面向系統(tǒng)設(shè)計(jì)的“光纖通信”仿真教學(xué)探索

楊彥甫

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳) 電子信息與工程學(xué)院， 深圳 518055)

“光纖通信”是電子信息類本科培養(yǎng)方案中的核心課程，作為“通信原理”的后續(xù)專業(yè)課程，為本科生加強(qiáng)理解并應(yīng)用“信號(hào)與系統(tǒng)”“通信原理”課程的基礎(chǔ)知識(shí)提供了一次重要的實(shí)踐訓(xùn)練機(jī)會(huì)。光纖通信以在光為載體，以光纖為傳輸介質(zhì)，在現(xiàn)代信息傳輸體系內(nèi)占據(jù)基礎(chǔ)性的地位，在多個(gè)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用場景具有各不相同的系統(tǒng)性能目標(biāo)與設(shè)計(jì)難點(diǎn)。仿真學(xué)習(xí)與訓(xùn)練是“光纖通信”課程學(xué)習(xí)中的重要一個(gè)環(huán)節(jié)，可為實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)提供系統(tǒng)理解與設(shè)計(jì)指引，也是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析的一個(gè)重要工具。因此，“光纖通信”課程教學(xué)非常有必要開展仿真訓(xùn)練環(huán)節(jié)，通過圍繞典型應(yīng)用場景強(qiáng)化學(xué)生的系統(tǒng)理解深度與設(shè)計(jì)能力，將為學(xué)生后續(xù)科研創(chuàng)新提供重要的能力訓(xùn)練[1-2]。

雖然國內(nèi)高校在“光纖通信”課程已設(shè)置仿真學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，部分是基于商業(yè)仿真軟件開展教學(xué)，部分是基于自有程序代碼，但是仍存在亟需改進(jìn)的問題。一方面，現(xiàn)有仿真教學(xué)內(nèi)容需要更新，以應(yīng)對(duì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最新應(yīng)用場景。近幾年相干光通信技術(shù)極大提升了傳輸頻譜效率與傳輸距離，在這一技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)之下，“光纖通信”課程內(nèi)容正融合越來越多無線通信領(lǐng)域的調(diào)制編碼技術(shù)[3]，這將要求“光纖通信”仿真環(huán)節(jié)要開展更具針對(duì)性的前沿教學(xué)內(nèi)容，突出產(chǎn)業(yè)典型場景下的系統(tǒng)仿真訓(xùn)練[4]。另外一方面，現(xiàn)有仿真教學(xué)的素質(zhì)訓(xùn)練較為單薄，比較偏重于系統(tǒng)理解與演示，缺乏系統(tǒng)層面的深度理解與設(shè)計(jì)優(yōu)化環(huán)節(jié)。綜上分析，需要設(shè)計(jì)面向產(chǎn)業(yè)實(shí)際場景且突出系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面的綜合仿真訓(xùn)練，從而提升課程在通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)、優(yōu)化與創(chuàng)新方面的教學(xué)效果。

介紹開展的光纖通信仿真教學(xué)方面的探索與實(shí)踐，面向數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)與長距離相干光通信兩個(gè)重要場景，構(gòu)建光纖通信系統(tǒng)模型并開發(fā)相應(yīng)的仿真套件，在此基礎(chǔ)上，開展突出系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)的教學(xué)方案，主要包括三個(gè)層次教學(xué)目的：

(1)幫助學(xué)生更好理解系統(tǒng)工作原理，通過信號(hào)波形、頻譜、星座圖、誤碼率等方面獲得直觀的認(rèn)知；

(2)進(jìn)一步，通過系統(tǒng)重要參數(shù)調(diào)整，有助于掌握關(guān)鍵參數(shù)與系統(tǒng)性能之間的依賴關(guān)系，為系統(tǒng)優(yōu)化提供方向性導(dǎo)引；

(3)通過仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基于實(shí)驗(yàn)無法給出的分析能力，深入理解多種信道效應(yīng)共存下的耦合機(jī)理。

下面詳細(xì)介紹開展建設(shè)的系統(tǒng)仿真模型，以及在已開發(fā)仿真套件基礎(chǔ)上的多層次的仿真教學(xué)方法。

1 面向產(chǎn)業(yè)場景的光纖通信系統(tǒng)模型

主要介紹課程仿真所面對(duì)兩個(gè)應(yīng)用場景：

(1)面向數(shù)據(jù)中心的短距光互聯(lián)系統(tǒng)；

(2)面向長距離高頻譜效率的骨干光纖通信系統(tǒng)。

前者以強(qiáng)度調(diào)制與直接檢測為主要技術(shù)特征，可應(yīng)用于面向低成本的光互聯(lián)場景，為數(shù)據(jù)中心內(nèi)部服務(wù)器建立高速光連接，系統(tǒng)目標(biāo)在于保持低復(fù)雜度、低功耗情形下提升傳輸容量，以應(yīng)付日益蓬勃的云計(jì)算與大數(shù)據(jù)等互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)；而后者使用先進(jìn)調(diào)制、相干監(jiān)測與數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，主要用于實(shí)現(xiàn)長距離的骨干網(wǎng)、域網(wǎng)絡(luò)及跨海光纜傳輸，主要技術(shù)導(dǎo)向在于最大化頻率效率與傳輸距離的乘積指標(biāo)。

1.1 面向數(shù)據(jù)中心的短距光互聯(lián)系統(tǒng)

隨著數(shù)據(jù)中心的蓬勃發(fā)展，數(shù)據(jù)中心內(nèi)部及互相連接迫切需要低成本、低功耗的光互聯(lián)解決方案[5]。目前正在廣泛使用強(qiáng)度調(diào)制直接檢測技術(shù)方案：在發(fā)射端使用三種可選調(diào)制格式，分別是脈沖幅度調(diào)制、離散多音頻調(diào)制以及無載波幅度相位調(diào)制，在接收端使用直接檢測實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)化。上述技術(shù)方案系統(tǒng)具備系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡單、成本低的優(yōu)點(diǎn)。仿真界面可支持靈活的調(diào)制格式參數(shù)配置，以實(shí)現(xiàn)各個(gè)格式下的參數(shù)優(yōu)化，傳輸光纖使用簡單的標(biāo)量光纖傳輸模型，主要考慮色散效應(yīng)以及光纖損耗，鑒于短距傳輸可忽略偏振模色散條件，在接收端將考慮光電探測過程中的多種噪聲源，包括雪崩探測噪聲、熱噪聲以及暗電流等，后續(xù)的信號(hào)處理將圍繞各自調(diào)制格式展開，并根據(jù)實(shí)際場景將時(shí)鐘提取模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換以及信號(hào)處理囊括進(jìn)來，且提供清晰的參數(shù)配置界面。

圖1 相干光通信仿真界面(a)仿真系統(tǒng)模型圖；(b)仿真參數(shù)匯總；(c)接收端信號(hào)恢復(fù)前的星座圖案；(d)接收端信號(hào)恢復(fù)后的星座圖。

1.2 長距離傳輸光纖通信系統(tǒng)

長距離傳輸光纖通信系統(tǒng)是課程重點(diǎn)討論的對(duì)象，主要應(yīng)用海纜、陸地以及城域網(wǎng)等多個(gè)應(yīng)用場合[3]，目前主要利用高階光調(diào)制、相干光探測以及數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)三項(xiàng)關(guān)鍵使能技術(shù)，從而支持長距離、高頻譜效率的光傳輸能力。具體來講，高階調(diào)制可有效提升系統(tǒng)頻譜效率，相干光探測可提升信噪比靈敏度，并具備光信號(hào)的全電場信息恢復(fù)，進(jìn)而支持后續(xù)的信號(hào)處理的實(shí)施，而數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)可支持信道效應(yīng)補(bǔ)償、時(shí)鐘/載波恢復(fù)等功能。在發(fā)射端，構(gòu)建比特流生成、碼元映射、脈沖整形、非線性調(diào)制補(bǔ)償、光電帶寬受限、調(diào)制器硬件損傷在內(nèi)的仿真模型，將具備模擬現(xiàn)有實(shí)際器件參數(shù)的強(qiáng)大功能，能提供從簡單BPSK到各類高階QAM光信號(hào)生成。同時(shí)，仿真模型將預(yù)留概率整形QAM的分布匹配器模塊，為后續(xù)開展前沿工作提供有效銜接。

在光纖傳輸部分，建立面向波分復(fù)用雙偏振光信號(hào)的傳輸模塊，該模塊以多波長、雙偏振耦合的非線性薛定諤方程為基礎(chǔ)，以分布傅里葉算法為工具，主要考慮色散長度、非線性長度、雙折射相關(guān)長度、偏振模系數(shù)從而進(jìn)行有效光纖分段，非線性效應(yīng)可對(duì)信道內(nèi)自相位調(diào)制、信道間交叉相位調(diào)制、信道間四波混頻效應(yīng)進(jìn)行獨(dú)立開關(guān)控制，此外還融入摻鉺光纖放大器的頻譜相關(guān)增益和飽和放大特性，以及光纖拉曼效應(yīng)?；谠撃Ｐ偷男?yīng)的靈活配置，可實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)、噪聲、非線性之間的耦合作用進(jìn)行細(xì)致全面的探究，為深入理解光纖傳輸特性及鏈路優(yōu)化配置提供理論指導(dǎo)，此外該模型運(yùn)用較為完備的雙折射及偏振效應(yīng)模型，且支持GPU加速計(jì)算能力，支持模擬光纖動(dòng)態(tài)擾動(dòng)及性能起伏功能，為評(píng)估分析系統(tǒng)失效概率提供強(qiáng)大的工具。

在接收端，構(gòu)建偏振分集光混頻器、平衡探測器、跨導(dǎo)放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)化、數(shù)字信號(hào)處理模塊的基本模型，在數(shù)字信號(hào)處理部分包括色散補(bǔ)償、光電前端補(bǔ)償、時(shí)鐘提取、偏振跟蹤與恢復(fù)、頻偏估計(jì)、相位恢復(fù)、碼元判決與誤碼率計(jì)算等。仿真平臺(tái)提供盲信號(hào)處理與基于訓(xùn)練序列的處理兩種技術(shù)路線可選，同時(shí)，對(duì)于關(guān)鍵信號(hào)處理模塊，可提供多種算法選項(xiàng)和參數(shù)配置。此外，該仿真模塊預(yù)留增設(shè)非線性補(bǔ)償?shù)乃惴ń涌?，為后續(xù)科研提供有效銜接。

基于上述的仿真模型，為學(xué)生建成一個(gè)長距離相干光通信系統(tǒng)仿真平臺(tái)，這有助于學(xué)生將課程教學(xué)內(nèi)容與仿真模型結(jié)合起來進(jìn)行系統(tǒng)認(rèn)知與理解，更一步，可幫助學(xué)生深入分析光纖通信系統(tǒng)的性能評(píng)估與優(yōu)化，透徹理解光纖信道的豐富物理場景，重溫先修課程中的各類信號(hào)處理理論與知識(shí)，最終有效提升學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力。

2 光纖通信仿真的分層教學(xué)方法

2.1 認(rèn)知層面的教學(xué)內(nèi)容及方法

在認(rèn)識(shí)層面，主要為學(xué)生提供光纖通信系統(tǒng)的原理、模塊功能、各個(gè)位置信號(hào)特征的基本認(rèn)知，這將為課堂知識(shí)提供更為直觀、形象的圖像與場景，有助于學(xué)生消化理解相對(duì)抽象的概念與定義描述。

在該層面，主要通過信號(hào)分析方法，實(shí)現(xiàn)逐個(gè)模塊、逐個(gè)環(huán)節(jié)的認(rèn)知。仿真模塊中將提供光時(shí)域，電時(shí)域、光頻域、電頻域、斯托克斯空間、復(fù)平面星座圖的信號(hào)分析表征，這將提供了全面、直觀、多維度的信號(hào)認(rèn)知，進(jìn)而為理解各模塊以及整個(gè)系統(tǒng)的原理提供基礎(chǔ)性的作用。

如圖2所示，給出在色散效應(yīng)下的信號(hào)眼圖，便于學(xué)生直觀理解色散畸變下的眼圖特征。在仿真教學(xué)手冊(cè)中，通過引導(dǎo)學(xué)生記錄與分析信號(hào)分析結(jié)果，來達(dá)到加深認(rèn)知的目的。

2.2 理解層面的教學(xué)內(nèi)容及方法

在理解層面，重點(diǎn)使學(xué)生達(dá)成系統(tǒng)建模、參數(shù)配置、系統(tǒng)優(yōu)化方面的深入理解。學(xué)生首先需掌握系統(tǒng)中各個(gè)模塊的建模思路與方法，理解實(shí)際器件與模型的映射關(guān)系，特別是理解實(shí)際產(chǎn)品指標(biāo)與模型關(guān)鍵參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，清晰了解模型的適用條件等。然后，在此基礎(chǔ)上，學(xué)生進(jìn)一步通過配置工作參數(shù)，分析各個(gè)模塊的性能表現(xiàn)，以及各個(gè)模塊之間的相互影響與耦合機(jī)制。最后在系統(tǒng)整體性能方面，學(xué)生掌握全局參數(shù)優(yōu)化的思路與方法。在仿真教學(xué)手冊(cè)里，提供從淺入深的步驟指引，學(xué)生通過動(dòng)手程序執(zhí)行、結(jié)果分析、深入思考，來回答課程作業(yè)，從而達(dá)到理解層面的教學(xué)效果。這部分內(nèi)容主要集中在收發(fā)端性能分析、光纖信道分析、以及數(shù)字信號(hào)處理算法的參數(shù)配置等。如圖3所示，紅色框內(nèi)的三個(gè)選項(xiàng)，分別對(duì)應(yīng)背靠背、線性信道、真實(shí)信道的情形，學(xué)生逐步比較不同情形下的傳輸性能，進(jìn)而理解分析各種損傷效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)性能的影響機(jī)理，以及評(píng)估相應(yīng)的代價(jià)。

圖2 基于開關(guān)鍵控格式的色散效應(yīng)認(rèn)知仿真

圖3 面向噪聲/色散/非線性耦合傳輸?shù)纳疃确抡姝h(huán)節(jié)

2.3 設(shè)計(jì)層面的教學(xué)內(nèi)容及方法

在設(shè)計(jì)層面，主要結(jié)合現(xiàn)有研究前沿問題，以提問的方式引導(dǎo)學(xué)生開展問題分析、問題解決的創(chuàng)新過程。例如，圍繞目前短距光互聯(lián)場景下，如何在保證光電帶寬制約條件下，有效獲得更好的信號(hào)解調(diào)性能，以及在相干光通信系統(tǒng)中，長距離光信號(hào)傳輸后的非線性效應(yīng)的主導(dǎo)因素分析等。通過將實(shí)際技術(shù)挑戰(zhàn)融入到仿真課程大作業(yè)中，在設(shè)定問題背景與具體挑戰(zhàn)情況下，激勵(lì)學(xué)生利用課堂已掌握的知識(shí)、理解與技能，開展具有前沿性的探索研究，從而切實(shí)地開展設(shè)計(jì)層面的實(shí)踐鍛煉。

2.4 教學(xué)效果分析與總結(jié)

通過過去連續(xù)3年仿真教學(xué)實(shí)踐與探索，已建成應(yīng)用場景明確的仿真教學(xué)方案，為學(xué)生提供應(yīng)用性強(qiáng)、接口豐富、人機(jī)界面友好的學(xué)習(xí)軟件平臺(tái)。通過該平臺(tái)，探索實(shí)踐了認(rèn)知、理解、設(shè)計(jì)三個(gè)層次的遞進(jìn)式教學(xué)方法。通過課堂測試與課后問卷反饋調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該平臺(tái)及教學(xué)方法在以下三個(gè)方面取得較為明顯的成效：①在通信原理認(rèn)知方面，學(xué)生普遍認(rèn)為仿真實(shí)踐加深了理論知識(shí)的掌握程度，同時(shí)平臺(tái)的可視化分析工具，提供更加直觀的全鏈條、多維度信號(hào)認(rèn)知；②在建模與仿真的理解層面，為學(xué)生在理論建模到仿真實(shí)現(xiàn)之間有效建立起知識(shí)銜接與紐帶，既增強(qiáng)學(xué)生對(duì)建模的理解深度，又提升學(xué)生仿真實(shí)踐能力；③通過仿真問題引導(dǎo)，有效激發(fā)了學(xué)生仿真探索興趣，并初步掌握利用仿真平臺(tái)開展系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本思路與方法。因此，可以看出，基于持續(xù)改進(jìn)的仿真平臺(tái)、仿真指南、問題引導(dǎo)，學(xué)生在循序漸進(jìn)的原理認(rèn)知、建模分析與系統(tǒng)設(shè)計(jì)中獲得了兼具前沿與實(shí)務(wù)訓(xùn)練的仿真學(xué)習(xí)與能力培養(yǎng)。通過課程教學(xué)反饋分析，該仿真教學(xué)環(huán)節(jié)有效提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與探索驅(qū)動(dòng)力，促進(jìn)學(xué)生在“原理認(rèn)知-數(shù)學(xué)建模-仿真實(shí)踐-系統(tǒng)優(yōu)化與設(shè)計(jì)”全學(xué)習(xí)過程的能力培養(yǎng)與鍛煉，這為后續(xù)開展素質(zhì)拓展與科研實(shí)踐打下了充分扎實(shí)的仿真能力基礎(chǔ)。

3 結(jié)語

以上探討了如何提升學(xué)生面對(duì)典型產(chǎn)業(yè)應(yīng)用場景下光纖通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力的仿真教學(xué)建設(shè)方案，圍繞產(chǎn)業(yè)趨勢(shì)開展建設(shè)了面向短距光互聯(lián)和長距離相干光纖通信的典型光纖系統(tǒng)仿真平臺(tái)，基于此平臺(tái)提出“認(rèn)知-理解-設(shè)計(jì)”的多層次教學(xué)方案，形成以仿真平臺(tái)幫助、仿真指南、課堂作業(yè)、課后大作業(yè)相結(jié)合的教學(xué)內(nèi)容體系。這一更新的教學(xué)內(nèi)容與新穎的教學(xué)思路，有效提升了學(xué)生在光纖通信系統(tǒng)方面的認(rèn)知水平，較系統(tǒng)地增強(qiáng)了學(xué)生在光纖通信系統(tǒng)方面原理理解、性能調(diào)優(yōu)、全局分析能力，比較明顯促進(jìn)學(xué)生開展系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)創(chuàng)新的學(xué)習(xí)熱情，為后續(xù)開展光纖通信方向科研與工作奠定了良好的知識(shí)與能力基礎(chǔ)。