itc49617020

學校名稱：東南科技大學
系 別：資訊科技與通訊學系
題目名稱：FSK 在光通訊上之研究
(Study of Frequency Shift Keying on optical communication)
指導老師：林煌彰 老師
學生學號：49617020 49617042
學生姓名：詹予嘉 周廷駿
完成年月：中華民國九十九年十二月

目 錄
摘要． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． 1
第一章 緒論． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． 2
1 . 1 研究動機． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． 2
1 . 2 研究目的． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． 2
1 . 3 通訊調變之介紹． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． 3
第二章 F S K 系統介紹． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． 5
2 . 1 F S K 之調變方式． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． 8
2 . 2 F S K 之解調方式． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． 9
2 . 3 調變及解調之I C 介紹． ． ． ． ． ． ． ． ． ． 1 0
2. 4 FS K 電路圖．．．．．． ．．．．．．．．．1 2
第三章 光纖介紹． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． 1 3
3 . 1 光纖訊號傳輸的特性． ．． ． ． ． ． ． ． ． ． 1 6
3 . 2 光纖訊號之發射與接收．． ． ． ． ． ． ． ． ． 1 9
第四章 O F S K 系統介紹． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． 2 0
4 . 1 O F S K 系統架構與說明． ．． ．． ．． ． ．． 2 0
第五章 實驗記錄． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． 2 1
第六章 結論． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． 2 9
6 . 1 成果展示． ． ． ． ． ． ．． ． ． ． ． ． ． ． ． 3 0
參考文獻． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． 3 1
附錄． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． 3 2

摘 要

本專題利用兩顆IC，分別是調變用的XR-2206 及解調變用的XR-2211，來設計產生
編碼的FSK 電路及解編碼的FSK 解調電路，並藉此了解FSK 調變與解調變的特性。另
外研究光纖傳輸的特性、光發射器及接收器之原理，我們利用光纖作為FSK 調變及解調
變電路間傳輸信號的骨幹，並實驗、研究讓FSK 電路能成功應用在光通訊上，完成之作
品稱為OFSK(Optical Fiber on Frequency Shift Keying)系統。製作及實驗電路之過程，紀錄
於實驗記錄內。

關鍵字：FSK、光纖、調變、解調變、光通訊

第一章 緒論

1.1 研究動機

在現在這個21 世紀裡，隨著時代不段的演進，通訊已經成為我們不可或缺的一項必需品，例如：手機、電腦、無線網路、行動導航等等。光纖傳輸也是現今最熱門的一項技術，而此技術在未來數十年內也勢必不會被淘汰，所以此專題「FSK 在光通訊上之研究」我們將結合光纖發送數位信號，利用FSK 的傳輸性質來研究FSK 的數位信號調變與解調，以光纖作為發射端與接收端訊號傳輸的骨幹，利用光纖傳輸出FSK 的數位信號。
我們輸入一個音頻信號，我們選擇利用MP3 來輸入音頻信號，經過FSK 調變電路，傳輸進入光纖，信號再從光纖發出，再經由FSK 解調變電路將音頻信號傳輸出來。

1.2 研究目的

因為FSK 調變與解調變電路，是將一個方波訊號傳輸進入調變電路，再經由解調變將方波訊號傳輸出來。我們想結合光纖和音頻信號，將音頻信號(MP3)作為傳輸端信號經過FSK 調變和光纖發射器，再傳輸給光纖接收器進行FSK 解調變，傳輸出音頻信號(MP3)，並從揚聲器發出，使其播放出聲音以達到音頻信號傳輸接收的目的。

1.3 通訊調變之介紹

通訊的調變方式有類比(Analog)調變方式及數位(Digital)調變方式，如表1-1。

                表1-1 類比調變及數位調變方式

類比調變方式的輸入訊號為類比訊號，通常是在電話頻率(3.4KHZ)為止的語音頻率內之訊號。

類比調變方式有：
(1) 振幅調變方式 (AM，Amplitude Modulation)
(2) 頻率調變方式 (FM，Frequency Modulation)
(3) 相位調變方式 (PM，Phase Modulation)

本專題主力在於數位調變之研究。數位調變方式是以數位訊號為輸入訊號的調變方式，將類比語音訊號由語音編碼裝置(CODEC)轉換成數位訊號。資料的話是按照原來的樣子，在速度轉換、編碼轉換等資料處理後進行數位調變的。圖1-1 列出三種常見的調變編碼技術之波形。

振幅數位調變 (ASK) 

頻率數位調變 (FSK)          

相位數位調變 (PSK)

             圖1-1 三種常見的調變編碼技術之波形

數位調變方式有：
(1) 振幅數位調變 (ASK，Amplitude Shift Keying)
(2) 頻率數位調變 (FSK，Frequency Shift Keying)
(3) 相位數位調變 (PSK，Phase Shift Keying)

振幅調變(ASK)利用載波頻率的兩種不同的振幅來代表0 和1 的變化；頻率調變(FSK)利用接近載波頻率的兩種不同頻率來代表0 和1 的變化；相位調變(PSK)則是以相位的改變來代表0 和1 的變化。另外，也有將振幅調變與相位調變組合而成的，稱為振幅相位調變(QAM，Quadrature Amplitude Modulation)。頻譜擴散調變方式一般是以相位調變(PSK)方式來發送訊號，收發訊之架構如圖1-2 所示。

                                                圖1-2 收發訊號的系統架構

第二章 FSK 系統介紹

在FSK 系統中，聲音通道內的兩音調，用通帶濾波器(bandpass filter)很容易加以分隔。被設計來作為載波。一個音調被傳送作為位元「1」，另一個作為位元「0」。兩個通帶濾波器、整流器與一個差動放大器，可解調出信號。圖2-1 所示為可能的FSK 系統。頻率調變為使頻率移轉的方法之一，頻率移轉是以非線性方式，改變信號內所包含的瞬間頻率，所得到調變後信號的頻寬與基頻信號的頻寬不同。

                                 圖2-1 FSK 數位傳輸系統

而在數位通信方面，另外有許多其他的理由，更要採用以頻率為調變的參數，而其中最主要的原因，是為可以大幅簡化編碼與解碼系統。應用頻率調變，相對於振幅調變，振幅調變以基頻信號控制載波的振幅，頻率調變則是以含有資訊的基頻信號，改變載波的頻率。在二進位數位信號中，基頻訊號是兩個數值之中，採用其中之一，經調變後信號波形的頻率，在將兩個數值之中，採用其中之一。這一種調變的過程，就像以按鍵開關選擇運作，因而產生頻率調變的過程，稱為頻率鍵移控制 (FSK：Frequency Shift Keying )。

有介於ASK 調變並沒有特別規定輸出的弦波之振幅位準、相位準、頻率值，所以在傳送的過程中易受到雜訊的影響，產生資料傳輸之錯誤率增高。FSK 頻率鍵移控制之由來為FSK 在發射端輸出兩個頻率，分別代表PCM 和NRZ 數位碼1 和0，圖2-1 的第一張圖為數位調變信號波形，Logic 1 表示數位資料為「1」的頻率，Logic 0 表示數位資料為「0」的頻率，由一個載波頻率如圖2-2 的第二張圖，再搭配一個偏離訊號來表示FSK 的信號，即可如同圖2-2 的第三張圖所描述的調變信號波形。

                          圖2-2 FSK 調變信號

隨信號位元為「1」或「0」而定。圖2-3 所示，是為一個二進位數位頻率調變(binary FSK)信號的波形。

                              圖2-3 二進位FSK 的信號波形

2.1 FSK 之調變方式

在這裡我們以BFSK 為例子來說明FSK 的基本動作原理。式2-4 為BFSK 的數學表
示式，設定載波的中心頻率再加上偏移頻率來表示「1」或「0」的資料。
χ()=

cos(2+2)=1

cos(2−2)=0
                     (式2-4)

圖2-4 及圖2-5 為FSK 調變的方塊圖，從方塊圖中分析整個調變的過程。首先判斷輸入的二元資料是「0」或「1」，決定其極性，乘上偏移的頻率  再加上載波的中心頻率 ，將此頻率送至Phase Accumlator Oscillator 振盪出FSK 的調變信號。

                          圖2-4 FSK 調變之方塊圖(1)

                                           圖2-7 FSK 解調DPLL 方塊圖(2)

2.2 FSK 之解調方式

圖2-6 及圖2-7 為FSK 解調變的方塊圖，一般FSK 的解調方式都是使用DPLL（Digital Phase Locked Loop）的方法來取得接收信號的頻率；由頻率再來區分接收的資料是「0」或「1」。

                           圖2-6 FSK 解調之方塊圖(1)

                               圖2-7 FSK 解調DPLL 方塊圖(2)

2.3 調變及解調變之IC 介紹

FSK 調變電路(Frequency Shift Keying Modulator Circuit)中使用的IC 是XR-2206，是一顆能穩定且精確產生正弦波、三角波、鋸齒波及脈波波型的高品質IC，這顆優良的IC所輸出的波形及調變之頻率可由外部電路改變電流來控制，XR-2206 可應用在波形產生、V/F 轉換、AM/FM 調變、FSK 調變、掃描生成、相鎖迴路等電路，其各腳位功能及內部構造如圖2-8 及圖2-9 所示。

                 圖2-8 IC XR-2206 各腳位功能 (16 pin.)

                    圖2-9 IC XR-2206 內部構造圖

FSK 解調變電路(Frequency Shift Keying Demodulator Circuit)中使用的IC 是XR-2211，是一顆主要用來設計數據通訊系統的IC，它的內部電路主要是由相鎖迴路(PLL：phase-locked loop)、積分相依檢波器、FSK 電壓比較器所組成，XR-2211 依靠外部的電路RC 組成來改變PLL 內VCO 之及頻寬，此IC 可應用在數據同步、FSK 解調、音頻解碼、FM 檢測、資料載波檢測等電路，其各腳位功能及內部構造如圖2-10 及圖2-11 所示。

                       圖2-10 IC XR-2211 各腳位功能 (14 pin.)

                       圖2-11 IC XR-2211 內部構造圖

2.4 FSK 電路圖

第三章 光纖介紹

「光纖」是一種光在玻璃或塑料製成之纖維中，全反射原理傳輸的光傳導工具。微細的光纖封裝在塑料護套中，使得它能夠彎曲而不會斷裂。通常光纖的一端發射裝置，使用發光二極體或一束雷射將光脈衝傳送至光纖，光纖的另一端接收裝置，使用光敏元件檢測脈衝。包含許多條光纖的線纜稱為「光纜」。由於光在光纖的傳輸損失比電在電線傳導的損耗低很多，而且光的傳輸速度也比電快很多，更因為主要生產原料是「矽」，此一化學元素蘊藏量極大，較易開採，所以價格便宜，促使光纖被用於長距離資訊傳遞的工具，隨著光纖的價格進一步降低，光纖也陸續被用於醫療和娛樂的用途。光纖是雙重的構造，核心部分是高折射率的玻璃，表層部分是低折射率的玻璃或塑膠原料，光在核心部分傳輸，並在表層交界處不斷進行全反射，沿「之字形」向前傳輸。這種纖維比人的頭髮還細，這樣細的纖維要有折射率截然不同的雙重結構分布，是一個非常驚人的技術；各國科學家經過多年努力，創造了內附著法、MCVD 法、VAD 法等等，製成了高純度的石英玻璃，特製成的光纖，在傳輸光時，它的效率有了非常明顯的提升。現在較好的光纖，其光傳輸損失，每公里只有0.2 dB，也就是說傳輸一公里後只損失4.5％。圖3-1 顯示的是光纖外觀，光纖的結構包含三種「同心」的材料，即外層被覆(jacket)、中層纖覆(cladding)及內層纖核(core)。在1960 與1970 年代時，數位通訊系統的傳輸使用了雙絞線與同軸電纜，跟類比系統比較起來經濟多了。光纖傳輸系統(optical fiber transmission system)在1970 年代開始使用，效能與經濟效益比同軸電纜更高，近年來光纖急速發展而且逐漸被接納成為廣泛使用的通訊媒體，主要原因包括：

1. 光波傳輸的頻寬非常大：用於傳送的光為可見光波，頻率在10Hz 到10Hz 間，光纖的頻寬約2GHz 左右。技術上已經發展出能同時傳送數萬通電話的光纖。

2. 光纖能在惡劣環境使用：光纖並非以一般纜線用的電子來傳送訊息，而是以非傳導性的質子，不會產生火花，在高溫與易燃氣體的工作環境中安全性比較高。光纖也比較不會受到電腦內電氣元件的干擾。

3. 光纖的訊號減損率很低：光纖訊號傳送幾公里後，只有輕微的衰減，因此訊號接續器(repeater)的間隔可以提升到30 公里到50 公里左右的距離。

4. 資料的位元錯誤率很低：BER 很低而且不會隨訊號頻率增加而增加。

5. 部署的優勢：光纖十分輕巧，不佔空間。

                                 圖3-1 光纖的外觀

光纖具有高頻寬、快傳輸速度及無電磁波干擾等特性，因此在近十年來，它開始在全世界的通訊領域中被大量使用。在光纖網路架構中，各大洲間主要的海底纜線早已使用低傳輸損耗的「玻璃光纖」，甚至陸地上的主要網路幹線也都使用玻璃光纖，但玻璃光纖價格昂貴，搭配的周邊設備(連接器、耦合器)成本也高，因此短距離的室內配線則使用價格較便宜之塑膠光纖，不但鋪設容易、搭配的周邊設備成本低，而且維護方便，可以取代同軸電纜、雙絞線等傳統的網路線。和雙絞線與同軸電纜比較起來，光纖有下
列的優點：

1. 頻寬高：光纖在較長的距離可以提供較高的頻寬。

2. 光纖體小質輕：在佈線時，光纖由於體積小、質量輕，不需要很多結構上的支撐，施工較容易。

3. 衰減率低：光纖所傳送的訊號可以經長距離而不衰減。雙絞線與同軸電纜則缺乏這樣的特性。

4. 電磁干擾的免疫力：光纖系統不會受電磁場的干擾，同時不容易被抄截，安全性較高。

5. 訊號接續器(Repeater)之間的距離比較長，可以降低成本，而且減少佈線的工作量。

由於光纖將在未來的頻寬及高速網路中會扮演重要的角色，下面我們就以光纖為例，來說明傳輸介質的特性。光纖(Optical Fiber)是很薄約2μm 到125μm 而且有彈性的介質，可以傳導光射線(Optical Ray)。光纖可以由各種玻璃與塑膠材料製成。圖3-2 是三種光纖的外觀與結構，光源將光束射入光纖的內圓柱，在多模光纖中，光束會折射，在單模光纖中，光束不會折射。圖3-2 中間的多模斜射率(Multimode Graded Index)光纖效能與特性介於單模與一般的多模光纖之間，可以比較有效率的聚集光束。單模光纖的效能最高。

                               圖3-2 三種光纖的外觀與結構

當移動於密度較高的介質的光線，以大角度入射於核心-包覆邊界時，若這入射角角度(光線與邊介面的法線之間的夾角)大於臨界角的角度，則這光線會被完全地反射回去。「光纖」就是應用這種效應來把傳導光線侷限於核心，在光纖內部傳播的光線會被邊界反射來反射去；由於光線入射於邊界的角度必須大於臨界角的角度，所以只有在某一角度範圍內射入光纖的光線，才能夠通過整個光纖，不會洩漏損失。

3.1 光纖訊號傳輸的特性

基本上，光訊號是以開／閉 (on／off)的光脈波形式來表示數位資料流，在光纖纜線中傳送。光纖內層纖核的折射率(refractive index)比中層纖覆大，當光波進入纖核後，在纖核／纖覆介面處被反射回來，因此，光波沿著光纖軸線反射，隨著光纖媒體通往接收
端。光纖通訊系統中只傳導光脈波，因而純粹以光波來說只能傳送類比式的訊號。但是對資料源而言，可以先經過適當的調變，傳送數位與類比訊號。圖3-4 顯示一個光傳輸系統(optical transmission system)的結構，傳送器包含一個光產生源，可以依據輸入的電子訊號調變成傳導的光束。

                  圖3-4 光傳輸系統 (optical transmission system)

光也算是一種電磁波，只不過我們把電磁波的特定頻率範圍界定為光譜的範圍，光本身又分為可見光(visible light)與不可見光(invisible light)，圖3-5 特別把光通訊使用的訊號頻率附近的光譜畫出來，通訊系統使用的部份集中在紅外線(infrared)附近，屬於不可見光，可以透過LED 或紅外線雷射(infrared laser)產生，因此光纖裡面的光是沒有顏色的，
肉眼看不見的。

                圖3-5 光纖中使用的光訊號之光譜(spectrum)

當光由折射率(index of refraction)為m1 的介質進入折射率為m2 的介質時，若是m1＞m2，則折射以後光會偏離與介質介面垂直的線，即圖3-6 中的「normal line」，假如入射的角度越大，偏離的角度也越大，當入射的角度到達臨界角度(critical angle)時，光會沿著介質的表面前進，一但入射角大於臨界角度以後，光就會開始反射(reflect)。

                圖3-6 光纖內部光的反射作用

光纖裡面的光就是在不斷反射的情況下傳遞，即使光纖纜線有部分彎曲，光還是可以在同樣的原理下傳送，如圖3-7 所示，而且一條光纖內部可以傳送很多種不同波長的光訊號。

                      圖3-7 光纖彎曲時對於光傳遞的影響

了解光在光纖中傳遞的原理以後，我們可以進一步地認識光通訊系統的組成。調變器(modulator)在電話網路中可以做電子訊號與語音的轉換，在光纖系統中，調變器則是把電子訊號轉換成光波，所謂的「modem」是「modulator demodulator」的縮寫，可以做雙向的轉換。

◆ 光纖的實際用途

光纖在通訊網路上的使用逐漸普及，已經應用在長途電信網路的主幹(Long-haul trunks)、都會網路主幹(Metropolitan trunks)、城郊主幹(Rural exchange trunks)、區域迴路(Local loops)以及區域網路中。早在1980 年代，電信交換中心之間的光纖幹線，已經可以達到30Mbps 以上的速率。相似的幹線在目前更能提供高達幾Gbps 以上的速率。長達數千英哩的光纖主幹，也可以提供10Gbps 以上的速率。圖3-8 顯示出光纖幹線的外觀，在內部的圓柱軸中，包括許多條圖3-1 中所介紹的光纖，傳輸速率是這些光纖的總和。雙絞線和同軸電纜雖然也可以集成類似的幹線，但是因為體積較大、質量又重，佈線比較困難，傳輸速率也遠低於光纖。

                          圖3-8 光纖幹線的外觀

3.2 光纖訊號之發射與接收

光纖通訊系統包含了幾個主要的部份，如圖3-11 所示，信號輸入「發射端」後，先經過調變再送入光源發射器，由光纖傳輸信號至「接收端」的偵檢器，並解調信號，最後將信號輸出。整個系統中，影響信號傳輸品質最大的是光纖及調變。

                              圖3-11 光纖通訊系統方塊圖

「光發射器」是組成光纖通訊系統關鍵的角色，其作用是將電信號轉換成光信號(E/O)，再藉由光纖來傳輸。發射器的設計主要是由光源和驅動電路兩部分所組成，其設計方塊圖如圖3-12 所示。而驅動電路的作用是提供電功率給光源，並按照待發射的電信號調變光輸出。「光接收器」是光纖通訊系統之一個重要組成部分，目前實用於光纖通訊系統中，主要使用數位調制方式。在電視信號傳輸系統上則基於成本理由，目前大多還是使用類比傳輸。

                                  圖3-12 光發射器設計方塊圖

第四章 OFSK 系統介紹

所謂OFSK(Optical Fiber on Frequency Shift Keying)，就是將光纖的發射與接收運用在頻率鍵移控制（FSK）之電路上，使用一音頻信號或是影像傳輸信號，進行傳輸於FSK調變與解調變電路中，因頻率鍵移控制（FSK）是屬於數位調變方式，所以我們運用光纖的傳輸特性來傳輸音頻數位信號，來做調變與解調變的電路信號研究。

4.1 OFSK 系統架構與說明

我們使用一個MP3 音樂檔作為信號源發送信號，信號進入FSK 產生調變之後，經由光纖發射器，運用光纖訊號傳輸至光纖接收器，接收出來的信號，再經由FSK 解調變，傳輸出音頻信號(MP3)，並從揚聲器發出，使其播放出聲音。

                                圖4-1 OFSK 系統架構圖

第五章 實驗記錄

(1) 製作電路

使用元件
電阻 ：
4.7K、10k、18k、100k、220k、470k、
可變電阻(精密25 轉) ：
1k、10k、50k
電解電容：
10uF、1uF
陶瓷電容：
472、223
積層電容：
333、104
IC 座：
14P 扁孔、16P 扁孔

FSK 調變電路完成

FSK 解調電路完成

(2) 測試電路波形

(3) 測試音頻傳輸

第六章 結論

本實驗報告經過我們的研究與探討，並多次的測試實驗，使用MP3 做為一個音頻信號，20~20KHz，中間經過FSK 電路的調變，再經由光發射器，然後以頻寬1550nm 的光纖進行長距離傳輸，再以光接收器接收光纖信號，最後經過FSK 電路的解調，將原始音頻信號還原，整個MP3 信號將不會失真，音樂從揚聲器原音重現。

6.1 成果展示

參考文獻

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*鍾隆宇、吳東旭、鐘國家、楊名全，數位通訊:原理與應用(第二版)，初版，台灣培生教育，2007 年12 月

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*呂冠蒲、林育樂，光纖音頻傳輸，實務專題，東南科技大學(2009)

*熱門電子元件搜索，http://cn.alldatasheet.com/

*維基百科，http://zh.wikipedia.org/zh/Wikipedia

個人心得

專題我們製作了這麼久，終於有把成果做出來，我們使用光纖作為骨幹，傳送音頻信號至FSK調變電路，再經由光纖發射機傳送信號，經過調變，再由光纖接收機接收音頻信號，再經由FSK解調變電路還原音頻信號。整個過程不會失真，原音重現。我們是使用MP3作為我們的信號源，電路板是我們自己徒手焊接的，所以在焊接的過程中，難免會有雜訊干擾，當音樂傳輸出來的時候，會有些許的雜訊干擾。我們還有買電源供應器當作我們的電源端，還製作RF電視線接頭，因為這次做的專題，讓我了解到光纖是一個很重要的技術，在未來的科技產業中，光纖技術是一門很重要的課程，在現今的社會中，是不可或缺的。所以，我們使用光纖作為電路的骨幹，傳送音頻的時候是相當好的。