段武

【摘要】 光纖通信技術(shù)是當(dāng)代通信技術(shù)發(fā)展的最新成就，在信息傳輸?shù)乃俾屎途嚯x、通信系統(tǒng)的有效性，可靠性和經(jīng)濟(jì)性等方面取得了卓越的成就。使通信領(lǐng)域發(fā)生了巨大的變化，已經(jīng)成為現(xiàn)代通信的基石，是信息時(shí)代的主要物質(zhì)基礎(chǔ)。本文結(jié)合自己的實(shí)際教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，著重對(duì)光纖通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)中使用OptiSystem仿真軟件進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

【關(guān)鍵詞】 光纖通信 OptiSystem 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

光纖通信以其獨(dú)特的優(yōu)越性、極大的傳輸容量而成為當(dāng)今世界信息傳輸?shù)闹饕侄?，并已獲得了普遍應(yīng)用?！豆饫w通信技術(shù)》是“通信工程”的一門(mén)專(zhuān)業(yè)必修課。該課程以講授光纖通信的基本概念、基本原理和基本分析方法為主，在開(kāi)設(shè)理論課的同時(shí)也開(kāi)設(shè)了光纖通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程。本文主要分析了在實(shí)驗(yàn)設(shè)備缺乏的情況下，如何使用OptiSystem仿真軟件開(kāi)展光纖通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)。

一、光纖通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀

紅河學(xué)院是2003 年 4 月，經(jīng)教育部批準(zhǔn)，由蒙自師范高等專(zhuān)科學(xué)校和云南廣播電視大學(xué)紅 河分校合并組建的省屬綜合性普通本科院校。2010年紅河學(xué)院經(jīng)省教育廳批準(zhǔn)開(kāi)設(shè)通信工程專(zhuān)業(yè)。到目前為止已有一屆畢業(yè)生，專(zhuān)業(yè)學(xué)生人數(shù)達(dá)400人。

目前《光纖通信技術(shù)》課程存在的一個(gè)亟待解決的問(wèn)題是理論與實(shí)踐環(huán)節(jié)的嚴(yán)重脫節(jié)。光纖通信實(shí)驗(yàn)室還沒(méi)有開(kāi)始建設(shè)。各種實(shí)驗(yàn)設(shè)備及器材相當(dāng)缺乏。譬如最基本的光功率計(jì)，光纖活動(dòng)連接器，LED光源，LD激光器，PIN光電檢測(cè)器，APD光電檢測(cè)器等一系列實(shí)驗(yàn)設(shè)備缺乏。嚴(yán)重影響了理論及實(shí)驗(yàn)課程的講授。在短時(shí)間內(nèi)要建設(shè)光纖通信實(shí)驗(yàn)室需要大量財(cái)力，物力，人力。

為了解決實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足的問(wèn)題，借鑒了其他高校的先進(jìn)思路。通過(guò)軟件仿真的方法彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)硬件的不足。將業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的光通信仿真軟件OptiSystem應(yīng)用到《光纖通信技術(shù)》課程教學(xué)中。OptiSystem可以幫助用戶(hù)規(guī)劃、測(cè)試和模擬幾乎傳輸層所有的光纖系統(tǒng)，包括局域網(wǎng)、城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)，也提供了從組件到系統(tǒng)各個(gè)層面的傳輸層光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和規(guī)劃，并仿真出分析結(jié)果和應(yīng)用。

二、OptiSystem仿真軟件在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 OptiSystem簡(jiǎn)介

OPTIWAVE公司成立于一九九四年，總部位于加拿大，是光纖通信領(lǐng)域中從事光通信系統(tǒng)、光纖與光子學(xué)元器件模擬設(shè)計(jì)軟件開(kāi)發(fā)的國(guó)際著名公司。目前，OptiWave擁有一千多個(gè)用戶(hù)，遍及全球四十多個(gè)國(guó)家和地區(qū)。這些用戶(hù)包括通信器件生產(chǎn)商，國(guó)內(nèi)國(guó)外一些著名的大學(xué)及研究機(jī)構(gòu)等等。OpticWave公司產(chǎn)品不斷發(fā)展完善，其推出的模擬軟件功能強(qiáng)大，界面友好，操作方便，OptiSystem光通信系統(tǒng)與放大器設(shè)計(jì)軟件是該公司的主要產(chǎn)品。OptiSystem可以完成WDM/TDM或CATV網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、SONET/SDH設(shè)計(jì)、發(fā)送端、通道、放大器和接收器設(shè)計(jì)、誤碼率估算以及對(duì)不同接收模式的系統(tǒng)性能估算、放大器系統(tǒng)的誤碼率以及鏈路預(yù)算估計(jì)。其強(qiáng)大的功能完全可以滿(mǎn)足日常的教學(xué)需要。OptiSystem還提供豐富的器件庫(kù)、Optiwave系列軟件之間的整合、混合信號(hào)表達(dá)、質(zhì)量與性能法則、高級(jí)工具與數(shù)據(jù)檢測(cè)、分級(jí)仿真子系統(tǒng)、強(qiáng)有力的腳本語(yǔ)言、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)計(jì)算流、生成頁(yè)面報(bào)告與物料成本等功能。OptiSystem在其最新版本中還加入了WDM-PON、無(wú)源網(wǎng)絡(luò)（PON） 、FTTx、無(wú)線(xiàn)光通信（OWC）、光纖無(wú)線(xiàn)電（ROF）、雙向AWG、微波組件、MLSE（極大似然估計(jì)）、自由空間光通信（FSO）、空間以及極坐標(biāo)圖、高級(jí)分析工具與S參量提取等新功能。

2.2 OptiSystem在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)例分析

光的波分復(fù)用技術(shù)（WDM）是光纖通信技術(shù)中的核心技術(shù)之一。WDM是指將兩種或多種各自攜帶有大量信息的不同波長(zhǎng)的光載波信號(hào)，在發(fā)射端經(jīng)復(fù)用器匯合，并將其耦合到同一根光纖中進(jìn)行傳輸，在接收端通過(guò)解復(fù)用器對(duì)各種波長(zhǎng)的光載波信號(hào)進(jìn)行分離，然后由光接收機(jī)做進(jìn)一步的處理，使原信號(hào)復(fù)原，這種復(fù)用技術(shù)不僅適用于單?；蚨嗄９饫w通信系統(tǒng)，同時(shí)也適用于單向或雙向傳輸。在實(shí)物的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中需要光源（LD）、光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器（OTU）、光波分復(fù)用（解復(fù)用）器、摻鉺光纖放大器（EDFA）、光交叉連接設(shè)備（OXC）等設(shè)備。而使用軟件仿真則只需一臺(tái)計(jì)算機(jī)及仿真軟件即可完成實(shí)驗(yàn)。

使用OptiSystem軟件進(jìn)行仿真的基本過(guò)程如下：1、熟悉實(shí)驗(yàn)原理，熟練掌握OptiSystem的基本操作。OptiSystem軟件界面如下圖一。2、構(gòu)建實(shí)驗(yàn)框圖。使用元件庫(kù)中元件建立仿真框圖，包括元件之間的連線(xiàn)。3、參數(shù)的合理設(shè)置。對(duì)各個(gè)元件包括測(cè)量器件的參數(shù)做設(shè)置。這一步直接關(guān)系到仿真結(jié)果的顯示及數(shù)據(jù)的分析。4、運(yùn)行仿真程序。運(yùn)行過(guò)程中可能會(huì)報(bào)錯(cuò)，需要綜合分析整個(gè)仿真過(guò)程以解決錯(cuò)誤。5、最終運(yùn)行仿真程序無(wú)錯(cuò)誤，可以查看各個(gè)測(cè)量器件的顯示結(jié)果并與實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行比較從而完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析。

下面對(duì)兩個(gè)波長(zhǎng)的波分復(fù)用進(jìn)行仿真。實(shí)驗(yàn)框圖如圖二。發(fā)射端光源為兩個(gè)連續(xù)激光器CW Laser，頻率分別為193.1THz、193.2THz。采用偽隨機(jī)碼發(fā)生器產(chǎn)生二進(jìn)制比特序列、也可以使用用戶(hù)自編比特序列發(fā)生器。二進(jìn)制序列經(jīng)非歸零編碼器后進(jìn)入馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器中對(duì)光波經(jīng)行調(diào)制。調(diào)制光進(jìn)入波分復(fù)用器耦合進(jìn)入一根光纖進(jìn)行傳輸。在光的頻域分析儀中可以看到兩個(gè)頻率的光波，如圖三。光波經(jīng)過(guò)50km傳輸后進(jìn)入摻鉺光纖放大器EDFA中進(jìn)行放大，可選擇功率控制，增益為20dB。光波經(jīng)三次循環(huán)后傳輸150km。接收端光波經(jīng)過(guò)解復(fù)用器后分離為兩束光波，經(jīng)過(guò)PIN光電檢測(cè)器，及濾波器后可以看到示波器上的波形顯示，如圖四。全局參數(shù)如下：Bit rate（比特率）=10 Gbit/s，Bit sequence length（比特序列長(zhǎng)度）=8 bit，每比特采樣64次。

2.3 使用OptiSystem軟件仿真的優(yōu)點(diǎn)

通過(guò)實(shí)例我們可以看出軟件仿真在硬件實(shí)驗(yàn)條件缺乏的情況下具有很強(qiáng)的實(shí)用性。能在短期內(nèi)，以較小的資金投入取得一定效果，服務(wù)教學(xué)及科研。普通高校只需建設(shè)軟件仿真實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)軟件仿真即可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜通信系統(tǒng)的簡(jiǎn)單演示。具有直觀，簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。使用通信行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的光纖通信仿真軟件OptiSystem能更好的為教學(xué)科研服務(wù)。畢業(yè)生也可以通過(guò)OptiSystem完成自己的畢業(yè)設(shè)計(jì)。但是，從長(zhǎng)遠(yuǎn)上看軟件仿真終究不能完全替代實(shí)物實(shí)驗(yàn)，而只能作為硬件實(shí)驗(yàn)的很好的補(bǔ)充。終究還是需要建設(shè)硬件實(shí)驗(yàn)室已解決實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的教學(xué)工作。

三、 結(jié)語(yǔ)

光纖通信技術(shù)在通信工程本科教育中有著非常重要的地位，為今后通信網(wǎng)的建設(shè)打下基礎(chǔ)。而光纖通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)顯得更為重要，使學(xué)生能將理論結(jié)合到實(shí)際應(yīng)用中。本文分析了新建本科院校在實(shí)驗(yàn)條件不足的情況下如何應(yīng)用軟件仿真解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)的情形。為光纖通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程開(kāi)辟了一條新的路徑。