任魯涌　李西順　王善斌　彭榮群

【摘 要】本文設(shè)計(jì)了一款語(yǔ)音通話光纖通信系統(tǒng)，并用軟件進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)及性能仿真分析。設(shè)計(jì)中采用軟硬件結(jié)合的方法，在硬件上實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)式的點(diǎn)到點(diǎn)的語(yǔ)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(duì)本文設(shè)計(jì)的語(yǔ)音通話的光纖傳輸系統(tǒng)，從部分到整體的設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真分析，通過(guò)設(shè)計(jì)的實(shí)際硬件系統(tǒng)的通話及性能參數(shù)的仿真驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可行，達(dá)到性能要求。

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

中圖分類號(hào)： TN859 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(lái)，光纖通信已經(jīng)徹底改變了整個(gè)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(qiáng)大的行業(yè)和巨大的市場(chǎng)，并在高速發(fā)展著。從整個(gè)光通信行業(yè)的角度來(lái)看，由于信息需求的增長(zhǎng)，全球光纜和光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備市場(chǎng)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(shí)，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(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)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(gè)關(guān)注的熱點(diǎn)。

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(jī)，光纖線路，和光接收機(jī)三個(gè)部分組成，信息源把各種各樣的用戶信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這種電信號(hào)稱為基帶信號(hào)；電發(fā)射機(jī)把基帶電信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合在信道中傳輸?shù)男畔?，這種信號(hào)大多被稱為調(diào)制信號(hào)。光發(fā)射機(jī)，實(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換，把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，并盡最大耦合的把光信號(hào)傳輸?shù)焦饫w線路；光纖線路，把從光發(fā)射機(jī)接受來(lái)的信號(hào)以盡可能小的畸變和失真?zhèn)鬏數(shù)焦饨邮諜C(jī)；光接收機(jī)把從光纖線路傳輸來(lái)的微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，即實(shí)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(jī)，其中最主要的光電檢測(cè)模塊和光放大器等模塊，這直接影響到信號(hào)的靈敏度等。電接收機(jī)對(duì)從光接收機(jī)來(lái)的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)制，然后變?yōu)樽罨镜碾娦盘?hào)，從而送到信息宿；信息宿把基本電信號(hào)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(hào)，分別為數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)，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(diǎn)。

1.2 光纖電話通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(qiáng)，抽象，不對(duì)應(yīng)實(shí)際具體應(yīng)用的通信系統(tǒng)，在理解及掌握上困難，特別對(duì)通信理論在實(shí)際中的具體應(yīng)用、實(shí)際通信系統(tǒng)的具體組成及工作過(guò)程沒(méi)有清楚的實(shí)際認(rèn)識(shí)。因此對(duì)于通信專業(yè)方向到底做什么的認(rèn)識(shí)有點(diǎn)迷茫，為培養(yǎng)初學(xué)者實(shí)現(xiàn)從理論到實(shí)際轉(zhuǎn)變，又有創(chuàng)新意識(shí)，就要利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備平臺(tái)，提出一種可行的方法，讓初學(xué)者自己動(dòng)手進(jìn)行實(shí)際通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過(guò)自己動(dòng)手提高解決實(shí)際問(wèn)題的能力，增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)，熟悉通信理論在實(shí)際通信系統(tǒng)的應(yīng)用，熟悉實(shí)際通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程、各個(gè)部分的構(gòu)成、工作程序、指標(biāo)測(cè)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(shí)驗(yàn)室光纖通信系統(tǒng)設(shè)備平臺(tái)，設(shè)計(jì)出點(diǎn)到點(diǎn)光纖電話通信系統(tǒng)的硬件構(gòu)成及相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)性能指標(biāo)的仿真模型，實(shí)現(xiàn)實(shí)際通話驗(yàn)證及指標(biāo)檢測(cè)驗(yàn)證。endprint

2 硬件系統(tǒng)搭建

本次設(shè)計(jì)構(gòu)建出了光纖電話通信系統(tǒng)的硬件電路，其實(shí)現(xiàn)了雙向語(yǔ)音通話的效果，即構(gòu)造了一個(gè)實(shí)際的實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音雙向通話的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)。設(shè)計(jì)中以我們實(shí)驗(yàn)室有的GXLTE06光纖通信設(shè)備平臺(tái)為依托進(jìn)行設(shè)計(jì)。該設(shè)備平臺(tái)共有9個(gè)模塊，設(shè)計(jì)中用了7個(gè)模塊。設(shè)計(jì)時(shí)考慮要實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音雙向數(shù)字光纖傳輸系統(tǒng)，語(yǔ)音是從電話機(jī)的話筒產(chǎn)生的模擬電信號(hào)，就必須要先進(jìn)行編碼，把信息即既語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，需要編碼過(guò)程是：一般先形成PCM編碼，用PCM編碼來(lái)表示傳輸?shù)恼Z(yǔ)音信號(hào)，再通過(guò)經(jīng)過(guò)復(fù)用形成基帶CMI編碼，將CMI編碼送至光發(fā)射機(jī)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(jī)端，由光纖傳過(guò)來(lái)的調(diào)制光波經(jīng)光接收機(jī)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)波形數(shù)字化后，輸送到CMI譯碼單元，經(jīng)PCM譯碼，再通過(guò)交換網(wǎng)絡(luò)送回到用戶單元，實(shí)現(xiàn)雙向通話。所以就要用到語(yǔ)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(jī)和示波器。在這次設(shè)計(jì)中，同時(shí)做了對(duì)設(shè)計(jì)的點(diǎn)到點(diǎn)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(cè)試設(shè)計(jì)，測(cè)試了系統(tǒng)PN序列的傳輸，光發(fā)射機(jī)發(fā)射光功率，在無(wú)失真?zhèn)鬏敔顟B(tài)時(shí)光接收機(jī)的靈敏度。

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件組成框圖

本次設(shè)計(jì)主要是在實(shí)驗(yàn)室的GXTE06A設(shè)備平臺(tái)中搭建電話話音信號(hào)時(shí)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(jì)的硬件系統(tǒng)組成如圖2所示。由話機(jī)，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(hào)，先分別經(jīng)過(guò)PCM編碼處理，送入至話路交換網(wǎng)絡(luò)控制及信號(hào)復(fù)用單元，然后經(jīng)過(guò)CMI編碼處理送至光發(fā)射機(jī)進(jìn)行光纖傳輸；光接收端輸出信號(hào)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(hào)送至各個(gè)用戶。交換過(guò)程中各種信令及鈴流則由程控交換控制單元來(lái)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(jì)的硬件實(shí)現(xiàn)

本次設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)語(yǔ)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(shí)現(xiàn)如圖4所示，經(jīng)過(guò)調(diào)試，實(shí)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(jì)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)靈敏度調(diào)節(jié)及系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍的擴(kuò)大的效果。

的實(shí)現(xiàn)連線圖

3 仿真設(shè)計(jì)分析

軟硬件結(jié)合的設(shè)計(jì)方法更容易理解設(shè)計(jì)理論，軟件仿真設(shè)計(jì)：操作簡(jiǎn)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(diǎn)，在設(shè)計(jì)中作為輔助手段得到廣泛應(yīng)用。本設(shè)計(jì)采用電路仿真程序e-labsim對(duì)硬件系統(tǒng)進(jìn)行了光發(fā)射機(jī)發(fā)射光功率和接收機(jī)靈敏度的參數(shù)測(cè)量，及PN序列的傳輸測(cè)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(jì)仿真分析，通過(guò)觀察其系統(tǒng)的信號(hào)頻譜、眼圖及誤碼率，來(lái)進(jìn)行不同系統(tǒng)性能的分析對(duì)比，進(jìn)一步加深通信系統(tǒng)理論及設(shè)計(jì)過(guò)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(jī)發(fā)射光功率測(cè)量

建立硬件系統(tǒng)的測(cè)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(jī)發(fā)射光功率。

3.1.2 光接收機(jī)靈敏度的測(cè)量

建立硬件系統(tǒng)的測(cè)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(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的光接收機(jī)靈敏度測(cè)量值。

3.1.3 光纖傳輸系統(tǒng)PN序列的傳輸驗(yàn)證仿真

建立硬件系統(tǒng)的測(cè)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(jī)端PN序列動(dòng)態(tài)波形，如圖8所示為示波器顯示光接收機(jī)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(jì)

optiSystem仿真軟件是一款專門針對(duì)光纖通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析的軟件。該軟件因其界面友好，操作簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)大，它自帶電和光測(cè)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(xiàng)，可以看到在有噪聲和無(wú)噪聲以及有無(wú)眼圖的條件下的誤碼率，已在國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用。運(yùn)用optiSystem仿真軟件來(lái)進(jìn)行光纖通信系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)與分析，對(duì)進(jìn)行實(shí)際光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有很大的幫助。

在實(shí)際學(xué)習(xí)中，運(yùn)用這款軟件進(jìn)行光纖通信系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)，可非常方便驗(yàn)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(jì)上，沒(méi)有太大的區(qū)別，只是光源的調(diào)制方式不同，多了一個(gè)調(diào)制器而已，但調(diào)制出來(lái)的光源是不同的，最后得到的誤碼率也是不同的。通過(guò)，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(shí)際設(shè)計(jì)的光纖通信系統(tǒng)的特性，optiSystem仿真具有很大現(xiàn)實(shí)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(jì)

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(lái)代替數(shù)字信號(hào)，本文中，用偽隨機(jī)碼發(fā)生器（Pseudo-Random Bit Sequence Generator）產(chǎn)生的信號(hào)來(lái)代替的需要的數(shù)字信號(hào)序列，再通過(guò)NRZ脈沖發(fā)生器（None-Return-to-Zero Generator），將該信號(hào)序列加載到電信號(hào)上轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，間接調(diào)制采用Mach-Zehnder調(diào)制器，由光源產(chǎn)生的光信號(hào)傳送到Mach-Zehnder光調(diào)制器，再把傳輸?shù)碾娦盘?hào)序列加載到Mach-Zehnder調(diào)制器上，經(jīng)Mach-Zehnder調(diào)制器輸出光信號(hào)，就是經(jīng)過(guò)間接調(diào)制將電信號(hào)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(guò)光接收機(jī)的光電檢測(cè)器，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，optisystem中的光電檢測(cè)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(guò)均衡，濾波、解調(diào)等回復(fù)成原始信號(hào)，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(shí)鐘恢復(fù)電路，故經(jīng)過(guò)誤碼儀之后可恢復(fù)成適合在PCM中傳輸?shù)脑夹盘?hào)。endprint

3.2.2 光纖直接調(diào)制通信系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)

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(hào)直接加到光發(fā)射機(jī)的光源上，使輸出光信號(hào)隨電信號(hào)變化而變化，即實(shí)現(xiàn)對(duì)光發(fā)射機(jī)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(jī)端，再經(jīng)過(guò)光接收機(jī)中的光電檢測(cè)器，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后在經(jīng)過(guò)均衡，濾波、解調(diào)等回復(fù)成原始信號(hào)，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(shí)鐘恢復(fù)電路，故經(jīng)過(guò)誤碼儀之后可恢復(fù)成適合在PCM中傳輸?shù)脑夹盘?hào)。

3.2.3 仿真結(jié)果對(duì)比分析

在系統(tǒng)參數(shù)相同條件下，對(duì)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(duì)比可以看出，間接調(diào)制與直接調(diào)制相比，在對(duì)于小容量，短距離傳輸系統(tǒng)來(lái)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(shí)確實(shí)間接調(diào)制與直接調(diào)制相比有優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

這次設(shè)計(jì)中，我采用的硬件是以實(shí)驗(yàn)室有的GXTE06A光纖設(shè)備平臺(tái)模塊進(jìn)行的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中體現(xiàn)的思想就是進(jìn)行準(zhǔn)實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出的（下轉(zhuǎn)第30頁(yè)）（上接第13頁(yè)）系統(tǒng)與實(shí)際中社會(huì)應(yīng)用的系統(tǒng)是相似的，設(shè)計(jì)出的硬件系統(tǒng)進(jìn)行了清晰通話實(shí)驗(yàn)，對(duì)其性能進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，如光發(fā)射機(jī)平均光功率的測(cè)量，光接收機(jī)靈敏度，測(cè)量參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，這就驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是可行。這樣做到了理論到實(shí)踐訓(xùn)練，同時(shí)又通過(guò)仿真設(shè)計(jì)與仿真分析做到對(duì)理論的深入熟悉、理解，通過(guò)仿真設(shè)計(jì)與仿真分析可以方便直接對(duì)比不同光纖系統(tǒng)之間的性能差別，通過(guò)仿真設(shè)計(jì)與仿真分析可以方便的通過(guò)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(duì)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(kāi)發(fā)，可以與MATLAB等軟件進(jìn)行基于M語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)，來(lái)研究光纖通信系統(tǒng)的衰減和色散對(duì)傳輸信息的影響。

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