OptiSystem在光纖通信實驗教學中的應用

段武

【摘要】 光纖通信技術(shù)是當代通信技術(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，是信息時代的主要物質(zhì)基礎(chǔ)。本文結(jié)合自己的實際教學經(jīng)驗，著重對光纖通信實驗教學中使用OptiSystem仿真軟件進行簡要分析。

【關(guān)鍵詞】 光纖通信 OptiSystem 實驗教學

光纖通信以其獨特的優(yōu)越性、極大的傳輸容量而成為當今世界信息傳輸?shù)闹饕侄?，并已獲得了普遍應用?！豆饫w通信技術(shù)》是“通信工程”的一門專業(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，在開設(shè)理論課的同時也開設(shè)了光纖通信技術(shù)實驗課程。本文主要分析了在實驗設(shè)備缺乏的情況下，如何使用OptiSystem仿真軟件開展光纖通信技術(shù)實驗。

一、光纖通信實驗教學的現(xiàn)狀

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

目前《光纖通信技術(shù)》課程存在的一個亟待解決的問題是理論與實踐環(huán)節(jié)的嚴重脫節(jié)。光纖通信實驗室還沒有開始建設(shè)。各種實驗設(shè)備及器材相當缺乏。譬如最基本的光功率計，光纖活動連接器，LED光源，LD激光器，PIN光電檢測器，APD光電檢測器等一系列實驗設(shè)備缺乏。嚴重影響了理論及實驗課程的講授。在短時間內(nèi)要建設(shè)光纖通信實驗室需要大量財力，物力，人力。

為了解決實驗設(shè)備不足的問題，借鑒了其他高校的先進思路。通過軟件仿真的方法彌補實驗硬件的不足。將業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的光通信仿真軟件OptiSystem應用到《光纖通信技術(shù)》課程教學中。OptiSystem可以幫助用戶規(guī)劃、測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)各個層面的傳輸層光通信系統(tǒng)設(shè)計和規(guī)劃，并仿真出分析結(jié)果和應用。

二、OptiSystem仿真軟件在實驗教學中的應用

2.1 OptiSystem簡介

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)、光纖與光子學元器件模擬設(shè)計軟件開發(fā)的國際著名公司。目前，OptiWave擁有一千多個用戶，遍及全球四十多個國家和地區(qū)。這些用戶包括通信器件生產(chǎn)商，國內(nèi)國外一些著名的大學及研究機構(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大，界面友好，操作方便，OptiSystem光通信系統(tǒng)與放大器設(shè)計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、SONET/SDH設(shè)計、發(fā)送端、通道、放大器和接收器設(shè)計、誤碼率估算以及對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算估計。其強大的功能完全可以滿足日常的教學需要。OptiSystem還提供豐富的器件庫、Optiwave系列軟件之間的整合、混合信號表達、質(zhì)量與性能法則、高級工具與數(shù)據(jù)檢測、分級仿真子系統(tǒng)、強有力的腳本語言、強大的數(shù)據(jù)計算流、生成頁面報告與物料成本等功能。OptiSystem在其最新版本中還加入了WDM-PON、無源網(wǎng)絡(luò)（PON） 、FTTx、無線光通信（OWC）、光纖無線電（ROF）、雙向AWG、微波組件、MLSE（極大似然估計）、自由空間光通信（FSO）、空間以及極坐標圖、高級分析工具與S參量提取等新功能。

2.2 OptiSystem在實驗教學中的實例分析

光的波分復用技術(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的光載波信號，在發(fā)射端經(jīng)復用器匯合，并將其耦合到同一根光纖中進行傳輸，在接收端通過解復用器對各種波長的光載波信號進行分離，然后由光接收機做進一步的處理，使原信號復原，這種復用技術(shù)不僅適用于單?；蚨嗄９饫w通信系統(tǒng)，同時也適用于單向或雙向傳輸。在實物的實驗教學中需要光源（LD）、光波長轉(zhuǎn)換器（OTU）、光波分復用（解復用）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計算機及仿真軟件即可完成實驗。

使用OptiSystem軟件進行仿真的基本過程如下：1、熟悉實驗原理，熟練掌握OptiSystem的基本操作。OptiSystem軟件界面如下圖一。2、構(gòu)建實驗框圖。使用元件庫中元件建立仿真框圖，包括元件之間的連線。3、參數(shù)的合理設(shè)置。對各個元件包括測量器件的參數(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、運行仿真程序。運行過程中可能會報錯，需要綜合分析整個仿真過程以解決錯誤。5、最終運行仿真程序無錯誤，可以查看各個測量器件的顯示結(jié)果并與實驗原理進行比較從而完成實驗數(shù)據(jù)的分析。

下面對兩個波長的波分復用進行仿真。實驗框圖如圖二。發(fā)射端光源為兩個連續(xù)激光器CW Laser，頻率分別為193.1THz、193.2THz。采用偽隨機碼發(fā)生器產(chǎn)生二進制比特序列、也可以使用用戶自編比特序列發(fā)生器。二進制序列經(jīng)非歸零編碼器后進入馬赫-曾德爾調(diào)制器中對光波經(jīng)行調(diào)制。調(diào)制光進入波分復用器耦合進入一根光纖進行傳輸。在光的頻域分析儀中可以看到兩個頻率的光波，如圖三。光波經(jīng)過50km傳輸后進入摻鉺光纖放大器EDFA中進行放大，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)過解復用器后分離為兩束光波，經(jīng)過PIN光電檢測器，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（比特序列長度）=8 bit，每比特采樣64次。

2.3 使用OptiSystem軟件仿真的優(yōu)點

通過實例我們可以看出軟件仿真在硬件實驗條件缺乏的情況下具有很強的實用性。能在短期內(nèi)，以較小的資金投入取得一定效果，服務(wù)教學及科研。普通高校只需建設(shè)軟件仿真實驗室，通過軟件仿真即可以實現(xiàn)復雜通信系統(tǒng)的簡單演示。具有直觀，簡單，易于實現(xiàn)的特點。使用通信行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的光纖通信仿真軟件OptiSystem能更好的為教學科研服務(wù)。畢業(yè)生也可以通過OptiSystem完成自己的畢業(yè)設(shè)計。但是，從長遠上看軟件仿真終究不能完全替代實物實驗，而只能作為硬件實驗的很好的補充。終究還是需要建設(shè)硬件實驗室已解決實驗環(huán)節(jié)的教學工作。

三、 結(jié)語

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)實驗顯得更為重要，使學生能將理論結(jié)合到實際應用中。本文分析了新建本科院校在實驗條件不足的情況下如何應用軟件仿真解決實驗教學的情形。為光纖通信技術(shù)實驗課程開辟了一條新的路徑。