基于波分復用光纖傳輸的通信系統實驗

呂 菲， 韋文生， 雷 敏， 傅佳佳

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

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基于波分復用光纖傳輸的通信系統實驗

呂 菲1，2， 韋文生1， 雷 敏1， 傅佳佳1

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

提出了基于波分復用光纖傳輸的通信教學系統及實驗案例。利用原有各門課程的實驗器材設計通信系統教學方案，再進行硬件模塊組合和程序編寫調試，然后測試分析。結果表明，利用多個波分復用光纖信道開展綜合實驗，有利于學生在有限時間內全面理解通信系統的概念，高效地掌握專業知識，提高實驗技能。此外，可形成新的通信實驗體系，在不增加經費的情況下推進通信專業實驗和理論教學體系的改革。

波分復用； 光纖傳輸； 通信系統實驗

0 引 言

通信原理、交換技術、光纖通信等是通信工程專業的主要課程，教學時既有理論又有實驗。實驗成了學生鞏固理論、實際操作、培養綜合素質的重要手段和方法。一般的課程實驗一般采用各個廠家針對相應理論知識點制作的實驗箱，以便驗證[1-2]。這樣節約實驗室建設時間，實驗器材管理方便。但實驗箱的系統結構和功能相對簡單，各門課程實驗箱的系統及其功能相互獨立，難免不同實驗箱的實驗項目重復。在課程安排上，學生因課時限制往往分開進行實驗，一個時段內只能鞏固某一實驗箱對應的理論知識和實驗技能，而對所學的專業缺乏系統性認識[3-4]。顯然當前的實驗課程設置已不能滿足學生對各科專業知識整體把握和理解。針對該實驗現狀部分高校引入了綜合通信網絡實驗平臺[5-6]，可這樣一個類似于電信系統的全真式網絡需要一大筆開銷，對于資金缺乏的高校難以引入到實際實驗教學中。

為解決實驗課程的此類問題，本文提出以波分復用光纖通信為主線，在此基礎上再向其他實驗課程拓展和延伸，進行綜合實驗設計。在不增加實驗設備的情況下使學生們能完成通信系統的整體設計和傳輸性能測試等任務?？芍匦率崂碚麄€專業的實驗課程教學體系，調整相應理論課的內容，改造學科知識體系。

1 基于波分復用的綜合通信實驗系統

1.1 波分復用光纖傳輸系統

光纖通信系統一般包括傳輸、處理環節，傳輸可以有單、多信道，處理可以有信源、光發送、光接收、信宿等。WDM光纖傳輸系統如圖1所示，單信道傳輸時的具體信號處理電路已在專利中介紹[7]。為增加光纖通信系統的傳輸容量，可用WDM實現多路信號同時傳輸，可節約傳輸環節的成本和建設時間[8]。在WDM中，不同的信號源通過驅動不同波長的光發送模塊將信號調制在不同波長的光載波上，在發送端由合波器將這些光信號組合起來進入一根光纖中傳輸；在接收端通過分波器將不同波長的光信號分別送到相應波長的光接收模塊中，再恢復成電信號。

圖1 WDM光纖傳輸系統

1.2 基于波分復用的綜合通信實驗系統構建

利用圖1所示的波分復用(Wavelength Division Multiplex,WDM)光纖傳輸系統，每一個傳輸通道安排一門通信專業課程的實驗，根據不同知識點選用相應的信號處理模塊來調整實驗項目，多個信道的課程實驗項目就能綜合成一個實驗系統，如圖2所示?？砂唇虒W計劃設置的課程和行業發展特點，在一個實驗系統開出通信原理、編碼技術、程控交換、無線通信等課程實驗，根據知識體系統籌實驗項目，一門實驗課程占據一個傳輸信道，也可交替使用信道。如利用信道1可進行通信原理的模擬/數字調制、解調實驗，可幫助學習者比較二種調制、解調方式的不同。通過信道2可進行編譯碼技術實驗，可根據課時、學生等情況，安排難易不同的編譯碼項目。選擇信道3進行交換技術實驗，信源一般為語音信號，利用相應軟件編寫代碼可實現空分交換、時分交換等功能[9-10]。

圖2 WDM光纖傳輸的綜合通信系統

實驗前根據實驗教學大綱要求設計綜合通信系統，畫出連接框圖，再利用現有的實驗箱選取功能模塊按照框圖進行互聯。然后確定模塊連接、參數設置無誤后，開啟各實驗箱電源，編寫相應代碼載入有關芯片運行，利用示波器、光功率計觀察各測試點的波形或光功率并判斷系統是否連通。比較輸入、輸出信號波形的差異，調整模塊參數，直到結果合理。

需要注意的是，由于實驗箱來自不同廠家，在搭建綜合系統之前，必須了解各個實驗箱的電路、光路，剔除不必要的芯片、模塊。若學生自己搭建系統遇到困難，可先簡后繁，確保每個子系統均能傳輸信號后，再設計拓撲結構更復雜的系統開展實驗。該通信系統采用了模塊化設計思路，當然還可以根據實際條件，增減其它通信專業課程的實驗項目。

2 實驗案例

本文利用通信原理實驗箱、程控交換實驗箱、光纖通信實驗箱搭建了一個集調制解調、編譯碼、時分交換網絡等功能于一體的WDM光纖傳輸綜合通信系統，如圖3所示。本實驗系統有3個傳輸信道，載波光波長分別為λ1、λ2、λ3。

如圖3所示，實驗1的數字信號1的信息碼1010100101可由通信原理實驗箱的數字信源模塊輸出[11]。首先進行2ASK調制，然后驅動光纖通信實驗箱中光發送模塊1的發光二極管LED工作，將電信號轉化為波長為λ1的光信號，進入合波器。經過光纖傳輸到分波器，再分離出λ1光信號，由光接收模塊1將光信號轉化成電信號。經過通信原理實驗箱的2ASK解調輸出的數字信號1′。兩者比較，分析實驗結果。

實驗2，語音信號通過程控交換實驗箱中的電話1輸入到用戶接口電路，成為模擬電信號。經過PCM編碼后轉化成數字電信號，再進行加擾、5B6B編碼。然后驅動光纖通信實驗箱中光發送模塊2的發光二極管LED工作，將電信號轉化為波長為λ2的光信號，進入合波器。經過光纖傳輸到分波器，然后傳輸到光接收機2將光信號轉化成電信號[12]。再到程控交換實驗箱中的進行5B6B譯碼、解擾、PCM譯碼，輸出模擬電信號，通過用戶接口電路、電話1′轉化成語音信號。

實驗3，將實驗2中經過PCM編碼的電信號直接驅動光發送模塊3轉化成波長為λ3的光信號，經過WDM傳輸到光接收模塊3后轉化成電信號。再到程控交換實驗箱中進行PCM譯碼，通過時分交換模塊，利用編程控制交換選擇通話對象，通過用戶接口電路、電話1″轉化成語音信號[13]。

實驗2、3中，電話1分別與電話1′、1″通話時，用示波器觀察各測試點的波形并比較，調整光接收模塊的增益，使WDM傳輸前后的信號盡量對應，話音盡可能清楚。

3 實驗結果及分析

3.1 信道1的調制解調實驗效果

利用示波器觀測圖3中測試點1-4的波形，結果如圖4所示。數字信息碼為1010100101，1為高電平，0為低電平，如圖4(a)上波形。經過2ASK調制后，如圖4(a)下波形。經過WDM光纖傳輸后如圖4(b)下波形，經過2ASK解調后，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，無變形、無時延，說明傳輸效果很好。說明數字基帶信號調制、解調無誤，信道1傳輸成功。

3.2 信道2的編解碼實驗效果

當電話1與電話1′通話時，長按電話1的數字鍵“4”代替語音信號，并利用示波器觀測圖3中的測試點5-12的波形，其結果如圖5所示。

在圖5(a)中，通過比較電話1送出的信號和經過PCM編碼后的信號可知，模擬信號變成了數字信號。為避免出現連“0”和連“1”，通過加擾使信號帶有同步定時信息，如圖5(b)。當數字信號經過5B6B編碼，如圖5(c)。然后通過WDM系統的光纖信道2傳輸到光接收機2并轉化成電信號，如圖5(d)所示，信號稍有時延。再經過5B6B解碼，信號如圖5(e)。信號再經過解擾、PCM解碼后，信號如圖5(f)所示。

為檢測信道2的傳輸效果，可對照測試點12與測試點5波形，如圖5(g)所示，說明經過傳輸后的信號與傳輸前的信號波形相似、幅值有所降低、存在一定時延，證明信道2能實現語音信號的傳輸。

3.3 信道3的程控電話傳輸效果

為檢驗程控電話的通話效果，可查看電話1 的信號在PCM編碼后以及經過WDM系統的光纖信道3傳輸后的效果，如圖6(a)所示，傳輸后的信號略有時延。然后檢查信號經過程控交換網絡傳輸后的情況，如圖6(b)所示，信號在傳輸過程中有時延，波形相似，說明信道3能實現信號的傳輸。

以現有器材為基礎，不增加額外經費，通過試驗，構建了綜合通信實驗體系。本通信系統綜合了多門通信課程的不同實驗項目，使用了不同廠家的實驗箱，但信號在一個WDM光纖傳輸系統的多個信道中分別實現了有效傳輸?？梢?，以WDM光纖傳輸為紐帶，綜合多門課程實驗的實驗教學思路具有一定的可行性。在設計電路系統的過程中，可讓學生更換其中部分電路的芯片和器件來實現信號傳輸，對比分析，提高綜合實驗技能和設計能力。

(a) 測試點1(上)和測試點2(下)

(c) 測試點3(上)和測試點4(下)

(d) 測試點1(上)和測試點4(下)

(a) 測試點5(上)和測試點6(下)

(b) 測試點6(上)和測試點7(下)

(c) 測試點7(上)和測試點8(下)

(d) 測試點8(上)和測試點9(下)

(e) 測試點9(上)和測試點10(下)

(f) 測試點11(上)和測試點12(下)

(g) 測試點5(上)和測試點12(下)

(a) 測試點6(上)和測試點13(下)

(b) 測試點14(上)和測試點15(下)

由此推出整個通信工程專業課程實驗教學的模塊化思路，由簡到繁、循序漸進，形成新的綜合通信實驗平臺[14]，保證各門課程之間的相對獨立性，避免實驗項目重復。教師可調整培養方案中的實驗順序，優化實驗項目，強化教學重點、難點、實用點。若實驗安排合理，可不再專門開設光纖通信實驗。對非通信工程專業、課時有限的學生，可利用本綜合通信實驗平臺在短時間內加強對通信系統的整體認知[15]。同時，根據實驗教學的變革，相關通信專業理論課內容也可調整，提高教學效率，推進通信專業教學改革，開發新的實驗器材。

4 結 語

基于不同廠家生產的實驗箱構建的綜合通信系統涉及通信原理、交換技術、光纖通信、編碼技術等課程的實驗項目，不僅有利于學生掌握專業技能，也能加強通信系統概念的理解。當然，可根據教學要求選擇不同的模塊設計通信系統，有針對性地鞏固相對欠缺的知識和技能。本實驗方案無需購買新的設備，學生只需通過系統構建、芯片更換、參數設置、波形測試即可完成實驗，理論與實踐相結合，提高通信系統的認識能力和教學資源整合能力。本工作根據實際整合教學內容，改革實驗教學體系和模式，同時理論教學也可作相應的調整，可推進通信工程專業教學體系的改革。本實驗方案可設計開發成新的教學設備，有推廣價值。

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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，主要研究方向為語音識別、神經網絡。E-mail：lvfei47@163.com

韋文生(1966-)，男，廣西平樂人，博士，教授，主要研究方向為光纖通信。E-mail：weiwensheng287@163.com

TN 913.7

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1006-7167(2016)03-0041-05