軟件仿真在《光纖通信》課程中的應(yīng)用

汪徐德，李素文，竇德召，姜恩華

(淮北師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，安徽 淮北 235000)

光纖通信課程是面向高等院校電子通信工程專業(yè)的一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，這門課的特點(diǎn)是理論性強(qiáng)，概念比較抽象，不容易理解，這給學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來了很大的困難[1－2].傳統(tǒng)的教學(xué)方式主要是靠課堂講授，而后通過做大量的習(xí)題來理解和鞏固教學(xué)內(nèi)容，對(duì)于一些應(yīng)用性較強(qiáng)的內(nèi)容不能通過實(shí)驗(yàn)動(dòng)手操作，嚴(yán)重制約教學(xué)效果.使得學(xué)生對(duì)理論知識(shí)理解不透徹，覺得枯燥乏味，從而漸漸地喪失學(xué)習(xí)興趣.

為有效地學(xué)習(xí)這門課程，大多學(xué)校都依照教材開設(shè)相關(guān)光纖通信硬件實(shí)驗(yàn).傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式具有一定的缺陷，學(xué)生在做這類實(shí)驗(yàn)時(shí)往往是在制作好的實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行，該類實(shí)驗(yàn)只需按照指導(dǎo)書進(jìn)行簡(jiǎn)單操作，基本沒有設(shè)計(jì)性環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)過程往往是動(dòng)手多、動(dòng)腦少，很難激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)也有一定的限制.另外，采用硬件實(shí)驗(yàn)需投入充足的教學(xué)經(jīng)費(fèi)，建設(shè)實(shí)驗(yàn)室成本比較高，并且設(shè)備容易損壞和老化，需要及時(shí)維護(hù)[3－4].

隨著計(jì)算機(jī)的普及，使用軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真，有效地彌補(bǔ)硬件實(shí)驗(yàn)中存在的缺點(diǎn).如果能把相應(yīng)的應(yīng)用軟件和專業(yè)知識(shí)相結(jié)合，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力，將產(chǎn)生很好的教學(xué)效果[5].本文以光纖通信中的一些現(xiàn)象為例，采用Matlab和Optisystem軟件分別對(duì)其進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，使抽象的理論知識(shí)具體化、形象化，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣.利用軟件輔助光纖通信教學(xué)，變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，在實(shí)踐中掌握理論知識(shí)，能提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力，用實(shí)踐來證明利用軟件進(jìn)行仿真的直觀性、便利性和有效性.

1 Matlab和Optisystem仿真軟件的特點(diǎn)

Matlab是一種廣泛應(yīng)用于工程計(jì)算和系統(tǒng)仿真的新型高級(jí)語言，將數(shù)值計(jì)算和可視化集成在一起，具有優(yōu)秀的工程應(yīng)用開發(fā)環(huán)境，其編程方式自由，簡(jiǎn)單易學(xué)，可以通過編寫腳本或者函數(shù)文件實(shí)現(xiàn)用戶自己的算法，有利于算法開發(fā)和建模仿真等.

而Optisystem進(jìn)行仿真主要偏重系統(tǒng)方面，可以按照具體的物理概念直接建立仿真模型，可以根據(jù)需要對(duì)每個(gè)模塊設(shè)定具體參數(shù)，并且能夠?qū)λ⒌臄?shù)學(xué)模型進(jìn)行直觀地分析和仿真，并且仿真界面簡(jiǎn)明生動(dòng)，非常適合作為光纖通信系統(tǒng)的綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái).

2 仿真軟件輔助光纖通信教學(xué)

2.1 Matlab編程應(yīng)用于光纖通信教學(xué)

在本門課程的學(xué)習(xí)過程中，由于涉及到的數(shù)學(xué)處理比較復(fù)雜，學(xué)生學(xué)習(xí)起來普遍感到困難，如果恰當(dāng)?shù)厥褂每梢暬慕缑嬉哉宫F(xiàn)數(shù)學(xué)公式的物理圖像，使其變得直觀、形象，使學(xué)生獲得感性認(rèn)識(shí)，縮小理論與實(shí)際的差距，縮短學(xué)生的認(rèn)識(shí)過程，則提高課堂教學(xué)質(zhì)量.而Matlab編程仿真可以有效的彌補(bǔ)這一缺陷[6－7].例如在光纖的模式理論一節(jié)，涉及到光纖模式的大量數(shù)學(xué)推導(dǎo)，教材中一般是通過麥克斯韋方程，經(jīng)過復(fù)雜的推導(dǎo)過程，最后給出光纖中傳導(dǎo)模式的特性方程、場(chǎng)分布等結(jié)果，公式推導(dǎo)過程繁瑣、結(jié)果抽象，理解起來復(fù)雜.為解決這一問題，我們?cè)谡n程教學(xué)中引入Matlab軟件，自寫程序繪制典型的模場(chǎng)分布圖，達(dá)到了抽象的問題形象化，如圖1所示，給出了不同形式的線性偏振模(LP模)三維立體圖像和橫截面模場(chǎng)分布形式.將Matlab與光纖通信的公式推導(dǎo)相結(jié)合，通過編程和仿真，使學(xué)生更好地理解了公式的實(shí)際意義，也使得公式的推導(dǎo)不再變得枯燥無味.

圖1 不同形式的線性偏振模(LP模)三維立體圖像和橫截面模場(chǎng)分布形式

將Matlab數(shù)學(xué)建模引入光纖通信教學(xué)，可以讓學(xué)生參與編程，讓學(xué)生進(jìn)一步搞清數(shù)學(xué)公式與物理概念的內(nèi)在聯(lián)系，把Matlab程序設(shè)計(jì)語言的學(xué)習(xí)，變成了對(duì)問題求解所采取的探究行動(dòng)，使教材中枯燥繁瑣的理論分析結(jié)果可視化.相對(duì)于繁瑣的公式推導(dǎo)來說，可視化的圖形更能調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，更能吸引學(xué)生的注意力，增強(qiáng)學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)主動(dòng)性，從而使學(xué)生輕松地理解掌握教材中的理論知識(shí)，達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量的目的.同時(shí)在Matlab編程過程中，學(xué)生需要查詢資料、互相探討，無形中也提高學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力，培養(yǎng)其合作和創(chuàng)新的能力.

2.2 Optisystem系統(tǒng)仿真應(yīng)用于光纖通信教學(xué)

利用Matlab語言編程來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生有較強(qiáng)的數(shù)學(xué)思維能力，能夠?qū)胶蛷?fù)雜的理論知識(shí)進(jìn)行建模.相比而言，Optisystem則適合于對(duì)整個(gè)光纖通信系統(tǒng)鏈路的仿真設(shè)計(jì)[8]，系統(tǒng)模型的搭建操作簡(jiǎn)單，界面完整形象，有利于引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行更復(fù)雜的系統(tǒng)探索和分析.

例如色散是光纖的一種重要的光學(xué)特性，在高速光纖通信系統(tǒng)中，光纖色散是不可忽視的因素，色散使得輸出光信號(hào)脈沖被展寬，這樣就限制了通信容量和傳輸距離，解決色散問題的辦法之一是利用色散補(bǔ)償光纖進(jìn)行色散補(bǔ)償，則通過Optisystem軟件可以構(gòu)建這一通信鏈路，如圖2所示.

學(xué)生在仿真的過程中，可以自由設(shè)定各個(gè)通信模塊的參數(shù)，從而對(duì)整個(gè)通信系統(tǒng)有一個(gè)直觀的印象.通過點(diǎn)擊圖中的示波器和頻譜儀，了解到各個(gè)通信節(jié)點(diǎn)處的波形和頻譜特點(diǎn)，如圖3所示.從輸出波形中可以看到輸入的初始脈沖在通過10 km的常規(guī)光纖后，脈沖展寬，中心功率降低，發(fā)生色散現(xiàn)象，然后通過1 km的色散補(bǔ)償光纖后，最終的輸出脈沖回到原來的狀態(tài)，色散被完全補(bǔ)償.另外通過各個(gè)節(jié)點(diǎn)的頻譜儀可以看出，色散僅僅影響脈沖時(shí)域波形，不會(huì)引入新的頻率成分，頻譜在傳輸過程中保持不變.

圖2 光纖色散補(bǔ)償通信系統(tǒng)

圖3 光脈沖在傳輸過程中不同位置處的波形特征

又例如波分復(fù)用(WDM)系統(tǒng)，它是現(xiàn)行光纖通信系統(tǒng)的主要架構(gòu)形式，由于硬件平臺(tái)的限制，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)箱教學(xué)不易對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建.而通過Optisystem仿真軟件可以很方便地搭建密集波分復(fù)用系統(tǒng)(DWDM)的仿真模型，并通過運(yùn)行模擬，對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)通信節(jié)點(diǎn)處的傳輸性能實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，模擬中各通信模塊所采用的參數(shù)可以為實(shí)際規(guī)劃WDM系統(tǒng)提供可靠的參考依據(jù).如圖4所示，用Optisystem軟件設(shè)計(jì)的一個(gè)4通道的DWDM長(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)，復(fù)用器的左側(cè)是各個(gè)通道的間接調(diào)制發(fā)射系統(tǒng)，采用了馬赫曾德調(diào)制器.解復(fù)用器的右側(cè)是通信的光接收系統(tǒng)，可以用眼圖分析儀來分析通道的性能指標(biāo)，而中間部分設(shè)置了在線放大器——摻鉺光纖放大器(EDFA)，其目的是為了減少光纖傳輸損耗的影響.學(xué)生通過這個(gè)模型的搭建和仿真，理解和鞏固了比如間接調(diào)制、眼圖、EDFA等有關(guān)DWDM方面的知識(shí)，綜合能力得到提高.

圖4 4通道的波分復(fù)用傳輸系統(tǒng)

波分復(fù)用技術(shù)，是以光波為載波，在同一根光纖內(nèi)同時(shí)傳輸多個(gè)不同波長(zhǎng)的光載波信號(hào)的技術(shù)，每個(gè)波長(zhǎng)的光波可以單獨(dú)攜帶語音、數(shù)據(jù)和圖像信號(hào).如圖5所示，學(xué)生通過點(diǎn)擊波復(fù)用器后的光譜分析儀，就可以了解到4路光信號(hào)傳輸時(shí)的波長(zhǎng)復(fù)用情況.

3 結(jié)論

將Matlab/Optisystem軟件仿真與光纖通信課程教學(xué)相結(jié)合，使枯燥難懂的理論知識(shí)形象化，增強(qiáng)教學(xué)的直觀性，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力.在光纖通信教學(xué)中引入軟件仿真，有如下優(yōu)點(diǎn):1)Matlab數(shù)學(xué)建模，使學(xué)生參與編程，可以讓學(xué)生深入了解公式與物理概念的內(nèi)在實(shí)質(zhì)，使教材中復(fù)雜理論分析結(jié)果可視化.2)Optisystem軟件提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境，將光纖通信系統(tǒng)鏈路以直觀的方框圖方式呈現(xiàn)，使學(xué)生對(duì)通信系統(tǒng)中涉及到各個(gè)模塊有了深刻的體會(huì)，有利于今后的工程實(shí)踐.3)Matlab/Optisystem仿真解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的困境，為光纖通信課程開辟了一個(gè)直觀簡(jiǎn)易的操作空間，使學(xué)生提高了實(shí)驗(yàn)的自主性，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)的興趣.

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