Optisystem 虛擬仿真在光纖通信實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用探討

唐志軍，吳笑峰，席在芳，吳亮紅

(湖南科技大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，湖南 湘潭411201)

當(dāng)今社會(huì)正處于信息化時(shí)代，信息業(yè)務(wù)量呈爆炸式增長(zhǎng)，傳輸及處理信息對(duì)通信系統(tǒng)的要求日益增加。因此，寬帶通信網(wǎng)的信息傳輸技術(shù)已經(jīng)成為一個(gè)新的挑戰(zhàn)。光纖通信由于具有超寬帶、大容量、誤碼率低、安全性好、不受電磁干擾等多個(gè)方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)而受到廣泛關(guān)注［1－2］。為了適應(yīng)時(shí)代的需求，目前國(guó)內(nèi)高等院校的通信、電子類本科專業(yè)基本上開設(shè)了光纖通信這門主干專業(yè)課程。然而，對(duì)于實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，除少部分條件好的高校外，大部分高校受經(jīng)費(fèi)限制，僅僅按照課程教材在定制的光纖實(shí)驗(yàn)箱上開設(shè)少量成本低的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，而對(duì)于培養(yǎng)創(chuàng)新能力的設(shè)計(jì)或開發(fā)性光纖通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，特別是高速?gòu)?fù)雜的光纖通信實(shí)驗(yàn)很少涉及。基于此，本文探索性地在光纖通信教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)中，利用Optisystem 搭建若干典型光纖通信系統(tǒng)或組件的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?duì)其進(jìn)行仿真分析，以便幫助學(xué)生更好地理解并掌握課程中抽象的理論知識(shí)，有利于提高學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

1 發(fā)光二極管(LED)調(diào)制響應(yīng)實(shí)驗(yàn)

光源是光發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵組件，目前光纖通信使用最廣泛的光源主要有發(fā)光二極管(LED)和激光器(LD)。發(fā)光二極管作為光纖通信系統(tǒng)的主要光源之一，因其制作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)和成本低等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。為了進(jìn)一步學(xué)習(xí)和了解LED 特性，可以構(gòu)建LED 調(diào)制響應(yīng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1 所示。

基于Optisystem 的LED 調(diào)制響應(yīng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒M件主要包括:偽隨機(jī)序列發(fā)生器、NRZ 脈沖發(fā)生器、LED 器件、光頻譜分析儀、光時(shí)域觀察儀、PIN 光檢測(cè)器、示波器、眼圖分析儀和Bessel 低通濾波器等。主要仿真參數(shù)為:LED 波長(zhǎng)為1 550nm，帶寬為50nm;PIN 光檢測(cè)器響應(yīng)度為1A/W，暗電流為10nA;Bessel 低通濾波器為四階，截止頻率為0．75 倍位速。部分仿真結(jié)果如圖2 所示，從中可以看出:發(fā)光二極管LED 的低速調(diào)制響應(yīng)性能較好，系統(tǒng)眼圖端正，串?dāng)_小。

圖1 發(fā)光二極管調(diào)制響應(yīng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖2 LED 調(diào)制響應(yīng)實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果

2 EDFA 增益優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

摻珥光纖放大器(EDFA)為遠(yuǎn)距離光纖通信系統(tǒng)中的重要組件，面向WDM 的EDFA 增益優(yōu)化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模型如圖3 所示。以16 路WDM 系統(tǒng)為例。系統(tǒng)組件主要包括:WDM 發(fā)送機(jī)、復(fù)用器、EDFA、雙端口WDM 分析儀、光功率計(jì)和泵浦光源。實(shí)驗(yàn)主要仿真參數(shù)為:發(fā)送機(jī)的波長(zhǎng)為1 600nm，功率為－25.5dBm;雙端口WDM 分析儀的頻率范圍為185 ～200THz;泵浦光源的波長(zhǎng)為980nm，功率為100mW;EDFA 長(zhǎng)度為5m，波長(zhǎng)為1 550nm，損耗系數(shù)為0．1dB/Km。

圖3 EDFA 增益優(yōu)化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模型

實(shí)驗(yàn)部分仿真結(jié)果如圖4 所示，圖4(a)為放大之前信號(hào)頻譜分析，圖4(b)為經(jīng)EDFA 放大之后信號(hào)頻譜分析，圖4(c)為經(jīng)過EDFA 放大引入的噪聲。從仿真分析中可以看出:光信號(hào)功率得到顯著放大，即從－25．5dBm 放大到14．61dBm，但也引入了噪聲，其功率范圍為(－19．6dBm，－62．3dBm)。

圖4 EDFA 增益優(yōu)化實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果

3 波分復(fù)用(WDM)實(shí)驗(yàn)

WDM 技術(shù)就是為了充分利用單模光纖低損耗區(qū)帶來的巨大帶寬資源，在一根光纖中實(shí)現(xiàn)多路光信號(hào)的復(fù)用傳輸，以增加光纖傳輸系統(tǒng)的信息容量。簡(jiǎn)單起見，分析一個(gè)基于Optisystem 的兩路波分復(fù)用系統(tǒng)模型如圖5 所示。

圖5 兩路WDM 系統(tǒng)仿真模型

該WDM 系統(tǒng)組件如圖5 所示。實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)的主要參數(shù)為:偽隨機(jī)NRZ 信號(hào)，其序列長(zhǎng)度為128b，抽樣率為64，取信息速率為1Gb/s;發(fā)射機(jī)調(diào)制速率為193．1THz，消光比為10dB，幅寬為10MHz;比特序列發(fā)生器的比特序列為010110111011110;光檢測(cè)器PIN 的響應(yīng)度都為1A/W;放大器的摻鉺光纖長(zhǎng)度為10m，波長(zhǎng)為1550nm 的損耗系數(shù)為0．1dB/Km。

發(fā)射機(jī)的光脈沖信號(hào)經(jīng)過復(fù)用器復(fù)用后把兩路發(fā)射信號(hào)合為一路，在一根光纖中傳出，然后經(jīng)過解復(fù)用器把信號(hào)再分為兩路信號(hào)。實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果如圖6 示，從中可以看出，復(fù)用器能夠把信號(hào)復(fù)用進(jìn)一根光纖信道中，并且能夠保證信號(hào)在解復(fù)用以后有很好的光脈沖輸出波形和良好的系統(tǒng)性能;但從系統(tǒng)眼圖中也可以看出，系統(tǒng)引入一定程度的串?dāng)_。

圖6 WDM 實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果

4 結(jié)語

作為專業(yè)核心課程，光纖通信在培養(yǎng)通信、電子類專業(yè)人才方面起到十分重要的作用。由于光纖通信實(shí)驗(yàn)設(shè)備或裝置比較昂貴，長(zhǎng)期以來，光纖通信課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)存在許多不足之處。為了彌補(bǔ)這些不足，可以將基于Optisystem 的虛擬仿真引入到光纖通信課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)中，這有利于培養(yǎng)和提高學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，也有利于降低該課程的教學(xué)成本，提高課程的教學(xué)效果。

［1］汪徐德，李素文，竇德召，等．軟件仿真在《光纖通信》課程中的應(yīng)用［J］．淮北師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012(4):91 －94．

［2］李永倩，張淑娥．光纖通信原理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容研究［J］．中國(guó)電力教育，2010(6):129 －130．