呂 菲， 韋文生， 雷 敏， 傅佳佳

(1.溫州大學(xué) 物理與電子信息工程學(xué)院，浙江 溫州 325035; 2.四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610064)

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基于波分復(fù)用光纖傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)實(shí)驗(yàn)

呂 菲1，2， 韋文生1， 雷 敏1， 傅佳佳1

(1.溫州大學(xué) 物理與電子信息工程學(xué)院，浙江 溫州 325035; 2.四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610064)

提出了基于波分復(fù)用光纖傳輸?shù)耐ㄐ沤虒W(xué)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)案例。利用原有各門課程的實(shí)驗(yàn)器材設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)教學(xué)方案，再進(jìn)行硬件模塊組合和程序編寫調(diào)試，然后測(cè)試分析。結(jié)果表明，利用多個(gè)波分復(fù)用光纖信道開(kāi)展綜合實(shí)驗(yàn)，有利于學(xué)生在有限時(shí)間內(nèi)全面理解通信系統(tǒng)的概念，高效地掌握專業(yè)知識(shí)，提高實(shí)驗(yàn)技能。此外，可形成新的通信實(shí)驗(yàn)體系，在不增加經(jīng)費(fèi)的情況下推進(jìn)通信專業(yè)實(shí)驗(yàn)和理論教學(xué)體系的改革。

波分復(fù)用； 光纖傳輸； 通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

0 引 言

通信原理、交換技術(shù)、光纖通信等是通信工程專業(yè)的主要課程，教學(xué)時(shí)既有理論又有實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)成了學(xué)生鞏固理論、實(shí)際操作、培養(yǎng)綜合素質(zhì)的重要手段和方法。一般的課程實(shí)驗(yàn)一般采用各個(gè)廠家針對(duì)相應(yīng)理論知識(shí)點(diǎn)制作的實(shí)驗(yàn)箱，以便驗(yàn)證[1-2]。這樣節(jié)約實(shí)驗(yàn)室建設(shè)時(shí)間，實(shí)驗(yàn)器材管理方便。但實(shí)驗(yàn)箱的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能相對(duì)簡(jiǎn)單，各門課程實(shí)驗(yàn)箱的系統(tǒng)及其功能相互獨(dú)立，難免不同實(shí)驗(yàn)箱的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目重復(fù)。在課程安排上，學(xué)生因課時(shí)限制往往分開(kāi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，一個(gè)時(shí)段內(nèi)只能鞏固某一實(shí)驗(yàn)箱對(duì)應(yīng)的理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能，而對(duì)所學(xué)的專業(yè)缺乏系統(tǒng)性認(rèn)識(shí)[3-4]。顯然當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置已不能滿足學(xué)生對(duì)各科專業(yè)知識(shí)整體把握和理解。針對(duì)該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)狀部分高校引入了綜合通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[5-6]，可這樣一個(gè)類似于電信系統(tǒng)的全真式網(wǎng)絡(luò)需要一大筆開(kāi)銷，對(duì)于資金缺乏的高校難以引入到實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。

為解決實(shí)驗(yàn)課程的此類問(wèn)題，本文提出以波分復(fù)用光纖通信為主線，在此基礎(chǔ)上再向其他實(shí)驗(yàn)課程拓展和延伸，進(jìn)行綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。在不增加實(shí)驗(yàn)設(shè)備的情況下使學(xué)生們能完成通信系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)和傳輸性能測(cè)試等任務(wù)?？芍匦率崂碚麄€(gè)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)體系，調(diào)整相應(yīng)理論課的內(nèi)容，改造學(xué)科知識(shí)體系。

1 基于波分復(fù)用的綜合通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 波分復(fù)用光纖傳輸系統(tǒng)

光纖通信系統(tǒng)一般包括傳輸、處理環(huán)節(jié)，傳輸可以有單、多信道，處理可以有信源、光發(fā)送、光接收、信宿等。WDM光纖傳輸系統(tǒng)如圖1所示，單信道傳輸時(shí)的具體信號(hào)處理電路已在專利中介紹[7]。為增加光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量，可用WDM實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)同時(shí)傳輸，可節(jié)約傳輸環(huán)節(jié)的成本和建設(shè)時(shí)間[8]。在WDM中，不同的信號(hào)源通過(guò)驅(qū)動(dòng)不同波長(zhǎng)的光發(fā)送模塊將信號(hào)調(diào)制在不同波長(zhǎng)的光載波上，在發(fā)送端由合波器將這些光信號(hào)組合起來(lái)進(jìn)入一根光纖中傳輸；在接收端通過(guò)分波器將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)分別送到相應(yīng)波長(zhǎng)的光接收模塊中，再恢復(fù)成電信號(hào)。

圖1 WDM光纖傳輸系統(tǒng)

1.2 基于波分復(fù)用的綜合通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建

利用圖1所示的波分復(fù)用(Wavelength Division Multiplex,WDM)光纖傳輸系統(tǒng)，每一個(gè)傳輸通道安排一門通信專業(yè)課程的實(shí)驗(yàn)，根據(jù)不同知識(shí)點(diǎn)選用相應(yīng)的信號(hào)處理模塊來(lái)調(diào)整實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，多個(gè)信道的課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目就能綜合成一個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖2所示?？砂唇虒W(xué)計(jì)劃設(shè)置的課程和行業(yè)發(fā)展特點(diǎn)，在一個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)出通信原理、編碼技術(shù)、程控交換、無(wú)線通信等課程實(shí)驗(yàn)，根據(jù)知識(shí)體系統(tǒng)籌實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，一門實(shí)驗(yàn)課程占據(jù)一個(gè)傳輸信道，也可交替使用信道。如利用信道1可進(jìn)行通信原理的模擬/數(shù)字調(diào)制、解調(diào)實(shí)驗(yàn)，可幫助學(xué)習(xí)者比較二種調(diào)制、解調(diào)方式的不同。通過(guò)信道2可進(jìn)行編譯碼技術(shù)實(shí)驗(yàn)，可根據(jù)課時(shí)、學(xué)生等情況，安排難易不同的編譯碼項(xiàng)目。選擇信道3進(jìn)行交換技術(shù)實(shí)驗(yàn)，信源一般為語(yǔ)音信號(hào)，利用相應(yīng)軟件編寫代碼可實(shí)現(xiàn)空分交換、時(shí)分交換等功能[9-10]。

圖2 WDM光纖傳輸?shù)木C合通信系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)前根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱要求設(shè)計(jì)綜合通信系統(tǒng)，畫出連接框圖，再利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)箱選取功能模塊按照框圖進(jìn)行互聯(lián)。然后確定模塊連接、參數(shù)設(shè)置無(wú)誤后，開(kāi)啟各實(shí)驗(yàn)箱電源，編寫相應(yīng)代碼載入有關(guān)芯片運(yùn)行，利用示波器、光功率計(jì)觀察各測(cè)試點(diǎn)的波形或光功率并判斷系統(tǒng)是否連通。比較輸入、輸出信號(hào)波形的差異，調(diào)整模塊參數(shù)，直到結(jié)果合理。

需要注意的是，由于實(shí)驗(yàn)箱來(lái)自不同廠家，在搭建綜合系統(tǒng)之前，必須了解各個(gè)實(shí)驗(yàn)箱的電路、光路，剔除不必要的芯片、模塊。若學(xué)生自己搭建系統(tǒng)遇到困難，可先簡(jiǎn)后繁，確保每個(gè)子系統(tǒng)均能傳輸信號(hào)后，再設(shè)計(jì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更復(fù)雜的系統(tǒng)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。該通信系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計(jì)思路，當(dāng)然還可以根據(jù)實(shí)際條件，增減其它通信專業(yè)課程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

2 實(shí)驗(yàn)案例

本文利用通信原理實(shí)驗(yàn)箱、程控交換實(shí)驗(yàn)箱、光纖通信實(shí)驗(yàn)箱搭建了一個(gè)集調(diào)制解調(diào)、編譯碼、時(shí)分交換網(wǎng)絡(luò)等功能于一體的WDM光纖傳輸綜合通信系統(tǒng)，如圖3所示。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有3個(gè)傳輸信道，載波光波長(zhǎng)分別為λ1、λ2、λ3。

如圖3所示，實(shí)驗(yàn)1的數(shù)字信號(hào)1的信息碼1010100101可由通信原理實(shí)驗(yàn)箱的數(shù)字信源模塊輸出[11]。首先進(jìn)行2ASK調(diào)制，然后驅(qū)動(dòng)光纖通信實(shí)驗(yàn)箱中光發(fā)送模塊1的發(fā)光二極管LED工作，將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為波長(zhǎng)為λ1的光信號(hào)，進(jìn)入合波器。經(jīng)過(guò)光纖傳輸?shù)椒植ㄆ?，再分離出λ1光信號(hào)，由光接收模塊1將光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。經(jīng)過(guò)通信原理實(shí)驗(yàn)箱的2ASK解調(diào)輸出的數(shù)字信號(hào)1′。兩者比較，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)2，語(yǔ)音信號(hào)通過(guò)程控交換實(shí)驗(yàn)箱中的電話1輸入到用戶接口電路，成為模擬電信號(hào)。經(jīng)過(guò)PCM編碼后轉(zhuǎn)化成數(shù)字電信號(hào)，再進(jìn)行加擾、5B6B編碼。然后驅(qū)動(dòng)光纖通信實(shí)驗(yàn)箱中光發(fā)送模塊2的發(fā)光二極管LED工作，將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為波長(zhǎng)為λ2的光信號(hào)，進(jìn)入合波器。經(jīng)過(guò)光纖傳輸?shù)椒植ㄆ?，然后傳輸?shù)焦饨邮諜C(jī)2將光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)[12]。再到程控交換實(shí)驗(yàn)箱中的進(jìn)行5B6B譯碼、解擾、PCM譯碼，輸出模擬電信號(hào)，通過(guò)用戶接口電路、電話1′轉(zhuǎn)化成語(yǔ)音信號(hào)。

實(shí)驗(yàn)3，將實(shí)驗(yàn)2中經(jīng)過(guò)PCM編碼的電信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)光發(fā)送模塊3轉(zhuǎn)化成波長(zhǎng)為λ3的光信號(hào)，經(jīng)過(guò)WDM傳輸?shù)焦饨邮漳K3后轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。再到程控交換實(shí)驗(yàn)箱中進(jìn)行PCM譯碼，通過(guò)時(shí)分交換模塊，利用編程控制交換選擇通話對(duì)象，通過(guò)用戶接口電路、電話1″轉(zhuǎn)化成語(yǔ)音信號(hào)[13]。

實(shí)驗(yàn)2、3中，電話1分別與電話1′、1″通話時(shí)，用示波器觀察各測(cè)試點(diǎn)的波形并比較，調(diào)整光接收模塊的增益，使WDM傳輸前后的信號(hào)盡量對(duì)應(yīng)，話音盡可能清楚。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 信道1的調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)效果

利用示波器觀測(cè)圖3中測(cè)試點(diǎn)1-4的波形，結(jié)果如圖4所示。數(shù)字信息碼為1010100101，1為高電平，0為低電平，如圖4(a)上波形。經(jīng)過(guò)2ASK調(diào)制后，如圖4(a)下波形。經(jīng)過(guò)WDM光纖傳輸后如圖4(b)下波形，經(jīng)過(guò)2ASK解調(diào)后，如圖4(c)下波形。比較信源和信宿，如圖4(d)的上、下波形所示，無(wú)變形、無(wú)時(shí)延，說(shuō)明傳輸效果很好。說(shuō)明數(shù)字基帶信號(hào)調(diào)制、解調(diào)無(wú)誤，信道1傳輸成功。

3.2 信道2的編解碼實(shí)驗(yàn)效果

當(dāng)電話1與電話1′通話時(shí)，長(zhǎng)按電話1的數(shù)字鍵“4”代替語(yǔ)音信號(hào)，并利用示波器觀測(cè)圖3中的測(cè)試點(diǎn)5-12的波形，其結(jié)果如圖5所示。

在圖5(a)中，通過(guò)比較電話1送出的信號(hào)和經(jīng)過(guò)PCM編碼后的信號(hào)可知，模擬信號(hào)變成了數(shù)字信號(hào)。為避免出現(xiàn)連“0”和連“1”，通過(guò)加擾使信號(hào)帶有同步定時(shí)信息，如圖5(b)。當(dāng)數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)5B6B編碼，如圖5(c)。然后通過(guò)WDM系統(tǒng)的光纖信道2傳輸?shù)焦饨邮諜C(jī)2并轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，如圖5(d)所示，信號(hào)稍有時(shí)延。再經(jīng)過(guò)5B6B解碼，信號(hào)如圖5(e)。信號(hào)再經(jīng)過(guò)解擾、PCM解碼后，信號(hào)如圖5(f)所示。

為檢測(cè)信道2的傳輸效果，可對(duì)照測(cè)試點(diǎn)12與測(cè)試點(diǎn)5波形，如圖5(g)所示，說(shuō)明經(jīng)過(guò)傳輸后的信號(hào)與傳輸前的信號(hào)波形相似、幅值有所降低、存在一定時(shí)延，證明信道2能實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音信號(hào)的傳輸。

3.3 信道3的程控電話傳輸效果

為檢驗(yàn)程控電話的通話效果，可查看電話1 的信號(hào)在PCM編碼后以及經(jīng)過(guò)WDM系統(tǒng)的光纖信道3傳輸后的效果，如圖6(a)所示，傳輸后的信號(hào)略有時(shí)延。然后檢查信號(hào)經(jīng)過(guò)程控交換網(wǎng)絡(luò)傳輸后的情況，如圖6(b)所示，信號(hào)在傳輸過(guò)程中有時(shí)延，波形相似，說(shuō)明信道3能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸。

以現(xiàn)有器材為基礎(chǔ)，不增加額外經(jīng)費(fèi)，通過(guò)試驗(yàn)，構(gòu)建了綜合通信實(shí)驗(yàn)體系。本通信系統(tǒng)綜合了多門通信課程的不同實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，使用了不同廠家的實(shí)驗(yàn)箱，但信號(hào)在一個(gè)WDM光纖傳輸系統(tǒng)的多個(gè)信道中分別實(shí)現(xiàn)了有效傳輸。可見(jiàn)，以WDM光纖傳輸為紐帶，綜合多門課程實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)思路具有一定的可行性。在設(shè)計(jì)電路系統(tǒng)的過(guò)程中，可讓學(xué)生更換其中部分電路的芯片和器件來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸，對(duì)比分析，提高綜合實(shí)驗(yàn)技能和設(shè)計(jì)能力。

(a) 測(cè)試點(diǎn)1(上)和測(cè)試點(diǎn)2(下)

(c) 測(cè)試點(diǎn)3(上)和測(cè)試點(diǎn)4(下)

(d) 測(cè)試點(diǎn)1(上)和測(cè)試點(diǎn)4(下)

(a) 測(cè)試點(diǎn)5(上)和測(cè)試點(diǎn)6(下)

(b) 測(cè)試點(diǎn)6(上)和測(cè)試點(diǎn)7(下)

(c) 測(cè)試點(diǎn)7(上)和測(cè)試點(diǎn)8(下)

(d) 測(cè)試點(diǎn)8(上)和測(cè)試點(diǎn)9(下)

(e) 測(cè)試點(diǎn)9(上)和測(cè)試點(diǎn)10(下)

(f) 測(cè)試點(diǎn)11(上)和測(cè)試點(diǎn)12(下)

(g) 測(cè)試點(diǎn)5(上)和測(cè)試點(diǎn)12(下)

(a) 測(cè)試點(diǎn)6(上)和測(cè)試點(diǎn)13(下)

(b) 測(cè)試點(diǎn)14(上)和測(cè)試點(diǎn)15(下)

由此推出整個(gè)通信工程專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的模塊化思路，由簡(jiǎn)到繁、循序漸進(jìn)，形成新的綜合通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[14]，保證各門課程之間的相對(duì)獨(dú)立性，避免實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目重復(fù)。教師可調(diào)整培養(yǎng)方案中的實(shí)驗(yàn)順序，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，強(qiáng)化教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)、實(shí)用點(diǎn)。若實(shí)驗(yàn)安排合理，可不再專門開(kāi)設(shè)光纖通信實(shí)驗(yàn)。對(duì)非通信工程專業(yè)、課時(shí)有限的學(xué)生，可利用本綜合通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在短時(shí)間內(nèi)加強(qiáng)對(duì)通信系統(tǒng)的整體認(rèn)知[15]。同時(shí)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的變革，相關(guān)通信專業(yè)理論課內(nèi)容也可調(diào)整，提高教學(xué)效率，推進(jìn)通信專業(yè)教學(xué)改革，開(kāi)發(fā)新的實(shí)驗(yàn)器材。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于不同廠家生產(chǎn)的實(shí)驗(yàn)箱構(gòu)建的綜合通信系統(tǒng)涉及通信原理、交換技術(shù)、光纖通信、編碼技術(shù)等課程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，不僅有利于學(xué)生掌握專業(yè)技能，也能加強(qiáng)通信系統(tǒng)概念的理解。當(dāng)然，可根據(jù)教學(xué)要求選擇不同的模塊設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)，有針對(duì)性地鞏固相對(duì)欠缺的知識(shí)和技能。本實(shí)驗(yàn)方案無(wú)需購(gòu)買新的設(shè)備，學(xué)生只需通過(guò)系統(tǒng)構(gòu)建、芯片更換、參數(shù)設(shè)置、波形測(cè)試即可完成實(shí)驗(yàn)，理論與實(shí)踐相結(jié)合，提高通信系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)能力和教學(xué)資源整合能力。本工作根據(jù)實(shí)際整合教學(xué)內(nèi)容，改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系和模式，同時(shí)理論教學(xué)也可作相應(yīng)的調(diào)整，可推進(jìn)通信工程專業(yè)教學(xué)體系的改革。本實(shí)驗(yàn)方案可設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)成新的教學(xué)設(shè)備，有推廣價(jià)值。

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Communication System Experiments Based on Wavelength Division Multiplexing of Optical Fiber Transport

LüFei1,2,WEIWen-sheng1,LEIMin1,FUJia-jia1

(1. College of Physics and Electronic Information Engineering, Wenzhou University, Wenzhou 325035, China;2. School of Electronic Information, Sichuan University, Chengdu 610064, China)

A comprehensive design and a teaching method for communication experiment were developed in this paper based on wavelength division multiplexing (WDM) optical fiber transportation. The designed communication experimental equipment was combined by the ones used in other courses such as principle communication, optical fiber communication, program-controlled switching etc., where the modules of signal generator and processing were distributed in different experimental instruments, the signals can be transferred via the WDM channels in optical fiber. The results indicate the integrated experiments can facilitate students to comprehensively understand the communication technology, to improve practical skills and to effectively grasp the key concepts in limited time. In addition, the designed experimental system will contribute to adjust the experimental items and to reform the theoretical teaching without extra fees.

wavelength division multiplex; optical fiber communication; communication system experiment

2015-11-04

呂 菲(1991-)，女，浙江麗水人，碩士生，主要研究方向?yàn)檎Z(yǔ)音識(shí)別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。E-mail：lvfei47@163.com

韋文生(1966-)，男，廣西平樂(lè)人，博士，教授，主要研究方向?yàn)楣饫w通信。E-mail：weiwensheng287@163.com

TN 913.7

A

1006-7167(2016)03-0041-05