基于MATLAB的“光纖通信”教學(xué)改革探索

向練 邵衛(wèi)東

【關(guān)鍵詞】光纖通信;MATLAB;教學(xué)改革

2020年3月4日中共中央政治局常務(wù)委員會(huì)召開(kāi)會(huì)議，會(huì)議強(qiáng)調(diào)要加快5G網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)度。光纖通信作為有線傳輸網(wǎng)的首選通信方式，自20世紀(jì)80年代以來(lái)在全世界得到廣泛應(yīng)用，隨著各種新技術(shù)的不斷提出，光纖通信的發(fā)展極為迅速，新的理論和技術(shù)不斷產(chǎn)生，通信容量不斷取得新突破。近年來(lái)，隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等熱門技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，數(shù)據(jù)量呈現(xiàn)出指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。根據(jù)思科預(yù)測(cè)，2025年全球數(shù)據(jù)流量將會(huì)從2016年的16ZB上升至163ZB，意味著光纖通信容量面臨著更高挑戰(zhàn)，勢(shì)必會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)國(guó)內(nèi)光纖通信技術(shù)的快速發(fā)展，企業(yè)對(duì)于光纖通信技術(shù)人員的需求也將大量增加，同時(shí)，對(duì)相關(guān)專業(yè)人才的素質(zhì)提出了更高要求。

上世紀(jì)70年代，隨著低損耗光纖研制的成功，光纖通信逐漸從基礎(chǔ)研究轉(zhuǎn)向了商業(yè)應(yīng)用，從而得到了迅猛發(fā)展。伴隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷完善，國(guó)內(nèi)逐漸構(gòu)建了體系完備、邏輯嚴(yán)密、特色鮮明的教學(xué)體系。光纖通信課程不僅注重基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí)，而且由于其直接面向相關(guān)產(chǎn)業(yè)。與實(shí)際應(yīng)用也同樣聯(lián)系緊密。因此該課程的覆蓋內(nèi)容非常廣泛，包括了光源、光發(fā)射耦合、光傳輸、光放大、光接收評(píng)價(jià)及光網(wǎng)絡(luò)等部分，系統(tǒng)全面地介紹了光纖通信系統(tǒng)的各個(gè)部分。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，以培養(yǎng)具有扎實(shí)理論基礎(chǔ)的高素質(zhì)專業(yè)人才為基本目標(biāo)。該課程全面涵蓋了光纖通信過(guò)程中的各種基本知識(shí)和物理原理，從數(shù)字、模擬光纖通信系統(tǒng)，光纖通信技術(shù)等角度對(duì)這些知識(shí)進(jìn)行全面講解，涉及廣泛的專業(yè)知識(shí)，如光學(xué)、普通物理、電磁場(chǎng)與電磁波、通信原理、數(shù)字電路和模擬電路、數(shù)字信號(hào)處理等，是專業(yè)類基礎(chǔ)課程所學(xué)理論知識(shí)在具體領(lǐng)域的綜合應(yīng)用。這門課程具有內(nèi)容復(fù)雜、概念比較抽象、基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)要求較深、不容易理解的特點(diǎn)，給學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來(lái)了很大的困擾，學(xué)習(xí)積極性不高，使得教與學(xué)的難度比較大。目前在該課程的教學(xué)過(guò)程中主要存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：

1、教學(xué)模式陳舊。該課程所涉及的內(nèi)容較多，教學(xué)壓力大，因此導(dǎo)致教學(xué)過(guò)程中老師容易墨守成規(guī)、照本宣科，按書(shū)本上的章節(jié)機(jī)械講解，忽略了與學(xué)生的互動(dòng)。長(zhǎng)此以往，學(xué)生就會(huì)誤認(rèn)為光纖通信就是和眾多理論課程一樣，是一門偏重?cái)?shù)學(xué)推導(dǎo)和計(jì)算的課程，而忽略了光纖通信課程與實(shí)際產(chǎn)業(yè)應(yīng)用之間的非常緊密的聯(lián)系，從而導(dǎo)致學(xué)生認(rèn)為本課程對(duì)于現(xiàn)實(shí)工作實(shí)踐指導(dǎo)意義不大。

2、教學(xué)內(nèi)容重點(diǎn)不突出。不同學(xué)校，不同專業(yè)的學(xué)生，其數(shù)學(xué)和物理基礎(chǔ)參差不齊，而光纖通信課程本身與諸多專業(yè)知識(shí)緊密相連，如物理光學(xué)、半導(dǎo)體材料、光電子學(xué)、光刻技術(shù)等，大量知識(shí)點(diǎn)都是建立在諸多理論的物理概念和數(shù)學(xué)模型上的。如果學(xué)生在此之前對(duì)這些課程沒(méi)有一定的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，對(duì)一些基本原理，如數(shù)字通信原理、光電轉(zhuǎn)換原理、半導(dǎo)體器件的導(dǎo)電機(jī)制等沒(méi)有理解或根本沒(méi)有學(xué)習(xí)過(guò)的話，那么學(xué)生對(duì)光纖通信這門課程知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)和理解將會(huì)遇到很大的困難。此外，通常工科類專業(yè)的學(xué)生，容易忽略對(duì)物理機(jī)制的學(xué)習(xí)思考，而是更注重實(shí)際動(dòng)手操作的能力。這會(huì)導(dǎo)致學(xué)生對(duì)物理概念的理解，以及數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)能力相對(duì)較為薄弱，從而導(dǎo)致學(xué)生在聽(tīng)課或自我學(xué)習(xí)時(shí)感到抽象乏味、晦澀難懂，很難理解一些概念和數(shù)學(xué)公式的本質(zhì)含義，而僅僅是死記硬背，難以真正理解其中的原理，導(dǎo)致知其然不知其所以然。因此對(duì)不同專業(yè)的學(xué)生，需要了解其所學(xué)的基礎(chǔ)課程，針對(duì)性地制定不同教學(xué)重點(diǎn)，例如通信工程相關(guān)專業(yè)的學(xué)生有較好的電磁場(chǎng)理論背景知識(shí)，因此上課的時(shí)候可以對(duì)光在光纖中傳播時(shí)的波動(dòng)理論進(jìn)行重點(diǎn)講解。把握光纖通信的本質(zhì)。而其他專業(yè)無(wú)相關(guān)理論知識(shí)的學(xué)生可適當(dāng)弱化此部分內(nèi)容的講解，循序漸進(jìn)，逐步強(qiáng)化。

3、教學(xué)手段單一。由前面提到，光纖通信課程涉及的知識(shí)面非常廣泛，內(nèi)容多，信息量大，教師在課堂授課時(shí)容易變成傳統(tǒng)的通過(guò)板書(shū)進(jìn)行原理講解和公式推導(dǎo)。這種單一的教學(xué)手段很難讓學(xué)生理解其中的原理和意義。也無(wú)法與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，使得學(xué)生對(duì)此課程的學(xué)習(xí)感覺(jué)乏味、枯燥，毫無(wú)新鮮感，無(wú)法提高對(duì)課程學(xué)習(xí)的興趣。此外如果老師按傳統(tǒng)單一的教學(xué)手段進(jìn)行講解，教學(xué)過(guò)程中與學(xué)生的互動(dòng)效果很難體現(xiàn)，由于光纖通信課程比較難懂，一些學(xué)生即使沒(méi)有聽(tīng)懂也不敢提問(wèn)，并且有些學(xué)生知識(shí)儲(chǔ)備不全面，缺乏自信心，從而不知如何提問(wèn)，再加上傳統(tǒng)教學(xué)手段互動(dòng)性弱的特點(diǎn)，導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣會(huì)逐漸降低。

4、實(shí)驗(yàn)方式存在一定的缺陷。大多數(shù)學(xué)校開(kāi)設(shè)的光纖通信實(shí)驗(yàn)是在制作好的實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行，該類實(shí)驗(yàn)學(xué)生完全不需要理解實(shí)驗(yàn)原理，只需按照指導(dǎo)書(shū)進(jìn)行簡(jiǎn)單操作，按部就班地打開(kāi)開(kāi)關(guān)，插線，使用模塊就可以得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)結(jié)果也不能夠很好地進(jìn)行分析。這往往會(huì)導(dǎo)致學(xué)生做完實(shí)驗(yàn)后依然不懂如何用已學(xué)的實(shí)驗(yàn)原理對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行合理解釋，更談不上實(shí)驗(yàn)的拓展和設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)效果不理想。這種機(jī)械的實(shí)驗(yàn)方式很難激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，也必定導(dǎo)致對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的缺失。另外，通常實(shí)驗(yàn)箱中的模塊和整個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)出來(lái)時(shí)就已經(jīng)設(shè)計(jì)好固定不能改變了，這導(dǎo)致大多數(shù)實(shí)驗(yàn)器件的參數(shù)不可調(diào)動(dòng)，因而很難對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行擴(kuò)展，不利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣和創(chuàng)新思維。而且很多同學(xué)沒(méi)有規(guī)范地使用實(shí)驗(yàn)箱，再加上電子元器件隨著使用年限的老化，導(dǎo)致很多實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不理想且實(shí)驗(yàn)設(shè)備也會(huì)有不同程度的損壞，后續(xù)需要投入充足的經(jīng)費(fèi)進(jìn)行維護(hù)和改善，這將使得實(shí)驗(yàn)室的投入成本比較高。

隨著計(jì)算機(jī)的普及，使用軟件仿真進(jìn)行輔助教學(xué)，能有效解決傳統(tǒng)教學(xué)中存在的一些問(wèn)題。近年來(lái)，MATLAB軟件在諸多課程中被用來(lái)輔助教學(xué)，也取得了很好的教學(xué)效果。MATLAB是由美國(guó)Mathworks公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)高級(jí)計(jì)算平臺(tái)，廣泛應(yīng)用于科研學(xué)術(shù)和工程應(yīng)用中的系統(tǒng)模擬和仿真計(jì)算。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、數(shù)據(jù)可視化和非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模仿真等強(qiáng)大功能集成在一起。具有強(qiáng)大的工程應(yīng)用開(kāi)發(fā)環(huán)境，其編程方式自由，簡(jiǎn)單易學(xué)，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)等眾多領(lǐng)域提供了一種全面解決方案。光纖通信課程中有很多數(shù)學(xué)計(jì)算和理論推導(dǎo)，如果通過(guò)MATLAB軟件來(lái)展示公式的推導(dǎo)過(guò)程和結(jié)果，并利用其可視化的特點(diǎn)進(jìn)行繪圖，可以使教學(xué)內(nèi)容中抽象物理原理具有更加清晰、形象的視覺(jué)效果。這樣可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，使學(xué)生快速地在大腦中形成清晰的記憶點(diǎn)，從而加深對(duì)教學(xué)內(nèi)容的印象和理解，達(dá)到事半功倍的效果。針對(duì)MATLAB軟件的特點(diǎn)，可在光纖通信課程中利用的功能如下：

1、利用MATLAB強(qiáng)大的數(shù)學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)可視化功能，可以形象直觀地展現(xiàn)一些抽象的數(shù)學(xué)公式和物理原理，例如通過(guò)MATLAB圖形演示光信號(hào)的調(diào)制解調(diào)過(guò)程。強(qiáng)化學(xué)生的視覺(jué)印象，從而加深學(xué)生的理解。

2、利用MATLAB的Simulink可視化仿真工具，開(kāi)設(shè)光纖通信輔助實(shí)驗(yàn)。在Simulink工具界面中有一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口（GUl），可以直接調(diào)用和建立圖像化的系統(tǒng)模塊，并且模塊參數(shù)多維度可調(diào)，將各種系統(tǒng)模塊進(jìn)行簡(jiǎn)單連接就可以建立一個(gè)直觀明了、功能豐富且功能強(qiáng)大的系統(tǒng)模型。通過(guò)這種方式使得原本價(jià)格昂貴的實(shí)際光纖通信系統(tǒng)變成簡(jiǎn)單直觀，且無(wú)任何使用成本的靈活仿真系統(tǒng)，同時(shí)仿真結(jié)果實(shí)時(shí)可查，系統(tǒng)參數(shù)多角度可調(diào)，非常有利于系統(tǒng)的擴(kuò)展和設(shè)計(jì)。而傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)箱模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)固化，參數(shù)固定，成本昂貴，實(shí)驗(yàn)效果不穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容難以延伸和靈活設(shè)置，不利于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。與此相比較，利用Simulink工具可以不受實(shí)驗(yàn)設(shè)備、條件和時(shí)間的限制，學(xué)生利用空閑時(shí)間可自行在電腦上完成，提高光纖通信實(shí)驗(yàn)的靈活性。

3、利用MATLAB軟件的編程功能，通過(guò)對(duì)一些公式的編程進(jìn)行圖形展示，加強(qiáng)對(duì)光纖通信中公式和基本原理的理解，同時(shí)提高學(xué)生的基礎(chǔ)編程能力，增加了傳統(tǒng)教學(xué)手段。

在光纖通信中，損耗和色散是限制信號(hào)傳輸距離和傳輸容量的兩個(gè)重要因素。損耗使得光脈沖在傳輸過(guò)程中能量逐漸衰減;而色散會(huì)導(dǎo)致光脈沖在傳輸過(guò)程中展寬，導(dǎo)致碼間串?dāng)_，提高誤碼率。本節(jié)以光纖通信中損耗和色散為例，說(shuō)明如何在光纖通信課程中利用MATLAB仿真軟件來(lái)進(jìn)行輔助教學(xué)。

在單模光纖中光脈沖的傳輸會(huì)受到光纖衰減、群速度色散和方向非線性的影響。對(duì)脈寬大于5ps的光脈沖，其在光纖中傳輸?shù)难葑冞^(guò)程可由非線性薛定諤方程（NLSE）來(lái)描述：

這表明此時(shí)光脈沖的形狀并不會(huì)變化。只會(huì)受到光纖損耗的影響，信號(hào)幅值成負(fù)指數(shù)形式衰減，其光功率的變化如圖1所示。由圖中可以直觀看出光信號(hào)功率并不是隨著傳輸距離的增加而線性降低的，而是在傳輸前段衰減迅速。傳輸后段衰減速度逐漸放緩，通過(guò)編程繪圖可以讓學(xué)生加深印象。

2、光纖色散。當(dāng)光纖長(zhǎng)度時(shí)，非線性對(duì)光脈沖的影響可以忽略，此時(shí)光信號(hào)主要受群速度色散的影響。若不考慮光纖損耗，此時(shí)公式（1）可簡(jiǎn)化為：

圖2（a）中顯示了初始入射高斯光脈沖與傳輸50 km后的光脈沖的對(duì)比圖，（b）圖中顯示了光脈沖隨著傳輸距離的增加，受色散影響后逐漸展寬的過(guò)程。相比于傳統(tǒng)的通過(guò)公式（4）和（5）來(lái)介紹光纖群速度色散，通過(guò)圖2的圖形展示可以生動(dòng)形象的更好解釋群速度色散對(duì)光脈沖的展寬過(guò)程，加深學(xué)生對(duì)此概念的理解。

對(duì)公式（7）的求解和編程繪圖可以布置成作業(yè)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行仿真算法的研究，提高學(xué)生的編程動(dòng)手能力，同時(shí)加深對(duì)光纖非線性概念的理解，從而對(duì)光脈沖在光纖中的傳輸演化過(guò)程有深刻的理解。這種效果是在傳統(tǒng)的光纖通信教學(xué)和簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)中難以達(dá)到的。

本文通過(guò)引入案例說(shuō)明了MATLAB在輔助光纖通信教學(xué)的重要作用。通過(guò)案例分析可以看出。采用MATLAB進(jìn)行輔助教學(xué)能直觀地將枯燥乏味、難以理解的數(shù)學(xué)公式進(jìn)行形象展示，不僅可以強(qiáng)化學(xué)生的視覺(jué)印象，加深公式和基本原理的理解，而且可以提高光纖通信實(shí)驗(yàn)的靈活性，增強(qiáng)學(xué)生的基礎(chǔ)編程能力。因此，采用MATLAB對(duì)光纖通信課程進(jìn)行輔助教學(xué)改革，既能將抽象概念形象化，增強(qiáng)老師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)效果，又能鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力，拓展學(xué)生的學(xué)習(xí)思維，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)，對(duì)光纖通信課程教學(xué)升級(jí)有重要意義。