光纖電話通信系統的設計與性能仿真

任魯涌　李西順　王善斌　彭榮群

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

【關鍵詞】光發射機；光接收機；語音光纖通信系統

中圖分類號： TN859 文獻標識碼： 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，光纖通信已經徹底改變了整個通信的發展，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。光纖通信已形成強大的行業和巨大的市場，并在高速發展著。從整個光通信行業的角度來看，由于信息需求的增長，全球光纜和光網絡設備市場保持了較快發展。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，遠距離成為了現實，為我們的生活提供了便利，也為信息的發展創造了條件。研究光纖通信系統更好的實現超長距離，超低損耗，綜合業務傳輸，節省金屬材料，使我們的生活更加優質美好，因此用光纖作為傳輸媒介構成通信系統成為通信領域的一個關注的熱點。

1 光纖通信系統

1.1 光纖通信系統的組成

光纖通信系統如圖1所示，光纖基本通信系統，由光發射機，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換為電信號，這種電信號稱為基帶信號；電發射機把基帶電信號轉換為適合在信道中傳輸的信息，這種信號大多被稱為調制信號。光發射機，實現電光轉換，把電信號轉換為光信號，并盡最大耦合的把光信號傳輸到光纖線路；光纖線路，把從光發射機接受來的信號以盡可能小的畸變和失真傳輸到光接收機；光接收機把從光纖線路傳輸來的微弱光信號轉換為電信號，即實現光電轉換，并經其后的主放大器進行放大，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行解調制，然后變為最基本的電信號，從而送到信息宿；信息宿把基本電信號轉換為用戶信息，從而達到通信的目的。光纖通信系統可以傳輸兩種信號，分別為數字信號和模擬信號，光纖通信系統分為數字光纖通信系統和模擬光纖通信系統。模擬和數字光纖通信系統各有優缺點。

1.2 光纖電話通信系統設計的目的

通信專業通信理論學習中，由于其理論內容理論性強，抽象，不對應實際具體應用的通信系統，在理解及掌握上困難，特別對通信理論在實際中的具體應用、實際通信系統的具體組成及工作過程沒有清楚的實際認識。因此對于通信專業方向到底做什么的認識有點迷茫，為培養初學者實現從理論到實際轉變，又有創新意識，就要利用現有的實驗室的設備平臺，提出一種可行的方法，讓初學者自己動手進行實際通信系統的設計，通過自己動手提高解決實際問題的能力，增強創新意識，熟悉通信理論在實際通信系統的應用，熟悉實際通信系統的設計流程、各個部分的構成、工作程序、指標測試方法及手段。達到培養合格工程人才的目標。我們利用實驗室光纖通信系統設備平臺，設計出點到點光纖電話通信系統的硬件構成及相對應的系統性能指標的仿真模型，實現實際通話驗證及指標檢測驗證。endprint

2 硬件系統搭建

本次設計構建出了光纖電話通信系統的硬件電路，其實現了雙向語音通話的效果，即構造了一個實際的實現語音雙向通話的數字光纖通信系統。設計中以我們實驗室有的GXLTE06光纖通信設備平臺為依托進行設計。該設備平臺共有9個模塊，設計中用了7個模塊。設計時考慮要實現語音雙向數字光纖傳輸系統，語音是從電話機的話筒產生的模擬電信號，就必須要先進行編碼，把信息即既語音信號轉變為數字信號，需要編碼過程是：一般先形成PCM編碼，用PCM編碼來表示傳輸的語音信號，再通過經過復用形成基帶CMI編碼，將CMI編碼送至光發射機進行光波調制，將調制光波耦合進光纖傳輸，到光接收機端，由光纖傳過來的調制光波經光接收機轉換為電信號，電信號波形數字化后，輸送到CMI譯碼單元，經PCM譯碼，再通過交換網絡送回到用戶單元，實現雙向通話。所以就要用到語音終端模塊、光收發模塊、同步模塊，復用模塊、基帶傳輸模塊，和主控信息源模塊。當然還需要兩部終端電話機和示波器。在這次設計中，同時做了對設計的點到點的數字光纖雙向通話通信系統的性能指標進行仿真測試設計，測試了系統PN序列的傳輸，光發射機發射光功率，在無失真傳輸狀態時光接收機的靈敏度。

2.1 系統設計的硬件組成框圖

本次設計主要是在實驗室的GXTE06A設備平臺中搭建電話話音信號時分交換系統，完成甲方一路和甲方二路的正常通話。設計的硬件系統組成如圖2所示。由話機，用戶接口電路，話路PCM編譯碼電路，話路交換網絡，程控交換控制單元及復用模塊，CMI編譯碼模塊，光收發模塊，光纖線路。系統的工作流程：甲方一路電話和甲方二路電話的話音信號，先分別經過PCM編碼處理，送入至話路交換網絡控制及信號復用單元，然后經過CMI編碼處理送至光發射機進行光纖傳輸；光接收端輸出信號返回至CMI譯碼單元，然后送回交換網絡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。其系統的工作流程框圖表示如圖3所示。

2.2 系統設計的硬件實現

本次設計的實現語音雙向甲方一路電話和甲方二路電話通話的數字光纖通信系統的實現如圖4所示，經過調試，實現了甲方一路電話和甲方二路電話的話音清晰通話。設計的系統還具有改變系統組成模塊的某些可調參數可實現系統靈敏度調節及系統動態范圍的擴大的效果。

的實現連線圖

3 仿真設計分析

軟硬件結合的設計方法更容易理解設計理論，軟件仿真設計：操作簡單，可靈活改變電路參數、電路連接和顯示讀數的特的點，在設計中作為輔助手段得到廣泛應用。本設計采用電路仿真程序e-labsim對硬件系統進行了光發射機發射光功率和接收機靈敏度的參數測量，及PN序列的傳輸測量。用optiSystem仿真軟件進行了采用直接調制和間接調制的光纖通信系統設計仿真分析，通過觀察其系統的信號頻譜、眼圖及誤碼率，來進行不同系統性能的分析對比，進一步加深通信系統理論及設計過程的理解。

3.1 硬件系統傳輸特性e-labsim仿真

3.1.1 光發射機發射光功率測量

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

3.1.2 光接收機靈敏度的測量

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

3.1.3 光纖傳輸系統PN序列的傳輸驗證仿真

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

3.2 數字光纖通信系統的optiSystem仿真設計

optiSystem仿真軟件是一款專門針對光纖通信系統設計與分析的軟件。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，可靈活改變參數和顯示的讀數，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，已在國內廣泛應用。運用optiSystem仿真軟件來進行光纖通信系統的仿真設計與分析，對進行實際光通信系統設計具有很大的幫助。

在實際學習中，運用這款軟件進行光纖通信系統的仿真設計，可非常方便驗證不同光纖通信系統的的性能區別于比較。如采用直接調制與間接調制的光纖通信系統，在仿真設計上，沒有太大的區別，只是光源的調制方式不同，多了一個調制器而已，但調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仿真結果的比較，偏差很小，因此optiSystem仿真也較確切地反應實際設計的光纖通信系統的特性，optiSystem仿真具有很大現實意義與應用意義。下面具體演示。

3.2.1 光纖間接調制通信系統仿真設計

建立光纖數字間接調制通信系統仿真模型如圖9所示，一般都是用一些信息源來代替數字信號，本文中，用偽隨機碼發生器（Pseudo-Random Bit Sequence Generator）產生的信號來代替的需要的數字信號序列，再通過NRZ脈沖發生器（None-Return-to-Zero Generator），將該信號序列加載到電信號上轉變為電信號，間接調制采用Mach-Zehnder調制器，由光源產生的光信號傳送到Mach-Zehnder光調制器，再把傳輸的電信號序列加載到Mach-Zehnder調制器上，經Mach-Zehnder調制器輸出光信號，就是經過間接調制將電信號加載到光波上，調制后光波送到光纖線路中傳輸。再經過光接收機的光電檢測器，將光信號轉換為電信號，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，然后在經過均衡，濾波、解調等回復成原始信號，而誤碼率分析儀中已自帶解調功能，它上面有判決器和時鐘恢復電路，故經過誤碼儀之后可恢復成適合在PCM中傳輸的原始信號。endprint

3.2.2 光纖直接調制通信系統仿真設計

建立光纖數字直接調制通信系統仿真模型如圖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射機的光源上，使輸出光信號隨電信號變化而變化，即實現對光發射機光源的直接調制，然后光源輸出的調制光波耦合進光纖線路傳輸。到光接收機端，再經過光接收機中的光電檢測器，將光信號轉換為電信號，然后在經過均衡，濾波、解調等回復成原始信號，而誤碼率分析儀中已自帶解調功能，它上面有判決器和時鐘恢復電路，故經過誤碼儀之后可恢復成適合在PCM中傳輸的原始信號。

3.2.3 仿真結果對比分析

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

由上圖對比可以看出，間接調制與直接調制相比，在對于小容量，短距離傳輸系統來講，但性能差別不大，且間接調制與直接調制相比技術復雜。但在高速及遠距離傳輸時確實間接調制與直接調制相比有優勢。

4 結束語

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

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