仿真技術(shù)在光纖通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

油海東

摘 要： 本文將Optisystem和Matlab聯(lián)合仿真技術(shù)引入光纖通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生通過(guò)虛擬仿真技術(shù)，更清晰直觀地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并且節(jié)省硬件設(shè)備投資，取得良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞： 仿真技術(shù) 光纖通信實(shí)驗(yàn) 技術(shù)應(yīng)用

隨著通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，光纖通信作為通信專業(yè)的一門重要必修課程，在培養(yǎng)通信人才能力的角色中扮演著越來(lái)越重要的作用[1]。光纖通信是一門物理學(xué)和通信學(xué)的交叉學(xué)科，其中涉及很多物理學(xué)和通信學(xué)科的基礎(chǔ)理論和基礎(chǔ)知識(shí)，這給學(xué)生學(xué)習(xí)掌握好這門課程帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)。

光纖通信作為一門工程學(xué)科，不僅僅教授理論內(nèi)容，其實(shí)踐內(nèi)容也占有非常重要的地位。由于資金的限制，電信級(jí)的設(shè)備無(wú)法購(gòu)入，因此光纖通信實(shí)驗(yàn)課基本以試驗(yàn)箱為主，再配合其他測(cè)試儀器完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)，這種模式存在諸多問(wèn)題，比如實(shí)驗(yàn)設(shè)備具有使用壽命、易老化；實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目方法單一、缺乏靈活性；很難進(jìn)行綜合性開發(fā)、二次開發(fā)；難以深入了解其內(nèi)部工作原理等。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外高校越來(lái)越重視該技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，目前各大高校已經(jīng)陸續(xù)開始建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室。本文將Optisystem和Matlab聯(lián)合仿真技術(shù)引入光纖通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，不僅克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的弊端，還帶來(lái)了實(shí)驗(yàn)開設(shè)的便利性、重復(fù)性、精準(zhǔn)性等優(yōu)勢(shì)，取得了良好的教學(xué)效果。

1.Optisystem仿真系統(tǒng)

Optisystem是加拿大Optiwave公司推出的一款計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)[2]，主要用于光纖通信系統(tǒng)的器件仿真、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。Optisystem提供了良好的可擴(kuò)展性，可與Matlab進(jìn)行聯(lián)合仿真，只需要在仿真系統(tǒng)中添加一個(gè)Matlab組件即可，使用起來(lái)方便簡(jiǎn)單[3]。在使用Optisystem與Matlab協(xié)同仿真的時(shí)候，首先要了解Optisystem的信號(hào)輸入Matlab工作空間的格式。

其數(shù)據(jù)格式如圖1所示。

圖1 Matlab空間數(shù)據(jù)格式

由圖1（a）可以看出，Optisystem的信號(hào)格式包括“TypeSignal”，字符類型，表示該信號(hào)的類型為光信號(hào)、電信號(hào)或二進(jìn)制信號(hào)；“Sampled”，結(jié)構(gòu)體，Optisystem的信號(hào)就包含在該字段當(dāng)中。“Parameterized”，結(jié)構(gòu)體，參數(shù)化字段，表示一些與時(shí)間平均有關(guān)的量，如平均功率、中心波長(zhǎng)、偏振態(tài)等；“Noise”，結(jié)構(gòu)體，表示噪聲數(shù)據(jù)；“Channels”，表示該信號(hào)的波長(zhǎng)，是指中心波長(zhǎng)。

如果選擇的是頻率抽樣信號(hào)，則Sampled的數(shù)據(jù)格式如圖1（b）所示。如果選擇的是時(shí)間抽樣信號(hào)，則Sampled的數(shù)據(jù)格式如圖1（c）所示。到底是時(shí)間信號(hào)還是頻率信號(hào)，由具體問(wèn)題決定。使用Matlab在時(shí)域?qū)π盘?hào)處理時(shí)，就選擇時(shí)域抽樣，否則，選擇頻域抽樣。由圖1（b）、圖1（c）看出，Smapled包含兩個(gè)字段，一個(gè)是Signal字段，該字段是信號(hào)在抽樣點(diǎn)的值，另一個(gè)是Frequency或Time字段，該字段是抽樣點(diǎn)的頻點(diǎn)或時(shí)間點(diǎn)。

2.頻域的Optisystem與Matlab聯(lián)合仿真

為了進(jìn)一步說(shuō)明Optisystem與Matlab聯(lián)合仿真技術(shù)在光纖通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，用以下例子做說(shuō)明。本部分是頻域的聯(lián)合仿真，第3部分是時(shí)域的聯(lián)合仿真。在本部分的例子中，我們使用Matlab代碼，對(duì)連續(xù)波激光器的輸出光譜進(jìn)行右移1THz的操作。其搭建的Optisystem系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 光譜右移Optisystem系統(tǒng)

圖2中，連續(xù)波激光器發(fā)出的激光，輸入Matlab組件，使用Matlab組件對(duì)其進(jìn)行頻移操作。注意：需要把Matlab組件中的“Sampled signal domain”設(shè)置為“Frequency”，表示在頻域采集信號(hào)。把Matlab組件中的“Run Command”設(shè)置為Matlab腳本的名字。以下是編寫的Matlab腳本代碼，名字為frequench_shift.m

OutputPort1=InputPort1；

f=InputPort1.Sampled.Frequency；%輸入光信號(hào)的頻譜

OutputPort1.Sampled.Frequency=f+1e+12；%輸出光譜頻率右移1THz

使用光譜儀分別測(cè)試連續(xù)波激光器的輸出光譜和經(jīng)過(guò)Matlab組件處理過(guò)后的光譜，分別如圖3（a）和（b）所示。

（a） （b）

圖3（a）連續(xù)波激光器光譜；（b）Matlab組件輸出光譜

通過(guò)比較圖3（a）和（b）可以看出，連續(xù)波激光器的輸出光譜中心頻率位于193.1THz處，而Matlab組件的輸出光譜位于194.1THz處，這說(shuō)明光譜被Matlab組件右移了1THz。僅僅使用了三行Matlab代碼即實(shí)現(xiàn)了頻移操作，非常簡(jiǎn)潔方便有效。

3.時(shí)域的Optisystem與Matlab聯(lián)合仿真

在時(shí)域的Optisystem與Matlab聯(lián)合仿真中，以光信號(hào)的幅度調(diào)制為例。搭建的Optisystem系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 Matlab實(shí)現(xiàn)的光信號(hào)幅度調(diào)制

在圖4中，連續(xù)波激光器輸出的光信號(hào)和調(diào)制信號(hào)輸入Matlab組件，Matlab組件完成對(duì)信號(hào)的光幅度調(diào)制。搭建Matlab組件時(shí)，需要設(shè)置兩個(gè)輸入端口，其中一個(gè)電端口，一個(gè)光端口。調(diào)制信號(hào)采用1Gbit/s的偽隨機(jī)序列，使用NRZ模塊產(chǎn)生1Gbit/s的NRZ格式的偽隨機(jī)序列。把偽隨機(jī)序列和連續(xù)波激光器輸出的光信號(hào)同時(shí)輸入Matlab組件，用來(lái)產(chǎn)生幅度調(diào)制光信號(hào)。對(duì)于光信號(hào)的幅度調(diào)制，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

Eout（t）=Ein（t）.[modulation（t）]1/2

其中Eout（t）是輸出的光幅度調(diào)制信號(hào)，Ein（t）是輸入的連續(xù)波光信號(hào)，modulation（t）是調(diào)制電信號(hào)。

Matlab腳本代碼如下，名字為am.m

OutputPort1=InputPort1；

[is，cs]=size（InputPort1.Sampled）；

len=length（InputPort1.Sampled）；

for counter=1：cs

OutputPort1.Sampled（1，counter）.Signal=...

InputPort1.Sampled（1，counter）.Signal.*...

sqrt（InputPort2.Sampled（1，counter）.Signal）；

end

（a） （b）

圖5 （a）偽隨機(jī)序列時(shí)域波形；（b）光幅度調(diào)制時(shí)域波形

運(yùn)行Optisystem系統(tǒng)，進(jìn)行仿真，仿真結(jié)束，使用電域示波器（Oscilloscope Visualizer）觀測(cè)1Gbit/s的偽隨機(jī)序列NRZ碼時(shí)域波形。使用光域示波器（Optical Time Domain Visualizer）觀測(cè)Matlab組件的輸出時(shí)域波形，如圖5所示。

其中圖5（a）是偽隨機(jī)序列的時(shí)域波形，圖5（b）是經(jīng)過(guò)Matlab處理之后的光幅度調(diào)制時(shí)域波形。通過(guò)對(duì)比圖5（a）和（b）可以知道，使用Matlab組件實(shí)現(xiàn)的幅度調(diào)制器，能夠正常地把偽隨機(jī)序列碼調(diào)制到光波上，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字光信號(hào)的幅度調(diào)制。

4.結(jié)語(yǔ)

本文以O(shè)ptisystem和Matlab聯(lián)合仿真為例，介紹了仿真技術(shù)在光纖通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。通過(guò)頻域聯(lián)合仿真和時(shí)域聯(lián)合仿真兩個(gè)實(shí)例，分析了在Optisystem中如何使用Matlab組件進(jìn)行聯(lián)合仿真。使用聯(lián)合仿真技術(shù)，可以大大拓展Optisystem的使用范圍，學(xué)生通過(guò)使用仿真技術(shù)，不僅能夠把課堂上學(xué)習(xí)的理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐，知其然也知其所以然，還能夠鞏固學(xué)習(xí)效果，提高能力，為培養(yǎng)應(yīng)用型人才打下良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王秋光，張亞林，胡彩云，趙瑩琦. OptiSystem仿真在光纖通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2015（2）.

[2]韓力，李莉，盧杰.基于Optisystem的單模光纖WDM系統(tǒng)性能仿真[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2015（10）.

[3]趙贊善，羅友宏，謝嬌. Optisystem中Matlab Component模塊的擴(kuò)展應(yīng)用[J].電信技術(shù)，2012（12）.

基金項(xiàng)目：山東省自然科學(xué)基金（ZR2015FL011），青島農(nóng)業(yè)大學(xué)高層次人才科研基金（663/1115022），青島農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究課題（SYJK14-04），青島農(nóng)業(yè)大學(xué)應(yīng)用型人才培養(yǎng)特色名校建設(shè)工程課程建設(shè)（YZD2015032）。