光纤电话通信系统的设计与性能仿真

任鲁涌　李西顺　王善斌　彭荣群

【摘 要】本文设计了一款语音通话光纤通信系统，并用软件进行了仿真设计及性能仿真分析。设计中采用软硬件结合的方法，在硬件上实现了强度调制直接检测式的点到点的语音通话的数字光纤传输系统；在软件上采用了电路仿真软件，对本文设计的语音通话的光纤传输系统，从部分到整体的设计进行仿真分析，通过设计的实际硬件系统的通话及性能参数的仿真验证，设计的系统可行，达到性能要求。

【关键词】光发射机；光接收机；语音光纤通信系统

中图分类号： TN859 文献标识码： A 文章编号： 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

近十几年以来，光纤通信已经彻底改变了整个通信的发展，使得高速，高容量的通信成为可能。目前已成为不可替代的最重要的信息传输技术。光纤通信已形成强大的行业和巨大的市场，并在高速发展着。从整个光通信行业的角度来看，由于信息需求的增长，全球光缆和光网络设备市场保持了较快发展。光纤通信已贯穿我们生活中的方方面面，它使得大容量，超速度，远距离成为了现实，为我们的生活提供了便利，也为信息的发展创造了条件。研究光纤通信系统更好的实现超长距离，超低损耗，综合业务传输，节省金属材料，使我们的生活更加优质美好，因此用光纤作为传输媒介构成通信系统成为通信领域的一个关注的热点。

1 光纤通信系统

1.1 光纤通信系统的组成

光纤通信系统如图1所示，光纤基本通信系统，由光发射机，光纤线路，和光接收机三个部分组成，信息源把各种各样的用户信息转换为电信号，这种电信号称为基带信号；电发射机把基带电信号转换为适合在信道中传输的信息，这种信号大多被称为调制信号。光发射机，实现电光转换，把电信号转换为光信号，并尽最大耦合的把光信号传输到光纤线路；光纤线路，把從光发射机接受来的信号以尽可能小的畸变和失真传输到光接收机；光接收机把从光纤线路传输来的微弱光信号转换为电信号，即实现光电转换，并经其后的主放大器进行放大，然后传送到电接收机，其中最主要的光电检测模块和光放大器等模块，这直接影响到信号的灵敏度等。电接收机对从光接收机来的信号进行解调制，然后变为最基本的电信号，从而送到信息宿；信息宿把基本电信号转换为用户信息，从而达到通信的目的。光纤通信系统可以传输两种信号，分别为数字信号和模拟信号，光纤通信系统分为数字光纤通信系统和模拟光纤通信系统。模拟和数字光纤通信系统各有优缺点。

1.2 光纤电话通信系统设计的目的

通信专业通信理论学习中，由于其理论内容理论性强，抽象，不对应实际具体应用的通信系统，在理解及掌握上困难，特别对通信理论在实际中的具体应用、实际通信系统的具体组成及工作过程没有清楚的实际认识。因此对于通信专业方向到底做什么的认识有点迷茫，为培养初学者实现从理论到实际转变，又有创新意识，就要利用现有的实验室的设备平台，提出一种可行的方法，让初学者自己动手进行实际通信系统的设计，通过自己动手提高解决实际问题的能力，增强创新意识，熟悉通信理论在实际通信系统的应用，熟悉实际通信系统的设计流程、各个部分的构成、工作程序、指标测试方法及手段。达到培养合格工程人才的目标。我们利用实验室光纤通信系统设备平台，设计出点到点光纤电话通信系统的硬件构成及相对应的系统性能指标的仿真模型，实现实际通话验证及指标检测验证。endprint

2 硬件系统搭建

本次设计构建出了光纤电话通信系统的硬件电路，其实现了双向语音通话的效果，即构造了一个实际的实现语音双向通话的数字光纤通信系统。设计中以我们实验室有的GXLTE06光纤通信设备平台为依托进行设计。该设备平台共有9个模块，设计中用了7个模块。设计时考虑要实现语音双向数字光纤传输系统，语音是从电话机的话筒产生的模拟电信号，就必须要先进行编码，把信息即既语音信号转变为数字信号，需要编码过程是：一般先形成PCM编码，用PCM编码来表示传输的语音信号，再通过经过复用形成基带CMI編码，将CMI编码送至光发射机进行光波调制，将调制光波耦合进光纤传输，到光接收机端，由光纤传过来的调制光波经光接收机转换为电信号，电信号波形数字化后，输送到CMI译码单元，经PCM译码，再通过交换网络送回到用户单元，实现双向通话。所以就要用到语音终端模块、光收发模块、同步模块，复用模块、基带传输模块，和主控信息源模块。当然还需要两部终端电话机和示波器。在这次设计中，同时做了对设计的点到点的数字光纤双向通话通信系统的性能指标进行仿真测试设计，测试了系统PN序列的传输，光发射机发射光功率，在无失真传输状态时光接收机的灵敏度。

2.1 系统设计的硬件组成框图

本次设计主要是在实验室的GXTE06A设备平台中搭建电话话音信号时分交换系统，完成甲方一路和甲方二路的正常通话。设计的硬件系统组成如图2所示。由话机，用户接口电路，话路PCM编译码电路，话路交换网络，程控交换控制单元及复用模块，CMI编译码模块，光收发模块，光纤线路。系统的工作流程：甲方一路电话和甲方二路电话的话音信号，先分别经过PCM编码处理，送入至话路交换网络控制及信号复用单元，然后经过CMI编码处理送至光发射机进行光纤传输；光接收端输出信号返回至CMI译码单元，然后送回交换网络完成一系列交换处理，最后将交换处理的信号送至各个用户。交换过程中各种信令及铃流则由程控交换控制单元来处理。其系统的工作流程框图表示如图3所示。

2.2 系统设计的硬件实现

本次设计的实现语音双向甲方一路电话和甲方二路电话通话的数字光纤通信系统的实现如图4所示，经过调试，实现了甲方一路电话和甲方二路电话的话音清晰通话。设计的系统还具有改变系统组成模块的某些可调参数可实现系统灵敏度调节及系统动态范围的扩大的效果。

的实现连线图

3 仿真设计分析

软硬件结合的设计方法更容易理解设计理论，软件仿真设计：操作简单，可灵活改变电路参数、电路连接和显示读数的特的点，在设计中作为辅助手段得到广泛应用。本设计采用电路仿真程序e-labsim对硬件系统进行了光发射机发射光功率和接收机灵敏度的参数测量，及PN序列的传输测量。用optiSystem仿真软件进行了采用直接调制和间接调制的光纤通信系统设计仿真分析，通过观察其系统的信号频谱、眼图及误码率，来进行不同系统性能的分析对比，进一步加深通信系统理论及设计过程的理解。

3.1 硬件系统传输特性e-labsim仿真

3.1.1 光发射机发射光功率测量

建立硬件系统的测量连接，如图5所示，e-labsim取硬件系统的电路参数，在显示屏上读发射机发射光功率。

3.1.2 光接收机灵敏度的测量

建立硬件系统的测量连接，如图6所示，e-labsim取硬件系统的电路参数，在显示屏上读对应波长的光接收机灵敏度测量值。

3.1.3 光纤传输系统PN序列的传输验证仿真

建立硬件系统的测量仿真连接，如图7所示，e-labsim取硬件系统的电路参数，示波器显示光接收机端PN序列动态波形，如图8所示为示波器显示光接收机端PN序列静态波形。

3.2 数字光纤通信系统的optiSystem仿真设计

optiSystem仿真软件是一款专门针对光纤通信系统设计与分析的软件。该软件因其界面友好，操作简单，功能强大，它自带电和光测试器，可灵活改变参数和显示的读数，如误码率分析仪里面就有好多选项，可以看到在有噪声和无噪声以及有无眼图的条件下的误码率，已在国内广泛应用。运用optiSystem仿真软件来进行光纤通信系统的仿真设计与分析，对进行实际光通信系统设计具有很大的帮助。

在实际学习中，运用这款软件进行光纤通信系统的仿真设计，可非常方便验证不同光纤通信系统的的性能区别于比较。如采用直接调制与间接调制的光纤通信系统，在仿真设计上，没有太大的区别，只是光源的调制方式不同，多了一个调制器而已，但调制出来的光源是不同的，最后得到的误码率也是不同的。通过，e-labsim仿真和optiSystem仿真结果的比较，偏差很小，因此optiSystem仿真也较确切地反应实际设计的光纤通信系统的特性，optiSystem仿真具有很大现实意义与应用意义。下面具体演示。

3.2.1 光纤间接调制通信系统仿真设计

建立光纤数字间接调制通信系统仿真模型如图9所示，一般都是用一些信息源来代替数字信号，本文中，用伪随机码发生器（Pseudo-Random Bit Sequence Generator）产生的信号来代替的需要的数字信号序列，再通过NRZ脉冲发生器（None-Return-to-Zero Generator），将该信号序列加载到电信号上转变为电信号，间接调制采用Mach-Zehnder调制器，由光源产生的光信号传送到Mach-Zehnder光调制器，再把传输的电信号序列加载到Mach-Zehnder调制器上，经Mach-Zehnder调制器输出光信号，就是经过间接调制将电信号加载到光波上，调制后光波送到光纤线路中传输。再经过光接收机的光电检测器，将光信号转换为电信号，optisystem中的光电检测器本身就带有前置放大器和主放大器，故可不用添加，然后在经过均衡，滤波、解调等回复成原始信号，而误码率分析仪中已自带解调功能，它上面有判决器和时钟恢复电路，故经过误码仪之后可恢复成适合在PCM中传输的原始信号。endprint

3.2.2 光纤直接调制通信系统仿真设计

建立光纤数字直接调制通信系统仿真模型如图10所示，在本文中，用的信源与图9所示中的相同，将信源输出的电信号直接加到光发射机的光源上，使输出光信号随电信号变化而变化，即实现对光发射机光源的直接调制，然后光源输出的调制光波耦合进光纤线路传输。到光接收机端，再经过光接收机中的光电检测器，将光信号转换为电信号，然后在经过均衡，滤波、解调等回复成原始信号，而误码率分析仪中已自带解调功能，它上面有判决器和时钟恢复电路，故经过误码仪之后可恢复成适合在PCM中传输的原始信号。

3.2.3 仿真结果对比分析

在系统参数相同条件下，对比直接调制和间接调制的性能，如图11所示为间接调制的频谱图， 如图12所示为直接调制的频谱图；如图13 所示为间接调制的系统误码率及眼图，如图14所示为直接调制的系统误码率及眼图。

由上图对比可以看出，间接调制与直接调制相比，在对于小容量，短距离传输系统来讲，但性能差别不大，且间接调制与直接调制相比技术复杂。但在高速及远距离传输时确实间接调制与直接调制相比有优势。

4 结束语

这次设计中，我采用的硬件是以实验室有的GXTE06A光纤设备平台模块进行的开发设计，设计中体现的思想就是进行准实际应用系统设计，设计出的（下转第30页）（上接第13页）系统与实际中社会应用的系统是相似的，设计出的硬件系统进行了清晰通话实验，对其性能进行了实际测试，如光发射机平均光功率的测量，光接收机灵敏度，测量参数达到设计要求，这就验证所设计的系统是可行。这样做到了理论到实践训练，同时又通过仿真设计与仿真分析做到对理论的深入熟悉、理解，通过仿真设计与仿真分析可以方便直接对比不同光纤系统之间的性能差别，通过仿真设计与仿真分析可以方便的通过更换光纤系统中不同元件参数方便观察其的影响，了解直接调制与间接调制的区别。另外，对于光纤通信系统比较关键的影响因素为损耗和色散，基于GXTE06A的二次开发，可以与MATLAB等软件进行基于M语言的开发，来研究光纤通信系统的衰减和色散对传输信息的影响。

【参考文献】

[1]张煦.光纤传输系统设计[M].上海交通大学出版社，1998.

[2]马晓红，王尤翠，戴居丰.数字光纤通信系统的建模与仿真[J].天津大学学报，Vol.32，No.4，Jul.1999.

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[5]劉曾基，胡辽林，周洋溢，等.光纤通信[M].西安：西安电子科技大学出版社，2001，2～3，4～7，33～35.endprint