一种模拟/数字调制解调光纤通信综合实验的设计

吕 菲，韦文生，沈 琦

(温州大学物理与电子信息工程学院，浙江温州 325035)

一种模拟/数字调制解调光纤通信综合实验的设计

吕 菲，韦文生†，沈 琦

(温州大学物理与电子信息工程学院，浙江温州 325035)

通信系统由不同功能模块组成．传统教学为方便学生掌握通信工程专业的知识和技能，将各门课程的实验分时段、分地点循序渐进开展，这样不利于学习者对通信系统的整体认识．针对当前通信工程专业课程实验教学的现状，以通信原理的AM、2FSK调制解调实验与光纤通信的光传输系统实验的结合为例，设计了这两门课程的综合实验，学生可利用原有的实验器材，设计更加全面的通信系统，无需另加经费即可开展综合设计性实验，这有利于加强知识之间的联系，深化对通信系统整体性的理解，提高学生的动手能力，节约实验时间及实验室建设时间．

通信原理；光纤通信；综合实验

随着社会信息化速度加快，通信已成为生活中必不可少的一部分．不少高校给通信类专业学生开设了《通信原理》、《交换原理》、《光纤通信》、《移动通信》等专业理论课程和配套的实验．专业培养方案中大部分课程根据通信系统功能模块划分知识体系，让学生们循序渐进地学习，建立通信系统的基本概念和基本理论，掌握通信技术的基本技能．各门课程实验则采用实验箱进行，每种课程实验箱都是一个简易的通信系统，功能简单．不同课程的实验通常分开进行，且采用实验箱来完成不同课程的实验项目．学生在实验时只能掌握该实验箱对应的课程知识和技能，容易忽视不同课程之间知识和技能的联系．另外，实验箱的实验项目一般以验证性为主，实验模块选定后无法拓展新的实验内容．若增加更多功能的实验箱，则会因增加经费和实验用房而难以为继，学生很难有机会进行通信系统的整体设计．鉴于这种现状，应在现有的实验器材上进行改进，综合两门及以上实验课程，设计功能相对全面的通信系统．本文以通信原理实验和光纤通信实验为例，利用现成的通信原理实验箱和光纤通信实验箱，构建了模拟 / 数字调制解调光纤通信系统．当然，学生也可根据通信课程中的理论知识点，选择不同的实验模块来搭建系统．

1 模拟/数字调制解调光纤通信系统的设计

1.1 调制解调系统

此处采用通信原理实验箱的相关模块进行设计，如图1所示．信源发出的原始电信号即基带信号，频率较低，强度较弱，还通常包含直流成分，在通信系统中直接传输损耗较大，易受干扰．因此在通信原理实验中，一般通过调制使原始基带信号转换成抗干扰能力强或便于多路复用的已调信号，并根据信源的信号类型选择模拟调制或是数字调制．已调信号在传输到接收端后，需从中提取出原来的信号，这个过程叫解调，它是调制的逆过程，但其实质都是频谱的转移[1]．不同的调制方式，对应的解调方式也不一样．

图1 调制解调系统

若信源发出模拟信号，可采用幅度调制(AM)．电路的实现过程是在引入一个直流补偿电压后，模拟信号和载波通过乘法器完成模拟调制．在解调时则是利用乘法器使已调信号与同频同相的载波相乘，通过低通滤波器滤除高频信号还原出原始信号，即完成模拟信号的无失真传输，其中通过控制直流补差电压的大小可调节调制系数m的大小．当信源为数字信号时，可采用二进制频移键控(2FSK)将基带信号变成频带信号．电路的实现方式是数字信号通过控制模拟开关实现不同频率的信号输出，即得到2FSK已调信号．2FSK的解调方式可采用过零检测[2]，已调信号通过微分和整流处理后由低通滤波器滤除高频成份，再经过抽样判决恢复出数字信号，具体的电路可参见文献[3]．由于数字调制技术可进行加密、纠错和流量控制、便于集成[1]，因此在实际应用中数字通信比模拟通信更具优势．

1.2光纤通信系统

以光为信息载体实现通信的通信系统具有传输速率快、容量大、衰减小等优点．一般光纤通信实验系统主要包括信源、光发送模块、光纤传输线路、光接收模块、信宿等，如图2所示．传输的信号种类包括波形、图像或是语音等．

图2 光纤通信系统

在此利用光纤通信实验箱的有关模块来设计，具体的电路可参考文献[3]．光发射模块的驱动电路控制发光二极管发光将信源转换成光信号，并将经转换调制后的光信号以较高的转换效率注入到光纤中，其中模拟信号是通过晶体管级联放大电路进行电流放大来驱动光源，而数字信号可通过电流驱动器转换成电流后再驱动光源[4]．

信号通过光纤传输线路到达光接收模块后，通过光探测器后光信号转变为电信号，然后这微弱的电信号通过低噪声放大器和主放大器送到信宿．光探测器作为光接收机的第一环节，它产生的噪声对后面的设备有显著的影响[5]．放大器在系统中非常重要，决定了光接收模块输出的信号是否失真．通过调节放大器的增益，可改善系统的效果．

1.3模拟/数字调制解调光纤通信系统

利用前述的调制解调模块和光纤通信模块设计了一个模拟/数字调制解调光纤通信系统，如图3所示．信号输入到调制模块，并根据信号的类型选择调制方式．将调制后的信号输入到光发送模块，在光纤中传输到光接收模块，最后通过解调模块恢复出信号．新系统的功能比原来的单个实验系统更丰富，实验者可综合这两门实验课所涉及的知识点，根据需求自主设计实验项目．

图3 模拟/数字调制解调光纤通信系统

下面以AM、2FSK调制解调为例分别进行模拟、数字调制解调光纤通信系统实验，本综合实验把原有通信原理、光纤通信实验箱的模块串联起来实现信号传输，如图4所示．

图4 信号传输路线及测试点分布图

当输入信号为模拟信号时，首先将信号输入到通信原理实验箱的AM调制模块变成高频信号，再通过光纤通信实验箱的开关SW101选择模拟光驱动电路驱动光源以完成电光转换，当光信号经过光纤传输到探测器，再转换成电信号．为提高信噪比，先对电信号进行滤波并低噪声放大，再经过更大倍数的主放大，以达到信号在电路中有效传输．将收到的调制信号输送到通信原理Ⅵ型实验箱的AM解调模块恢复出模拟信号．

当信源为数字信号时，可在调制解调模块选择2FSK，其它模块不变，即可形成一个数字调制解调光纤通信系统．此处需要注意的是，数字信号通过2FSK调制后，其信号变成模拟信号，因此2FSK调制解调光纤通信系统采用的是模拟光纤传输系统，而不是数字光纤传输系统．若已调信号为数字信号时，可通过控制开关SW101选择数字驱动电路来驱动光源．电路连接好之后，用数字示波器观测各测试点的波形并进行比较，其具体电路实现可见文献[3]，其中测试点1获得的是信源波形，测试点2得到的是调制后的高频信号，测试点3显示的是经过光纤通信系统传输后解调前的信号，测试点4测量的是经过模拟/数字调制解调光纤通信系统后的信号．

2 测试结果与分析

2.1 模拟调制解调光纤传输系统

对如下三种方案的通信效果进行了测试，结果分别见图5、图6和图7．方案一，只有通信原理实验模块的AM调制解调通信系统，相当于图4中的测试点2与测试点3直接相连，不经过光纤通信；方案二，只有光纤通信实验模块的模拟光纤通信系统，相当于图4中测试点1与测试点2、测试点3和测试点4直接用导线相连，不用调制解调；方案三，如图4所示完整的AM模拟调制解调光纤通信系统．通过观测波形，可见：

1）对比图5、图6和图7（d）中的信号2（二者中的下波形），可发现模拟信号不管是通过调制解调在电路中传输，还是直接在光纤系统中传输，或是先通过调制再通过光纤系统传输后解调，都能恢复出较好的波形，这说明这三种通信系统都能实现信号的传输．

2）对比三个方案最终输出信号发现，方案三得到的模拟信号即图7（d）的下波形失真最小，同步性较好，幅度较大，传输效果总体来说最佳．由方案二直接通过光纤系统得到的模拟信号即图6的信号2有很多毛刺，波形失真严重．方案一得到的模拟信号即图5的信号2时延最大，同步性最差．

3）将示波器的时间轴由原来的500 μs / div调到50 μs / div得到图7（c），即将图7（b）的波形展开，可清晰观察到，与经过光纤前的高频信号相比，经过光纤传输后的高频信号波峰和波谷处有失真，说明光纤传输线路上有噪声，这主要来自于半导体激光器在电/光转换时的非线性效应[6]．另外，可以根据输出电压U2和输入电压U1，计算增益U2/ U1．

2.2数字调制解调光纤传输系统

现将通信原理实验模块上的数字信号作为信源，测试如下三种通信系统：方案一，只有通信原理实验系统的2FSK调制解调通信模块，相当于图4中的测试点2与测试点3直接相连；方案二：只有数字光纤通信系统，相当于图4中测试点1与测试点2、测试点3和测试点4直接相连；方案三：如图4，组成2FSK数字调制解调光纤通信系统．三种方案的测试结果分别见图8、图9和图10．由图可见：

1）由图8、图9和图10（c）可知，不管数字信号是通过2FSK调制解调在电路中传输，还是直接在数字光纤系统中传输，或是先通过调制再通过光纤系统传输，都能恢复出较好的波形，这说明这三种通信系统都能实现数字信号的传输．三种方案中效果最好的是方案二，通过此通信系统得到的数字信号幅度较大，时延小，同步性最好，波形毛刺也较少．最差的是方案一，虽然得到的信号幅度大，但波形毛刺多，时延较大，同步性最差．

2）比较方案三中已调信号在光纤传输前后的差异，如图10(b)所示，波形相似，相位相反，波峰波谷处略有差异，此处的相位差由数字光驱动电路的不同所致，而非因光纤传输产生时延，同步性非常好，这说明数字信号经过调制后在光纤传输时几乎不受信道噪声影响．

图5 方案一模拟信号(上)和经过AM调制解调系统的模拟信号(下)波形

图6 方案二模拟信号(上)和直接经过光纤通信系统的模拟信号(下)波形

图7 AM调制解调光纤通信系统在各测试点（见图4）波形

3）比较图6、图9可见，在光纤通信系统中，数字信号比模拟信号的传输效果好，这说明数字光纤通信系统的抗干扰能力比模拟光纤通信系统的强，其原因是在模拟光纤通信系统中，噪声叠加在信号上，两者很难分开，放大时噪声和信号一起放大，不能改善因传输而降低的信噪比[7]，这就说明了2FSK调制解调光纤通信系统的传输效果比数字光纤通信系统的差．

图8 方案一数字信号(上)和经过2FSK调制系统的数字信号(下)波形

图9 方案二数字信号(上)和直接经过光纤传输系统的数字信号(下)波形

图10 2FSK调制解调光纤通信系统中各测试点(见图4)的波形比较．

3 结 论

通过对所构建的模拟/数字调制解调光纤通信系统的传输效果分析可知，该系统不仅可以实现信号传输，而且比原来单种实验系统的功能更为丰富．本实验方案无需购买新的设备，实验时只需调整原有实验箱内模块的参数及模块之间的连接关系即可，投入成本少．选择不同模块构建系统可以满足通信工程专业综合设计性实验的需求，可涉及两门及以上专业课程实验，有利于学生全面认识通信系统的完整性，加强课程知识之间的联系，培养学生集成创新能力．

[1] 樊昌信, 曹丽娜. 通信原理[M]. 第6版. 北京: 国防工业出版社, 2010: 1-60.

[2] 应亚萍, 许建凤, 陈婉君. 2FSK调制解调系统的FPGA设计与实现[J]. 浙江工业大学学报: 自然科学版, 2010, 38(3): 282-285.

[3] 韦文生, 吕菲. 模拟/数字调制解调光纤通信系统: 中国, ZL 2013 2 0329544.3 [P]. 2013-11-13.

[4] 冯维柱. 光发射机的选择与使用[J]. 中国有线电视, 2006, (6): 597-599.

[5] 倪楠, 苏国彬, 李铮等. 模拟光接收机输出信噪比的计算[J]. 北京航空航天大学学报: 自然科学版, 2002, 28(2): 144-148.

[6] 王治国. 光纤通信技术的特点和发展趋势探讨[J]. 甘肃科技, 2012, 13(7): 23-24.

[7] 刘增基, 周洋溢. 光纤通信[M]. 第2版. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2011: 20-80.

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文件可以从xuebao.wzu.edu.cn获得

(编辑：王一芳)

2014-03-21

吕菲(1991- )，女，浙江丽水人，研究方向：信号与信息处理．† 通讯作者，weiwensheng@wzu.edu.cn