一種模擬/數(shù)字調(diào)制解調(diào)光纖通信綜合實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

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(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

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(shí)和技能，將各門課程的實(shí)驗(yàn)分時(shí)段、分地點(diǎn)循序漸進(jìn)開展，這樣不利于學(xué)習(xí)者對(duì)通信系統(tǒng)的整體認(rèn)識(shí)．針對(duì)當(dāng)前通信工程專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀，以通信原理的AM、2FSK調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)與光纖通信的光傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)合為例，設(shè)計(jì)了這兩門課程的綜合實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可利用原有的實(shí)驗(yàn)器材，設(shè)計(jì)更加全面的通信系統(tǒng)，無(wú)需另加經(jīng)費(fèi)即可開展綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，這有利于加強(qiáng)知識(shí)之間的聯(lián)系，深化對(duì)通信系統(tǒng)整體性的理解，提高學(xué)生的動(dòng)手能力，節(jié)約實(shí)驗(yàn)時(shí)間及實(shí)驗(yàn)室建設(shè)時(shí)間．

通信原理；光纖通信；綜合實(shí)驗(yàn)

隨著社會(huì)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(dòng)通信》等專業(yè)理論課程和配套的實(shí)驗(yàn)．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(shí)體系，讓學(xué)生們循序漸進(jìn)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(shí)驗(yàn)則采用實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行，每種課程實(shí)驗(yàn)箱都是一個(gè)簡(jiǎn)易的通信系統(tǒng)，功能簡(jiǎn)單．不同課程的實(shí)驗(yàn)通常分開進(jìn)行，且采用實(shí)驗(yàn)箱來(lái)完成不同課程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目．學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)只能掌握該實(shí)驗(yàn)箱對(duì)應(yīng)的課程知識(shí)和技能，容易忽視不同課程之間知識(shí)和技能的聯(lián)系．另外，實(shí)驗(yàn)箱的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目一般以驗(yàn)證性為主，實(shí)驗(yàn)?zāi)K選定后無(wú)法拓展新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容．若增加更多功能的實(shí)驗(yàn)箱，則會(huì)因增加經(jīng)費(fèi)和實(shí)驗(yàn)用房而難以為繼，學(xué)生很難有機(jī)會(huì)進(jìn)行通信系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)．鑒于這種現(xiàn)狀，應(yīng)在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)器材上進(jìn)行改進(jìn)，綜合兩門及以上實(shí)驗(yàn)課程，設(shè)計(jì)功能相對(duì)全面的通信系統(tǒng)．本文以通信原理實(shí)驗(yàn)和光纖通信實(shí)驗(yàn)為例，利用現(xiàn)成的通信原理實(shí)驗(yàn)箱和光纖通信實(shí)驗(yàn)箱，構(gòu)建了模擬 / 數(shù)字調(diào)制解調(diào)光纖通信系統(tǒng)．當(dāng)然，學(xué)生也可根據(jù)通信課程中的理論知識(shí)點(diǎn)，選擇不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)K來(lái)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(jì)

1.1 調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)

此處采用通信原理實(shí)驗(yàn)箱的相關(guān)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖1所示．信源發(fā)出的原始電信號(hào)即基帶信號(hào)，頻率較低，強(qiáng)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(shí)驗(yàn)中，一般通過(guò)調(diào)制使原始基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換成抗干擾能力強(qiáng)或便于多路復(fù)用的已調(diào)信號(hào)，并根據(jù)信源的信號(hào)類型選擇模擬調(diào)制或是數(shù)字調(diào)制．已調(diào)信號(hào)在傳輸?shù)浇邮斩撕?，需從中提取出原?lái)的信號(hào)，這個(gè)過(guò)程叫解調(diào)，它是調(diào)制的逆過(guò)程，但其實(shí)質(zhì)都是頻譜的轉(zhuǎn)移[1]．不同的調(diào)制方式，對(duì)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(hào)，可采用幅度調(diào)制(AM)．電路的實(shí)現(xiàn)過(guò)程是在引入一個(gè)直流補(bǔ)償電壓后，模擬信號(hào)和載波通過(guò)乘法器完成模擬調(diào)制．在解調(diào)時(shí)則是利用乘法器使已調(diào)信號(hào)與同頻同相的載波相乘，通過(guò)低通濾波器濾除高頻信號(hào)還原出原始信號(hào)，即完成模擬信號(hào)的無(wú)失真?zhèn)鬏?，其中通過(guò)控制直流補(bǔ)差電壓的大小可調(diào)節(jié)調(diào)制系數(shù)m的大?。?dāng)信源為數(shù)字信號(hào)時(shí)，可采用二進(jìn)制頻移鍵控(2FSK)將基帶信號(hào)變成頻帶信號(hào)．電路的實(shí)現(xiàn)方式是數(shù)字信號(hào)通過(guò)控制模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)不同頻率的信號(hào)輸出，即得到2FSK已調(diào)信號(hào)．2FSK的解調(diào)方式可采用過(guò)零檢測(cè)[2]，已調(diào)信號(hào)通過(guò)微分和整流處理后由低通濾波器濾除高頻成份，再經(jīng)過(guò)抽樣判決恢復(fù)出數(shù)字信號(hào)，具體的電路可參見文獻(xiàn)[3]．由于數(shù)字調(diào)制技術(shù)可進(jìn)行加密、糾錯(cuò)和流量控制、便于集成[1]，因此在實(shí)際應(yīng)用中數(shù)字通信比模擬通信更具優(yōu)勢(shì)．

1.2光纖通信系統(tǒng)

以光為信息載體實(shí)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(diǎn)．一般光纖通信實(shí)驗(yàn)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?hào)種類包括波形、圖像或是語(yǔ)音等．

圖2 光纖通信系統(tǒng)

在此利用光纖通信實(shí)驗(yàn)箱的有關(guān)模塊來(lái)設(shè)計(jì)，具體的電路可參考文獻(xiàn)[3]．光發(fā)射模塊的驅(qū)動(dòng)電路控制發(fā)光二極管發(fā)光將信源轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，并將經(jīng)轉(zhuǎn)換調(diào)制后的光信號(hào)以較高的轉(zhuǎn)換效率注入到光纖中，其中模擬信號(hào)是通過(guò)晶體管級(jí)聯(lián)放大電路進(jìn)行電流放大來(lái)驅(qū)動(dòng)光源，而數(shù)字信號(hào)可通過(guò)電流驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)換成電流后再驅(qū)動(dòng)光源[4]．

信號(hào)通過(guò)光纖傳輸線路到達(dá)光接收模塊后，通過(guò)光探測(cè)器后光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，然后這微弱的電信號(hào)通過(guò)低噪聲放大器和主放大器送到信宿．光探測(cè)器作為光接收機(jī)的第一環(huán)節(jié)，它產(chǎn)生的噪聲對(duì)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(hào)是否失真．通過(guò)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(jì)了一個(gè)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(hào)輸入到調(diào)制模塊，并根據(jù)信號(hào)的類型選擇調(diào)制方式．將調(diào)制后的信號(hào)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(guò)解調(diào)模塊恢復(fù)出信號(hào)．新系統(tǒng)的功能比原來(lái)的單個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)更豐富，實(shí)驗(yàn)者可綜合這兩門實(shí)驗(yàn)課所涉及的知識(shí)點(diǎn)，根據(jù)需求自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(jìn)行模擬、數(shù)字調(diào)制解調(diào)光纖通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，本綜合實(shí)驗(yàn)把原有通信原理、光纖通信實(shí)驗(yàn)箱的模塊串聯(lián)起來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸，如圖4所示．

圖4 信號(hào)傳輸路線及測(cè)試點(diǎn)分布圖

當(dāng)輸入信號(hào)為模擬信號(hào)時(shí)，首先將信號(hào)輸入到通信原理實(shí)驗(yàn)箱的AM調(diào)制模塊變成高頻信號(hào)，再通過(guò)光纖通信實(shí)驗(yàn)箱的開關(guān)SW101選擇模擬光驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)光源以完成電光轉(zhuǎn)換，當(dāng)光信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖傳輸?shù)教綔y(cè)器，再轉(zhuǎn)換成電信號(hào)．為提高信噪比，先對(duì)電信號(hào)進(jìn)行濾波并低噪聲放大，再經(jīng)過(guò)更大倍數(shù)的主放大，以達(dá)到信號(hào)在電路中有效傳輸．將收到的調(diào)制信號(hào)輸送到通信原理Ⅵ型實(shí)驗(yàn)箱的AM解調(diào)模塊恢復(fù)出模擬信號(hào)．

當(dāng)信源為數(shù)字信號(hào)時(shí)，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(gè)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(hào)通過(guò)2FSK調(diào)制后，其信號(hào)變成模擬信號(hào)，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(hào)為數(shù)字信號(hào)時(shí)，可通過(guò)控制開關(guān)SW101選擇數(shù)字驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)光源．電路連接好之后，用數(shù)字示波器觀測(cè)各測(cè)試點(diǎn)的波形并進(jìn)行比較，其具體電路實(shí)現(xiàn)可見文獻(xiàn)[3]，其中測(cè)試點(diǎn)1獲得的是信源波形，測(cè)試點(diǎn)2得到的是調(diào)制后的高頻信號(hào)，測(cè)試點(diǎn)3顯示的是經(jīng)過(guò)光纖通信系統(tǒng)傳輸后解調(diào)前的信號(hào)，測(cè)試點(diǎn)4測(cè)量的是經(jīng)過(guò)模擬/數(shù)字調(diào)制解調(diào)光纖通信系統(tǒng)后的信號(hào)．

2 測(cè)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(duì)如下三種方案的通信效果進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果分別見圖5、圖6和圖7．方案一，只有通信原理實(shí)驗(yàn)?zāi)K的AM調(diào)制解調(diào)通信系統(tǒng)，相當(dāng)于圖4中的測(cè)試點(diǎn)2與測(cè)試點(diǎn)3直接相連，不經(jīng)過(guò)光纖通信；方案二，只有光纖通信實(shí)驗(yàn)?zāi)K的模擬光纖通信系統(tǒng)，相當(dāng)于圖4中測(cè)試點(diǎn)1與測(cè)試點(diǎn)2、測(cè)試點(diǎn)3和測(cè)試點(diǎn)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(guò)觀測(cè)波形，可見：

1）對(duì)比圖5、圖6和圖7（d）中的信號(hào)2（二者中的下波形），可發(fā)現(xiàn)模擬信號(hào)不管是通過(guò)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(guò)調(diào)制再通過(guò)光纖系統(tǒng)傳輸后解調(diào)，都能恢復(fù)出較好的波形，這說(shuō)明這三種通信系統(tǒng)都能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸．

2）對(duì)比三個(gè)方案最終輸出信號(hào)發(fā)現(xiàn)，方案三得到的模擬信號(hào)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(lái)說(shuō)最佳．由方案二直接通過(guò)光纖系統(tǒng)得到的模擬信號(hào)即圖6的信號(hào)2有很多毛刺，波形失真嚴(yán)重．方案一得到的模擬信號(hào)即圖5的信號(hào)2時(shí)延最大，同步性最差．

3）將示波器的時(shí)間軸由原來(lái)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(guò)光纖前的高頻信號(hào)相比，經(jīng)過(guò)光纖傳輸后的高頻信號(hào)波峰和波谷處有失真，說(shuō)明光纖傳輸線路上有噪聲，這主要來(lái)自于半導(dǎo)體激光器在電/光轉(zhuǎn)換時(shí)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(jì)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(shí)驗(yàn)?zāi)K上的數(shù)字信號(hào)作為信源，測(cè)試如下三種通信系統(tǒng)：方案一，只有通信原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的2FSK調(diào)制解調(diào)通信模塊，相當(dāng)于圖4中的測(cè)試點(diǎn)2與測(cè)試點(diǎn)3直接相連；方案二：只有數(shù)字光纖通信系統(tǒng)，相當(dāng)于圖4中測(cè)試點(diǎn)1與測(cè)試點(diǎn)2、測(cè)試點(diǎn)3和測(cè)試點(diǎn)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(cè)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(hào)是通過(guò)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(guò)調(diào)制再通過(guò)光纖系統(tǒng)傳輸，都能恢復(fù)出較好的波形，這說(shuō)明這三種通信系統(tǒng)都能實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的傳輸．三種方案中效果最好的是方案二，通過(guò)此通信系統(tǒng)得到的數(shù)字信號(hào)幅度較大，時(shí)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(hào)幅度大，但波形毛刺多，時(shí)延較大，同步性最差．

2）比較方案三中已調(diào)信號(hào)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(dòng)電路的不同所致，而非因光纖傳輸產(chǎn)生時(shí)延，同步性非常好，這說(shuō)明數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制后在光纖傳輸時(shí)幾乎不受信道噪聲影響．

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

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

圖7 AM調(diào)制解調(diào)光纖通信系統(tǒng)在各測(cè)試點(diǎn)（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(hào)比模擬信號(hào)的傳輸效果好，這說(shuō)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(qiáng)，其原因是在模擬光纖通信系統(tǒng)中，噪聲疊加在信號(hào)上，兩者很難分開，放大時(shí)噪聲和信號(hào)一起放大，不能改善因傳輸而降低的信噪比[7]，這就說(shuō)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(hào)(上)和經(jīng)過(guò)2FSK調(diào)制系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)(下)波形

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

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

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)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(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸，而且比原來(lái)單種實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的功能更為豐富．本實(shí)驗(yàn)方案無(wú)需購(gòu)買新的設(shè)備，實(shí)驗(yàn)時(shí)只需調(diào)整原有實(shí)驗(yàn)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(jì)性實(shí)驗(yàn)的需求，可涉及兩門及以上專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)，有利于學(xué)生全面認(rèn)識(shí)通信系統(tǒng)的完整性，加強(qiáng)課程知識(shí)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(hào)與信息處理．? 通訊作者，weiwensheng@wzu.edu.cn