光纖電話通信系統(tǒng)的設(shè)計與性能仿真

任魯涌　李西順　王善斌　彭榮群

【摘 要】本文設(shè)計了一款語音通話光纖通信系統(tǒng)，并用軟件進(jìn)行了仿真設(shè)計及性能仿真分析。設(shè)計中采用軟硬件結(jié)合的方法，在硬件上實現(xiàn)了強度調(diào)制直接檢測式的點到點的語音通話的數(shù)字光纖傳輸系統(tǒng)；在軟件上采用了電路仿真軟件，對本文設(shè)計的語音通話的光纖傳輸系統(tǒng)，從部分到整體的設(shè)計進(jìn)行仿真分析，通過設(shè)計的實際硬件系統(tǒng)的通話及性能參數(shù)的仿真驗證，設(shè)計的系統(tǒng)可行，達(dá)到性能要求。

【關(guān)鍵詞】光發(fā)射機；光接收機；語音光纖通信系統(tǒng)

中圖分類號： TN859 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）20-0010-004

Design and Performance Simulation of Optical Fiber Telephone Communication System

REN Lu-yong LI Xi-shun WANG Shan-bin PENG Rong-qun

（School of Computer Technology and Science， Shandong University of Technology， Zibo Shandong 255049，China）

【Abstract】This paper designs a voice communication optical fiber communication system，and carries on the simulation design and the performance simulation analysis by software.Design of the combination of hardware and software，in the hardware to achieve the intensity of the direct detection of point-to-point voice calls digital optical transmission system；in the software using the circuit simulation software，the design of the voice call of the optical transmission System，from the part to the overall design of the simulation analysis，through the design of the actual hardware system call and performance parameters of the simulation，the design of the system feasible to achieve performance requirements.

【Key words】Optical transmitter；Optical receiver；Voice optical fiber communication system

近十幾年以來，光纖通信已經(jīng)徹底改變了整個通信的發(fā)展，使得高速，高容量的通信成為可能。目前已成為不可替代的最重要的信息傳輸技術(shù)。光纖通信已形成強大的行業(yè)和巨大的市場，并在高速發(fā)展著。從整個光通信行業(yè)的角度來看，由于信息需求的增長，全球光纜和光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備市場保持了較快發(fā)展。光纖通信已貫穿我們生活中的方方面面，它使得大容量，超速度，遠(yuǎn)距離成為了現(xiàn)實，為我們的生活提供了便利，也為信息的發(fā)展創(chuàng)造了條件。研究光纖通信系統(tǒng)更好的實現(xiàn)超長距離，超低損耗，綜合業(yè)務(wù)傳輸，節(jié)省金屬材料，使我們的生活更加優(yōu)質(zhì)美好，因此用光纖作為傳輸媒介構(gòu)成通信系統(tǒng)成為通信領(lǐng)域的一個關(guān)注的熱點。

1 光纖通信系統(tǒng)

1.1 光纖通信系統(tǒng)的組成

光纖通信系統(tǒng)如圖1所示，光纖基本通信系統(tǒng)，由光發(fā)射機，光纖線路，和光接收機三個部分組成，信息源把各種各樣的用戶信息轉(zhuǎn)換為電信號，這種電信號稱為基帶信號；電發(fā)射機把基帶電信號轉(zhuǎn)換為適合在信道中傳輸?shù)男畔?，這種信號大多被稱為調(diào)制信號。光發(fā)射機，實現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換，把電信號轉(zhuǎn)換為光信號，并盡最大耦合的把光信號傳輸?shù)焦饫w線路；光纖線路，把從光發(fā)射機接受來的信號以盡可能小的畸變和失真?zhèn)鬏數(shù)焦饨邮諜C；光接收機把從光纖線路傳輸來的微弱光信號轉(zhuǎn)換為電信號，即實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，并經(jīng)其后的主放大器進(jìn)行放大，然后傳送到電接收機，其中最主要的光電檢測模塊和光放大器等模塊，這直接影響到信號的靈敏度等。電接收機對從光接收機來的信號進(jìn)行解調(diào)制，然后變?yōu)樽罨镜碾娦盘?，從而送到信息宿；信息宿把基本電信號轉(zhuǎn)換為用戶信息，從而達(dá)到通信的目的。光纖通信系統(tǒng)可以傳輸兩種信號，分別為數(shù)字信號和模擬信號，光纖通信系統(tǒng)分為數(shù)字光纖通信系統(tǒng)和模擬光纖通信系統(tǒng)。模擬和數(shù)字光纖通信系統(tǒng)各有優(yōu)缺點。

1.2 光纖電話通信系統(tǒng)設(shè)計的目的

通信專業(yè)通信理論學(xué)習(xí)中，由于其理論內(nèi)容理論性強，抽象，不對應(yīng)實際具體應(yīng)用的通信系統(tǒng)，在理解及掌握上困難，特別對通信理論在實際中的具體應(yīng)用、實際通信系統(tǒng)的具體組成及工作過程沒有清楚的實際認(rèn)識。因此對于通信專業(yè)方向到底做什么的認(rèn)識有點迷茫，為培養(yǎng)初學(xué)者實現(xiàn)從理論到實際轉(zhuǎn)變，又有創(chuàng)新意識，就要利用現(xiàn)有的實驗室的設(shè)備平臺，提出一種可行的方法，讓初學(xué)者自己動手進(jìn)行實際通信系統(tǒng)的設(shè)計，通過自己動手提高解決實際問題的能力，增強創(chuàng)新意識，熟悉通信理論在實際通信系統(tǒng)的應(yīng)用，熟悉實際通信系統(tǒng)的設(shè)計流程、各個部分的構(gòu)成、工作程序、指標(biāo)測試方法及手段。達(dá)到培養(yǎng)合格工程人才的目標(biāo)。我們利用實驗室光纖通信系統(tǒng)設(shè)備平臺，設(shè)計出點到點光纖電話通信系統(tǒng)的硬件構(gòu)成及相對應(yīng)的系統(tǒng)性能指標(biāo)的仿真模型，實現(xiàn)實際通話驗證及指標(biāo)檢測驗證。endprint

2 硬件系統(tǒng)搭建

本次設(shè)計構(gòu)建出了光纖電話通信系統(tǒng)的硬件電路，其實現(xiàn)了雙向語音通話的效果，即構(gòu)造了一個實際的實現(xiàn)語音雙向通話的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)。設(shè)計中以我們實驗室有的GXLTE06光纖通信設(shè)備平臺為依托進(jìn)行設(shè)計。該設(shè)備平臺共有9個模塊，設(shè)計中用了7個模塊。設(shè)計時考慮要實現(xiàn)語音雙向數(shù)字光纖傳輸系統(tǒng)，語音是從電話機的話筒產(chǎn)生的模擬電信號，就必須要先進(jìn)行編碼，把信息即既語音信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，需要編碼過程是：一般先形成PCM編碼，用PCM編碼來表示傳輸?shù)恼Z音信號，再通過經(jīng)過復(fù)用形成基帶CMI編碼，將CMI編碼送至光發(fā)射機進(jìn)行光波調(diào)制，將調(diào)制光波耦合進(jìn)光纖傳輸，到光接收機端，由光纖傳過來的調(diào)制光波經(jīng)光接收機轉(zhuǎn)換為電信號，電信號波形數(shù)字化后，輸送到CMI譯碼單元，經(jīng)PCM譯碼，再通過交換網(wǎng)絡(luò)送回到用戶單元，實現(xiàn)雙向通話。所以就要用到語音終端模塊、光收發(fā)模塊、同步模塊，復(fù)用模塊、基帶傳輸模塊，和主控信息源模塊。當(dāng)然還需要兩部終端電話機和示波器。在這次設(shè)計中，同時做了對設(shè)計的點到點的數(shù)字光纖雙向通話通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行仿真測試設(shè)計，測試了系統(tǒng)PN序列的傳輸，光發(fā)射機發(fā)射光功率，在無失真?zhèn)鬏敔顟B(tài)時光接收機的靈敏度。

2.1 系統(tǒng)設(shè)計的硬件組成框圖

本次設(shè)計主要是在實驗室的GXTE06A設(shè)備平臺中搭建電話話音信號時分交換系統(tǒng)，完成甲方一路和甲方二路的正常通話。設(shè)計的硬件系統(tǒng)組成如圖2所示。由話機，用戶接口電路，話路PCM編譯碼電路，話路交換網(wǎng)絡(luò)，程控交換控制單元及復(fù)用模塊，CMI編譯碼模塊，光收發(fā)模塊，光纖線路。系統(tǒng)的工作流程：甲方一路電話和甲方二路電話的話音信號，先分別經(jīng)過PCM編碼處理，送入至話路交換網(wǎng)絡(luò)控制及信號復(fù)用單元，然后經(jīng)過CMI編碼處理送至光發(fā)射機進(jìn)行光纖傳輸；光接收端輸出信號返回至CMI譯碼單元，然后送回交換網(wǎng)絡(luò)完成一系列交換處理，最后將交換處理的信號送至各個用戶。交換過程中各種信令及鈴流則由程控交換控制單元來處理。其系統(tǒng)的工作流程框圖表示如圖3所示。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計的硬件實現(xiàn)

本次設(shè)計的實現(xiàn)語音雙向甲方一路電話和甲方二路電話通話的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的實現(xiàn)如圖4所示，經(jīng)過調(diào)試，實現(xiàn)了甲方一路電話和甲方二路電話的話音清晰通話。設(shè)計的系統(tǒng)還具有改變系統(tǒng)組成模塊的某些可調(diào)參數(shù)可實現(xiàn)系統(tǒng)靈敏度調(diào)節(jié)及系統(tǒng)動態(tài)范圍的擴大的效果。

的實現(xiàn)連線圖

3 仿真設(shè)計分析

軟硬件結(jié)合的設(shè)計方法更容易理解設(shè)計理論，軟件仿真設(shè)計：操作簡單，可靈活改變電路參數(shù)、電路連接和顯示讀數(shù)的特的點，在設(shè)計中作為輔助手段得到廣泛應(yīng)用。本設(shè)計采用電路仿真程序e-labsim對硬件系統(tǒng)進(jìn)行了光發(fā)射機發(fā)射光功率和接收機靈敏度的參數(shù)測量，及PN序列的傳輸測量。用optiSystem仿真軟件進(jìn)行了采用直接調(diào)制和間接調(diào)制的光纖通信系統(tǒng)設(shè)計仿真分析，通過觀察其系統(tǒng)的信號頻譜、眼圖及誤碼率，來進(jìn)行不同系統(tǒng)性能的分析對比，進(jìn)一步加深通信系統(tǒng)理論及設(shè)計過程的理解。

3.1 硬件系統(tǒng)傳輸特性e-labsim仿真

3.1.1 光發(fā)射機發(fā)射光功率測量

建立硬件系統(tǒng)的測量連接，如圖5所示，e-labsim取硬件系統(tǒng)的電路參數(shù)，在顯示屏上讀發(fā)射機發(fā)射光功率。

3.1.2 光接收機靈敏度的測量

建立硬件系統(tǒng)的測量連接，如圖6所示，e-labsim取硬件系統(tǒng)的電路參數(shù)，在顯示屏上讀對應(yīng)波長的光接收機靈敏度測量值。

3.1.3 光纖傳輸系統(tǒng)PN序列的傳輸驗證仿真

建立硬件系統(tǒng)的測量仿真連接，如圖7所示，e-labsim取硬件系統(tǒng)的電路參數(shù)，示波器顯示光接收機端PN序列動態(tài)波形，如圖8所示為示波器顯示光接收機端PN序列靜態(tài)波形。

3.2 數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的optiSystem仿真設(shè)計

optiSystem仿真軟件是一款專門針對光纖通信系統(tǒng)設(shè)計與分析的軟件。該軟件因其界面友好，操作簡單，功能強大，它自帶電和光測試器，可靈活改變參數(shù)和顯示的讀數(shù)，如誤碼率分析儀里面就有好多選項，可以看到在有噪聲和無噪聲以及有無眼圖的條件下的誤碼率，已在國內(nèi)廣泛應(yīng)用。運用optiSystem仿真軟件來進(jìn)行光纖通信系統(tǒng)的仿真設(shè)計與分析，對進(jìn)行實際光通信系統(tǒng)設(shè)計具有很大的幫助。

在實際學(xué)習(xí)中，運用這款軟件進(jìn)行光纖通信系統(tǒng)的仿真設(shè)計，可非常方便驗證不同光纖通信系統(tǒng)的的性能區(qū)別于比較。如采用直接調(diào)制與間接調(diào)制的光纖通信系統(tǒng)，在仿真設(shè)計上，沒有太大的區(qū)別，只是光源的調(diào)制方式不同，多了一個調(diào)制器而已，但調(diào)制出來的光源是不同的，最后得到的誤碼率也是不同的。通過，e-labsim仿真和optiSystem仿真結(jié)果的比較，偏差很小，因此optiSystem仿真也較確切地反應(yīng)實際設(shè)計的光纖通信系統(tǒng)的特性，optiSystem仿真具有很大現(xiàn)實意義與應(yīng)用意義。下面具體演示。

3.2.1 光纖間接調(diào)制通信系統(tǒng)仿真設(shè)計

建立光纖數(shù)字間接調(diào)制通信系統(tǒng)仿真模型如圖9所示，一般都是用一些信息源來代替數(shù)字信號，本文中，用偽隨機碼發(fā)生器（Pseudo-Random Bit Sequence Generator）產(chǎn)生的信號來代替的需要的數(shù)字信號序列，再通過NRZ脈沖發(fā)生器（None-Return-to-Zero Generator），將該信號序列加載到電信號上轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，間接調(diào)制采用Mach-Zehnder調(diào)制器，由光源產(chǎn)生的光信號傳送到Mach-Zehnder光調(diào)制器，再把傳輸?shù)碾娦盘栃蛄屑虞d到Mach-Zehnder調(diào)制器上，經(jīng)Mach-Zehnder調(diào)制器輸出光信號，就是經(jīng)過間接調(diào)制將電信號加載到光波上，調(diào)制后光波送到光纖線路中傳輸。再經(jīng)過光接收機的光電檢測器，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，optisystem中的光電檢測器本身就帶有前置放大器和主放大器，故可不用添加，然后在經(jīng)過均衡，濾波、解調(diào)等回復(fù)成原始信號，而誤碼率分析儀中已自帶解調(diào)功能，它上面有判決器和時鐘恢復(fù)電路，故經(jīng)過誤碼儀之后可恢復(fù)成適合在PCM中傳輸?shù)脑夹盘?。endprint

3.2.2 光纖直接調(diào)制通信系統(tǒng)仿真設(shè)計

建立光纖數(shù)字直接調(diào)制通信系統(tǒng)仿真模型如圖10所示，在本文中，用的信源與圖9所示中的相同，將信源輸出的電信號直接加到光發(fā)射機的光源上，使輸出光信號隨電信號變化而變化，即實現(xiàn)對光發(fā)射機光源的直接調(diào)制，然后光源輸出的調(diào)制光波耦合進(jìn)光纖線路傳輸。到光接收機端，再經(jīng)過光接收機中的光電檢測器，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，然后在經(jīng)過均衡，濾波、解調(diào)等回復(fù)成原始信號，而誤碼率分析儀中已自帶解調(diào)功能，它上面有判決器和時鐘恢復(fù)電路，故經(jīng)過誤碼儀之后可恢復(fù)成適合在PCM中傳輸?shù)脑夹盘枴?/p>

3.2.3 仿真結(jié)果對比分析

在系統(tǒng)參數(shù)相同條件下，對比直接調(diào)制和間接調(diào)制的性能，如圖11所示為間接調(diào)制的頻譜圖， 如圖12所示為直接調(diào)制的頻譜圖；如圖13 所示為間接調(diào)制的系統(tǒng)誤碼率及眼圖，如圖14所示為直接調(diào)制的系統(tǒng)誤碼率及眼圖。

由上圖對比可以看出，間接調(diào)制與直接調(diào)制相比，在對于小容量，短距離傳輸系統(tǒng)來講，但性能差別不大，且間接調(diào)制與直接調(diào)制相比技術(shù)復(fù)雜。但在高速及遠(yuǎn)距離傳輸時確實間接調(diào)制與直接調(diào)制相比有優(yōu)勢。

4 結(jié)束語

這次設(shè)計中，我采用的硬件是以實驗室有的GXTE06A光纖設(shè)備平臺模塊進(jìn)行的開發(fā)設(shè)計，設(shè)計中體現(xiàn)的思想就是進(jìn)行準(zhǔn)實際應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計，設(shè)計出的（下轉(zhuǎn)第30頁）（上接第13頁）系統(tǒng)與實際中社會應(yīng)用的系統(tǒng)是相似的，設(shè)計出的硬件系統(tǒng)進(jìn)行了清晰通話實驗，對其性能進(jìn)行了實際測試，如光發(fā)射機平均光功率的測量，光接收機靈敏度，測量參數(shù)達(dá)到設(shè)計要求，這就驗證所設(shè)計的系統(tǒng)是可行。這樣做到了理論到實踐訓(xùn)練，同時又通過仿真設(shè)計與仿真分析做到對理論的深入熟悉、理解，通過仿真設(shè)計與仿真分析可以方便直接對比不同光纖系統(tǒng)之間的性能差別，通過仿真設(shè)計與仿真分析可以方便的通過更換光纖系統(tǒng)中不同元件參數(shù)方便觀察其的影響，了解直接調(diào)制與間接調(diào)制的區(qū)別。另外，對于光纖通信系統(tǒng)比較關(guān)鍵的影響因素為損耗和色散，基于GXTE06A的二次開發(fā)，可以與MATLAB等軟件進(jìn)行基于M語言的開發(fā)，來研究光纖通信系統(tǒng)的衰減和色散對傳輸信息的影響。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張煦.光纖傳輸系統(tǒng)設(shè)計[M].上海交通大學(xué)出版社，1998.

[2]馬曉紅，王尤翠，戴居豐.數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的建模與仿真[J].天津大學(xué)學(xué)報，Vol.32，No.4，Jul.1999.

[3]Alfred W.T.Wu；Arthur J.Lowery，Efficient Multiwavelength Dynamic Model for Erbium-Doped Fiber Amplifier，IEEE Journal of Quantum Electronics，Vol.34，No.8，August 1998.

[4]T YU，W M Reimer，V S Grigoryan，A Mean field approach for simulating wavelength-division multiplexed systems，IEEE Photonics Technology Letters，2000，12（4）：443-445.

[5]劉曾基，胡遼林，周洋溢，等.光纖通信[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2001，2～3，4～7，33～35.endprint