tǒng)．三種方案的測試結(jié)果分別見圖8、圖9和圖10．由圖可見：

1）由圖8、圖9和圖10（c）可知，不管數(shù)字信號是通過2FSK調(diào)制解調(diào)在電路中傳輸，還是直接在數(shù)字光纖系統(tǒng)中傳輸，或是先通過調(diào)制再通過光纖系統(tǒng)傳輸，都能恢復(fù)出較好的波形，這說明這三種通信系統(tǒng)都能實現(xiàn)數(shù)字信號的傳輸．三種方案中效果最好的是方案二，通過此通信系統(tǒng)得到的數(shù)字信號幅度較大，時延小，同步性最好，波形毛刺也較少．最差的是方案一，雖然得到的信號幅度大，但波形毛刺多，時延較大，同步性最差．

2）比較方案三中已調(diào)信號在光纖傳輸前后的差異，如圖10(b)所示，波形相似，相位相反，波峰波谷處略有差異，此處的相位差由數(shù)字光驅(qū)動電路的不同所致，而非因光纖傳輸產(chǎn)生時延，同步性非常好，這說明數(shù)字信號經(jīng)過調(diào)制后在光纖傳輸時幾乎不受信道噪聲影響．

圖5 方案一模擬信號(上)和經(jīng)過AM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的模擬信號(下)波形

圖6 方案二模擬信號(上)和直接經(jīng)過光纖通信系統(tǒng)的模擬信號(下)波形

圖7 AM調(diào)制解調(diào)光纖通信系統(tǒng)在各測試點（見圖4）波形

3）比較圖6、圖9可見，在光纖通信系統(tǒng)中，數(shù)字信號比模擬信號的傳輸效果好，這說明數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的抗干擾能力比模擬光纖通信系統(tǒng)的強，其原因是在模擬光纖通信系統(tǒng)中，噪聲疊加在信號上，兩者很難分開，放大時噪聲和信號一起放大，不能改善因傳輸而降低的信噪比[7]，這就說明了2FSK調(diào)制解調(diào)光纖通信系統(tǒng)的傳輸效果比數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的差．

圖8 方案一數(shù)字信號(上)和經(jīng)過2FSK調(diào)制系統(tǒng)的數(shù)字信號(下)波形

圖9 方案二數(shù)字信號(上)和直接經(jīng)過光纖傳輸系統(tǒng)的數(shù)字信號(下)波形

圖10 2FSK調(diào)制解調(diào)光纖通信系統(tǒng)中各測試點(見圖4)的波形比較．

3 結(jié) 論

通過對所構(gòu)建的模擬/數(shù)字調(diào)制解調(diào)光纖通信系統(tǒng)的傳輸效果分析可知，該系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)信號傳輸，而且比原來單種實驗系統(tǒng)的功能更為豐富．本實驗方案無需購買新的設(shè)備，實驗時只需調(diào)整原有實驗箱內(nèi)模塊的參數(shù)及模塊之間的連接關(guān)系即可，投入成本少．選擇不同模塊構(gòu)建系統(tǒng)可以滿足通信工程專業(yè)綜合設(shè)計性實驗的需求，可涉及兩門及以上專業(yè)課程實驗，有利于學(xué)生全面認識通信系統(tǒng)的完整性，加強課程知識之間的聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生集成創(chuàng)新能力．

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Design on Optical Fiber Communication Synthetic Experiments with Analog / Digital Modulation and Demodulation

LV Fei, WEI Wensheng, SHEN Qi
(College of Physics and Electronic Information Engineering, Wenzhou University, Wenzhou, China 325035)

It is well-known that communication systems are composed of various function modules. In order to facilitate students to study the knowledge and skills of major of communication engineering, the traditional course experiments are made gradually, which is not benefit to guide the student to consist of the relatively complete communication system. Aiming at the current experimental teaching situation of communication engineering core courses, this paper develops a synthetic experiment based on “Principle of Communication”and “Fiber Optical Communication Technology”. As an example, the experiments of AM, 2FSK modulation/demodulation and the one of optical transmission system were synthesize, previous equipments were utilized to design a more comprehensive communication system to accomplish a relative complicate experiment without extra funds. It can help students to reinforce the links between diverse knowledge, to gain a deeper understanding of theory about the whole communication system, and to improve operational ability and save time of experiments & the laboratory construction．

Principles of Communication; Fiber Optic Communication; Synthetic Experiment

TN914.3

A

1674-3563(2015)01-0038-07

10.3875/j.issn.1674-3563.2015.01.007 本文的PDF文件可以從xuebao.wzu.edu.cn獲得

(編輯：王一芳)

2014-03-21

呂菲(1991- )，女，浙江麗水人，研究方向：信號與信息處理．? 通訊作者，weiwensheng@wzu.edu.cn