实况-虚拟-构造联合仿真的光纤通信实验教学探讨

2024-01-01 08:28戴精科杨文可郭文普
实验室研究与探索 2023年10期
关键词:光纤实验教学教学模式

戴精科, 赵 鹏, 杨文可, 郭文普

(火箭军工程大学作战保障学院,西安 710025)

0 引言

随着人工智能、大数据、5G 移动通信和物联网等新兴技术的广泛应用,具有大容量、远距离传输优势的光纤通信技术在各类民用和军用通信网中的作用越来越大,对人才培养和课程教学质量提出了更高要求。光纤通信是一门理论与实践结合十分紧密的专业课程,实验教学对学生掌握主要原理和基本概念、培养仪器仪表和设备装备操作技能、提升系统分析和运用能力起到了不可替代的作用,因此各高校都非常重视光纤通信课程的实验教学[1-3]。

目前光纤通信实验教学方法大体可分为3 种基本类型:实验箱或仪器设备等基于硬件的实验、专用或通用软件仿真实验以及软硬件结合实验。许海峰等[1-2]利用光纤通信实验箱开展了光器件性能测试、光纤熔接和光信号传输等实验;李永倩等[3]利用斩波器等硬件设计了光纤损耗谱测量系统,开展光纤损耗特性测量实验;黄艳华等[4]构建全真式实训平台开展项目式实验教学。毕美华等[5-8]将OptiSystem 软件应用于光纤通信实验教学;刘林等[9-11]基于LabView 软件开发了虚拟实验仿真系统;李茜等[12]利用Matlab的可视化用户界面,由教师辅导学生共同完成实验教学仿真平台的设计。耿涛等[13]设计了基于开放式的视频光纤实验系统,从产品开发角度训练学生硬件和软件设计研发能力;吕菲等[14]利用多门专业课程的实验器件进行硬件模块组合和程序编写调试,设计了波分复用光纤传输实验方案。

上述纯硬件实验的优势是学生直接接触真实光纤通信器件与设备,提高了动手操作能力,不足是硬件封装性强、扩展性差,多以验证性实验为主,综合性和创新性相对较缺乏[6]。纯软件实验的优势是学生对原理的理解更加透彻,同时增强了实验设计的灵活性和综合性,但不足是与真实设备仍然存在差距,缺乏实体硬件的客观感受,降低了处理突发故障的能力[4]。混合型实验发挥硬软平台各自优势,锻炼了学生多方面的能力,但这类实验难度较大,往往需要很多学时才能保证教学质量。如何在实验学时和建设经费有限的条件下,探索教学效果好且难度适中的教学模式是当前光纤通信实验教学值得研究的问题。本文提出一种基于实况-虚拟-构造(Live-Virtual-Construction,LVC)联合仿真的光纤通信实验教学模式。

1 LVC联合仿真实验教学模式

LVC是近年来军事训练领域一项重点发展的联合仿真技术[15-17],其中L(Live simulation)指实装演练,是真实的人员操作真实装备开展的演练行动;V(Virtual simulation)指虚拟仿真,是真实的人员操作模拟装备进行的训练活动,C(Construction simulation)指构造仿真,是计算机模拟人员操作虚拟装备的纯数字仿真。LVC通过三域深度融合形成体系闭环,能够提高训练质量、增强科目多样性、降低装备损耗和维护成本,是实战化条件下装备体系对抗训练的一种有效手段[18]。受该技术思想启发,光纤通信实验教学尝试引入LVC联合仿真方法,以期达到以战领教、为战抓教的目的。

新的实验教学模式分为4 个主要步骤,如图1 所示。①通过理论学习掌握光纤通信系统的基本原理和重要概念,构建完整知识体系,为LVC 联合仿真实验奠定扎实的理论基础;②根据各个知识模块特点和现有软硬件条件,选择合适方式进行仿真实验,其中实装演练(L)主要采用实验箱、测量仪器仪表、光端机和光缆线路等硬件平台实现;虚拟仿真(V)采用模拟器或虚拟现实(Virtual Reality,VR)系统进行装备模拟操作;构造仿真(C)主要采用各类软件平台进行数字仿真,这样既能验证理论学习中的重要结论,又能加深学生对重要概念和方法的理解掌握;③在LVC领域设计相同或类似的实验科目,设置相同(相仿)条件(参数),进行双域或三域联合仿真,多角度观察实验现象、对比实验结果,分析错误(故障)原因,帮助学生从不同维度掌握知识点;④对实验科目进行考核,在传统的分项实验考核基础上增加联合仿真项目考核,对学生在LVC各域的系统构造、参数选择、实验过程、结果分析等方面进行综合评价。

图1 LVC联合仿真教学模式主要步骤

2 LVC联合仿真实验教学实施

理论学习期间,教师有意识地将前后知识点相互联系,帮助学生建立完整的光纤通信知识体系架构,因为一次实验往往要用到多个重要知识点。LVC 联合仿真涉及大量原理和参数,需要用到多个章节的理论知识,只有将各知识点融会贯通才能更好地开展实验。另外,还应重点讲解LVC联合仿真中用到的重要参数和方法,加深学生理解,在仿真中能准确设置和使用。例如,光纤通信系统设计实验需要使用光源平均发射功率、接收机灵敏度、光纤损耗系数和色散系数等知识点,还需要根据理论公式计算损耗受限和色散受限中继距离等。

基于我校现有软硬件实验条件,LVC 分项仿真中的实装演练(L)包括“JH-5002C”型光纤实验箱、野战光缆、光纤熔接机、光时域反射仪、光功率计等仪器仪表以及“准同步数字体系”(Plesiochronous Digital Hierarchy,PDH)光端机、“同步数字体系”(Synchronous Digital Hierarchy,SDH)光端机和无线光传输收发信机等设备,如图2 所示,开设光器件与设备性能测试、光缆接续、PDH 光端机点对点业务传输、SDH光传输组网配置、无线光传输等多项实验。虚拟仿真(V)采用基于VR 技术的虚拟光网络仿真系统,开设“软件定义分组传送网(Software Defined Packet Transport Network,SPTN)网络设计与规划”“SDH网络设计与规划”“PTN网络设计与规划”等交互式实验项目。如图3 所示,学生可在VR系统中完成SDH、PTN和SPTN设备的组件认知、拆分组装、拓扑规划、部署连线、网管配置和故障修复等工作。构造仿真(C)采用OptiSystem软件实现,目前已设计“光纤传输特性仿真”“激光器性能仿真”“光接收机设计仿真”“光时分复用系统仿真”“光波分复用系统仿真”等实验项目,学生选用元件库中各类光器件、光纤以及观测仪器搭建部分或完整的光纤通信系统,根据需要设置相应的参数并仿真得到时域波形、眼图、频谱波形等信号特征和P-I曲线、Q值、误码率等系统性能。

图3 基于VR的虚拟光网络仿真系统

在LVC 联合仿真阶段,根据必要性和可行性在LVC的两域或三域中设计联合仿真项目,如表1 所示。以表中第1 项“LC”联合仿真为例,首先利用万用表和光功率计测量实验箱中1 550 nm 激光器在不同偏置电流下的输出光功率并记录,如表2 所示;然后在OptiSystem软件中搭建如图4 所示的激光器测量电路,设置与实际测量范围相近的偏置电流参数,仿真得到P-I曲线如图5 所示。可以看出,仿真与测量结果基本吻合,说明软件仿真设计和操作测量都比较准确。在“LVC”三域仿真中,学生基于虚拟光网络系统模拟SDH设备的分解拆装、系统配置和网络规划,熟练掌握后再操作对应的真实设备(华为OSN1500),同时还可在OptiSystem上搭建光时分复用系统,设置标准的SDH传输速率,观察2.5、10 和40 Gb/s下的光脉冲波形。当然,由于现有软硬件平台是过去传统教学模式下逐步建设完成的,目前还不能达到所有实验项目的LVC联合仿真,但随着后续教学和科研项目的推进,联合仿真将得到进一步拓展和深入。

表1 LVC联合仿真实验

表2 万用表和光功率计测得的激光器输入输出信号

课程考核由形成性考核和终结性考核(闭卷考试)组成,其中形成性考核成绩主要通过分项实验报告和联合仿真实验报告给出,不仅考察学生对知识、技能的掌握程度,还对学生实验设计和结果分析能力进行评判。另外,为使学生更好综合运用知识分析和设计光纤通信系统,形成性考核还包括一次大作业:预先设置数个实际场景并确定系统主要需求,如通信容量和通信距离等;学生组成学习小组,通过分工协作方式查找各类实际光器件和光纤产品的参数,选择合适设备和光缆组成系统;每组撰写自己的设计方案并通过LVC联合仿真的方式迭代验证和修正,最后在课堂上进行汇报并回答问题;教师和其他组学生共同对当前设计方案进行讨论并提问,达到取长补短、共同提高的效果。

3 结语

本文提出了一种基于LVC 联合仿真的光纤通信实验教学模式,通过设计实装、虚拟和构造三域的联合仿真,帮助学生在理论空间、真实物理空间和虚拟空间3 个层面理解知识和培养能力。经过两个进度的教学实践,学生在新教学模式下知识理解更为透彻,设备操作更为熟练,软件掌握更为合理,达到了从概念中理解仿真和实装,从仿真和实装中发掘概念的预期效果。从考核结果来看,实验报告和大作业质量明显提升,笔试平均成绩相较于过去提高了4.8 分以上,充分说明该教学模式在提升教学质量上的有效性。但学生也反映,目前联合仿真项目有些参数和环境设置还不能做到完全一致,仿真结果也有一定差异,这是现有实验条件和设计能力不足导致的,在后续教学和科研工作中将加大联合仿真项目的设计和建设力度,扩大实验项目范围,进一步提升教学水平层次。另外,该教学模式经过适当修改也可应用于其他岗位任职类专业课程,如卫星通信系统和移动通信系统等。

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