软件仿真在《光纤通信》课程中的应用

汪徐德，李素文，窦德召，姜恩华

(淮北师范大学 物理与电子信息学院，安徽 淮北 235000)

光纤通信课程是面向高等院校电子通信工程专业的一门非常重要的专业基础课程，这门课的特点是理论性强，概念比较抽象，不容易理解，这给学生的学习带来了很大的困难[1－2].传统的教学方式主要是靠课堂讲授，而后通过做大量的习题来理解和巩固教学内容，对于一些应用性较强的内容不能通过实验动手操作，严重制约教学效果.使得学生对理论知识理解不透彻，觉得枯燥乏味，从而渐渐地丧失学习兴趣.

为有效地学习这门课程，大多学校都依照教材开设相关光纤通信硬件实验.传统实验教学模式具有一定的缺陷，学生在做这类实验时往往是在制作好的实验箱上进行，该类实验只需按照指导书进行简单操作，基本没有设计性环节，实验过程往往是动手多、动脑少，很难激发学生的实验兴趣，对学生创新能力的培养也有一定的限制.另外，采用硬件实验需投入充足的教学经费，建设实验室成本比较高，并且设备容易损坏和老化，需要及时维护[3－4].

随着计算机的普及，使用软件对实验进行仿真，有效地弥补硬件实验中存在的缺点.如果能把相应的应用软件和专业知识相结合，激发学生的创新能力，将产生很好的教学效果[5].本文以光纤通信中的一些现象为例，采用Matlab和Optisystem软件分别对其进行仿真设计，使抽象的理论知识具体化、形象化，激发学生学习的兴趣.利用软件辅助光纤通信教学，变被动学习为主动学习，在实践中掌握理论知识，能提高学生分析问题、解决问题的能力，用实践来证明利用软件进行仿真的直观性、便利性和有效性.

1 Matlab和Optisystem仿真软件的特点

Matlab是一种广泛应用于工程计算和系统仿真的新型高级语言，将数值计算和可视化集成在一起，具有优秀的工程应用开发环境，其编程方式自由，简单易学，可以通过编写脚本或者函数文件实现用户自己的算法，有利于算法开发和建模仿真等.

而Optisystem进行仿真主要偏重系统方面，可以按照具体的物理概念直接建立仿真模型，可以根据需要对每个模块设定具体参数，并且能够对所建立的数学模型进行直观地分析和仿真，并且仿真界面简明生动，非常适合作为光纤通信系统的综合实验平台.

2 仿真软件辅助光纤通信教学

2.1 Matlab编程应用于光纤通信教学

在本门课程的学习过程中，由于涉及到的数学处理比较复杂，学生学习起来普遍感到困难，如果恰当地使用可视化的界面以展现数学公式的物理图像，使其变得直观、形象，使学生获得感性认识，缩小理论与实际的差距，缩短学生的认识过程，则提高课堂教学质量.而Matlab编程仿真可以有效的弥补这一缺陷[6－7].例如在光纤的模式理论一节，涉及到光纤模式的大量数学推导，教材中一般是通过麦克斯韦方程，经过复杂的推导过程，最后给出光纤中传导模式的特性方程、场分布等结果，公式推导过程繁琐、结果抽象，理解起来复杂.为解决这一问题，我们在课程教学中引入Matlab软件，自写程序绘制典型的模场分布图，达到了抽象的问题形象化，如图1所示，给出了不同形式的线性偏振模(LP模)三维立体图像和横截面模场分布形式.将Matlab与光纤通信的公式推导相结合，通过编程和仿真，使学生更好地理解了公式的实际意义，也使得公式的推导不再变得枯燥无味.

图1 不同形式的线性偏振模(LP模)三维立体图像和横截面模场分布形式

将Matlab数学建模引入光纤通信教学，可以让学生参与编程，让学生进一步搞清数学公式与物理概念的内在联系，把Matlab程序设计语言的学习，变成了对问题求解所采取的探究行动，使教材中枯燥繁琐的理论分析结果可视化.相对于繁琐的公式推导来说，可视化的图形更能调动学生的学习兴趣和积极性，更能吸引学生的注意力，增强学生的课堂学习主动性，从而使学生轻松地理解掌握教材中的理论知识，达到提高教学质量的目的.同时在Matlab编程过程中，学生需要查询资料、互相探讨，无形中也提高学生实际动手能力，培养其合作和创新的能力.

2.2 Optisystem系统仿真应用于光纤通信教学

利用Matlab语言编程来进行实验，要求学生有较强的数学思维能力，能够对公式和复杂的理论知识进行建模.相比而言，Optisystem则适合于对整个光纤通信系统链路的仿真设计[8]，系统模型的搭建操作简单，界面完整形象，有利于引导学生进行更复杂的系统探索和分析.

例如色散是光纤的一种重要的光学特性，在高速光纤通信系统中，光纤色散是不可忽视的因素，色散使得输出光信号脉冲被展宽，这样就限制了通信容量和传输距离，解决色散问题的办法之一是利用色散补偿光纤进行色散补偿，则通过Optisystem软件可以构建这一通信链路，如图2所示.

学生在仿真的过程中，可以自由设定各个通信模块的参数，从而对整个通信系统有一个直观的印象.通过点击图中的示波器和频谱仪，了解到各个通信节点处的波形和频谱特点，如图3所示.从输出波形中可以看到输入的初始脉冲在通过10 km的常规光纤后，脉冲展宽，中心功率降低，发生色散现象，然后通过1 km的色散补偿光纤后，最终的输出脉冲回到原来的状态，色散被完全补偿.另外通过各个节点的频谱仪可以看出，色散仅仅影响脉冲时域波形，不会引入新的频率成分，频谱在传输过程中保持不变.

图2 光纤色散补偿通信系统

图3 光脉冲在传输过程中不同位置处的波形特征

又例如波分复用(WDM)系统，它是现行光纤通信系统的主要架构形式，由于硬件平台的限制，传统的实验箱教学不易对整个系统进行构建.而通过Optisystem仿真软件可以很方便地搭建密集波分复用系统(DWDM)的仿真模型，并通过运行模拟，对系统中各个通信节点处的传输性能实施实时监测，模拟中各通信模块所采用的参数可以为实际规划WDM系统提供可靠的参考依据.如图4所示，用Optisystem软件设计的一个4通道的DWDM长距离传输系统，复用器的左侧是各个通道的间接调制发射系统，采用了马赫曾德调制器.解复用器的右侧是通信的光接收系统，可以用眼图分析仪来分析通道的性能指标，而中间部分设置了在线放大器——掺铒光纤放大器(EDFA)，其目的是为了减少光纤传输损耗的影响.学生通过这个模型的搭建和仿真，理解和巩固了比如间接调制、眼图、EDFA等有关DWDM方面的知识，综合能力得到提高.

图4 4通道的波分复用传输系统

波分复用技术，是以光波为载波，在同一根光纤内同时传输多个不同波长的光载波信号的技术，每个波长的光波可以单独携带语音、数据和图像信号.如图5所示，学生通过点击波复用器后的光谱分析仪，就可以了解到4路光信号传输时的波长复用情况.

3 结论

将Matlab/Optisystem软件仿真与光纤通信课程教学相结合，使枯燥难懂的理论知识形象化，增强教学的直观性，同时培养学生的学习兴趣和创新能力.在光纤通信教学中引入软件仿真，有如下优点:1)Matlab数学建模，使学生参与编程，可以让学生深入了解公式与物理概念的内在实质，使教材中复杂理论分析结果可视化.2)Optisystem软件提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境，将光纤通信系统链路以直观的方框图方式呈现，使学生对通信系统中涉及到各个模块有了深刻的体会，有利于今后的工程实践.3)Matlab/Optisystem仿真解决传统实验教学平台的困境，为光纤通信课程开辟了一个直观简易的操作空间，使学生提高了实验的自主性，增强了学习的兴趣.

[1]李永倩，张淑娥.“光纤通信原理”课程实验教学内容研究[J].中国电力教育，2010(6):129－130.

[2]王鹏宇，吕联荣，王晓燕.关于光纤通信课程教学改革的思考和探索[J].科技信息，2010(10):418－420.

[3]秦岭.光纤通信课程教学与实践的改革[J].科技咨询，2010，31:150－151.

[4]龙青云，李富全，张昌莘，等.光纤通信实验教学存在的问题及其对策[J].韶关学院学报，2007，28(9):140－142

[5]杨絮，朱一峰，陈桂芬.光纤通信系统仿真技术在实验教学中的应用[J].中国科教创新导刊，2009，34:48－49.

[6]陈明阳.Matlab在光纤通信课程教学中的应用[J].电脑知识与技术，2006，35:229－230.

[7]杜建新.系统仿真在光纤传输特性教学中的应用[J].枣庄学院学报，2009，26(5):26－29.

[8]周雪芳，王天枢.仿真软件在《光纤通信》实验教学中的应用研究[J].实验科学与技术，2011，9(5):53－56.