仿真技術在光纖通信實驗教學中的應用

油海東

摘 要： 本文將Optisystem和Matlab聯合仿真技術引入光纖通信實驗教學，學生通過虛擬仿真技術，更清晰直觀地進行實驗，并且節省硬件設備投資，取得良好的教學效果。

關鍵詞： 仿真技術 光纖通信實驗 技術應用

隨著通信技術的迅猛發展，光纖通信作為通信專業的一門重要必修課程，在培養通信人才能力的角色中扮演著越來越重要的作用[1]。光纖通信是一門物理學和通信學的交叉學科，其中涉及很多物理學和通信學科的基礎理論和基礎知識，這給學生學習掌握好這門課程帶來很大的挑戰。

光纖通信作為一門工程學科，不僅僅教授理論內容，其實踐內容也占有非常重要的地位。由于資金的限制，電信級的設備無法購入，因此光纖通信實驗課基本以試驗箱為主，再配合其他測試儀器完成實驗教學，這種模式存在諸多問題，比如實驗設備具有使用壽命、易老化；實驗項目方法單一、缺乏靈活性；很難進行綜合性開發、二次開發；難以深入了解其內部工作原理等。隨著計算機仿真技術的發展，國內外高校越來越重視該技術在實驗教學中的應用，目前各大高校已經陸續開始建設虛擬仿真實驗室。本文將Optisystem和Matlab聯合仿真技術引入光纖通信實驗教學中，不僅克服了傳統實驗教學的弊端，還帶來了實驗開設的便利性、重復性、精準性等優勢，取得了良好的教學效果。

1.Optisystem仿真系統

Optisystem是加拿大Optiwave公司推出的一款計算機仿真系統[2]，主要用于光纖通信系統的器件仿真、系統設計等。Optisystem提供了良好的可擴展性，可與Matlab進行聯合仿真，只需要在仿真系統中添加一個Matlab組件即可，使用起來方便簡單[3]。在使用Optisystem與Matlab協同仿真的時候，首先要了解Optisystem的信號輸入Matlab工作空間的格式。

其數據格式如圖1所示。

圖1 Matlab空間數據格式

由圖1（a）可以看出，Optisystem的信號格式包括“TypeSignal”，字符類型，表示該信號的類型為光信號、電信號或二進制信號；“Sampled”，結構體，Optisystem的信號就包含在該字段當中?！癙arameterized”，結構體，參數化字段，表示一些與時間平均有關的量，如平均功率、中心波長、偏振態等；“Noise”，結構體，表示噪聲數據；“Channels”，表示該信號的波長，是指中心波長。

如果選擇的是頻率抽樣信號，則Sampled的數據格式如圖1（b）所示。如果選擇的是時間抽樣信號，則Sampled的數據格式如圖1（c）所示。到底是時間信號還是頻率信號，由具體問題決定。使用Matlab在時域對信號處理時，就選擇時域抽樣，否則，選擇頻域抽樣。由圖1（b）、圖1（c）看出，Smapled包含兩個字段，一個是Signal字段，該字段是信號在抽樣點的值，另一個是Frequency或Time字段，該字段是抽樣點的頻點或時間點。

2.頻域的Optisystem與Matlab聯合仿真

為了進一步說明Optisystem與Matlab聯合仿真技術在光纖通信實驗教學中的應用，用以下例子做說明。本部分是頻域的聯合仿真，第3部分是時域的聯合仿真。在本部分的例子中，我們使用Matlab代碼，對連續波激光器的輸出光譜進行右移1THz的操作。其搭建的Optisystem系統如圖2所示。

圖2 光譜右移Optisystem系統

圖2中，連續波激光器發出的激光，輸入Matlab組件，使用Matlab組件對其進行頻移操作。注意：需要把Matlab組件中的“Sampled signal domain”設置為“Frequency”，表示在頻域采集信號。把Matlab組件中的“Run Command”設置為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

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

（a） （b）

圖3（a）連續波激光器光譜；（b）Matlab組件輸出光譜

通過比較圖3（a）和（b）可以看出，連續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，這說明光譜被Matlab組件右移了1THz。僅僅使用了三行Matlab代碼即實現了頻移操作，非常簡潔方便有效。

3.時域的Optisystem與Matlab聯合仿真

在時域的Optisystem與Matlab聯合仿真中，以光信號的幅度調制為例。搭建的Optisystem系統如圖4所示。

圖4 Matlab實現的光信號幅度調制

在圖4中，連續波激光器輸出的光信號和調制信號輸入Matlab組件，Matlab組件完成對信號的光幅度調制。搭建Matlab組件時，需要設置兩個輸入端口，其中一個電端口，一個光端口。調制信號采用1Gbit/s的偽隨機序列，使用NRZ模塊產生1Gbit/s的NRZ格式的偽隨機序列。把偽隨機序列和連續波激光器輸出的光信號同時輸入Matlab組件，用來產生幅度調制光信號。對于光信號的幅度調制，其數學表達式為：

Eout（t）=Ein（t）.[modulation（t）]1/2

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

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）偽隨機序列時域波形；（b）光幅度調制時域波形

運行Optisystem系統，進行仿真，仿真結束，使用電域示波器（Oscilloscope Visualizer）觀測1Gbit/s的偽隨機序列NRZ碼時域波形。使用光域示波器（Optical Time Domain Visualizer）觀測Matlab組件的輸出時域波形，如圖5所示。

其中圖5（a）是偽隨機序列的時域波形，圖5（b）是經過Matlab處理之后的光幅度調制時域波形。通過對比圖5（a）和（b）可以知道，使用Matlab組件實現的幅度調制器，能夠正常地把偽隨機序列碼調制到光波上，從而實現數字光信號的幅度調制。

4.結語

本文以Optisystem和Matlab聯合仿真為例，介紹了仿真技術在光纖通信實驗教學中的應用。通過頻域聯合仿真和時域聯合仿真兩個實例，分析了在Optisystem中如何使用Matlab組件進行聯合仿真。使用聯合仿真技術，可以大大拓展Optisystem的使用范圍，學生通過使用仿真技術，不僅能夠把課堂上學習的理論知識應用于實踐，知其然也知其所以然，還能夠鞏固學習效果，提高能力，為培養應用型人才打下良好的基礎。

參考文獻：

[1]王秋光，張亞林，胡彩云，趙瑩琦. OptiSystem仿真在光纖通信實驗教學中的應用[J].實驗室科學，2015（2）.

[2]韓力，李莉，盧杰.基于Optisystem的單模光纖WDM系統性能仿真[J].大學物理實驗，2015（10）.

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

基金項目：山東省自然科學基金（ZR2015FL011），青島農業大學高層次人才科研基金（663/1115022），青島農業大學實驗技術研究課題（SYJK14-04），青島農業大學應用型人才培養特色名校建設工程課程建設（YZD2015032）。