面向系統設計的“光纖通信”仿真教學探索

楊彥甫

(哈爾濱工業大學(深圳) 電子信息與工程學院， 深圳 518055)

“光纖通信”是電子信息類本科培養方案中的核心課程，作為“通信原理”的后續專業課程，為本科生加強理解并應用“信號與系統”“通信原理”課程的基礎知識提供了一次重要的實踐訓練機會。光纖通信以在光為載體，以光纖為傳輸介質，在現代信息傳輸體系內占據基礎性的地位，在多個產業應用場景具有各不相同的系統性能目標與設計難點。仿真學習與訓練是“光纖通信”課程學習中的重要一個環節，可為實驗環節提供系統理解與設計指引，也是進行實驗結果分析的一個重要工具。因此，“光纖通信”課程教學非常有必要開展仿真訓練環節，通過圍繞典型應用場景強化學生的系統理解深度與設計能力，將為學生后續科研創新提供重要的能力訓練[1-2]。

雖然國內高校在“光纖通信”課程已設置仿真學習環節，部分是基于商業仿真軟件開展教學，部分是基于自有程序代碼，但是仍存在亟需改進的問題。一方面，現有仿真教學內容需要更新，以應對產業發展的最新應用場景。近幾年相干光通信技術極大提升了傳輸頻譜效率與傳輸距離，在這一技術發展趨勢之下，“光纖通信”課程內容正融合越來越多無線通信領域的調制編碼技術[3]，這將要求“光纖通信”仿真環節要開展更具針對性的前沿教學內容，突出產業典型場景下的系統仿真訓練[4]。另外一方面，現有仿真教學的素質訓練較為單薄，比較偏重于系統理解與演示，缺乏系統層面的深度理解與設計優化環節。綜上分析，需要設計面向產業實際場景且突出系統設計層面的綜合仿真訓練，從而提升課程在通信系統設計、優化與創新方面的教學效果。

介紹開展的光纖通信仿真教學方面的探索與實踐，面向數據中心光互聯與長距離相干光通信兩個重要場景，構建光纖通信系統模型并開發相應的仿真套件，在此基礎上，開展突出系統設計能力培養的教學方案，主要包括三個層次教學目的：

(1)幫助學生更好理解系統工作原理，通過信號波形、頻譜、星座圖、誤碼率等方面獲得直觀的認知；

(2)進一步，通過系統重要參數調整，有助于掌握關鍵參數與系統性能之間的依賴關系，為系統優化提供方向性導引；

(3)通過仿真系統，實現基于實驗無法給出的分析能力，深入理解多種信道效應共存下的耦合機理。

下面詳細介紹開展建設的系統仿真模型，以及在已開發仿真套件基礎上的多層次的仿真教學方法。

1 面向產業場景的光纖通信系統模型

主要介紹課程仿真所面對兩個應用場景：

(1)面向數據中心的短距光互聯系統；

(2)面向長距離高頻譜效率的骨干光纖通信系統。

前者以強度調制與直接檢測為主要技術特征，可應用于面向低成本的光互聯場景，為數據中心內部服務器建立高速光連接，系統目標在于保持低復雜度、低功耗情形下提升傳輸容量，以應付日益蓬勃的云計算與大數據等互聯網業務；而后者使用先進調制、相干監測與數字信號處理技術，主要用于實現長距離的骨干網、域網絡及跨海光纜傳輸，主要技術導向在于最大化頻率效率與傳輸距離的乘積指標。

1.1 面向數據中心的短距光互聯系統

隨著數據中心的蓬勃發展，數據中心內部及互相連接迫切需要低成本、低功耗的光互聯解決方案[5]。目前正在廣泛使用強度調制直接檢測技術方案：在發射端使用三種可選調制格式，分別是脈沖幅度調制、離散多音頻調制以及無載波幅度相位調制，在接收端使用直接檢測實現光電轉化。上述技術方案系統具備系統實現簡單、成本低的優點。仿真界面可支持靈活的調制格式參數配置，以實現各個格式下的參數優化，傳輸光纖使用簡單的標量光纖傳輸模型，主要考慮色散效應以及光纖損耗，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，后續的信號處理將圍繞各自調制格式展開，并根據實際場景將時鐘提取模塊、模數轉換以及信號處理囊括進來，且提供清晰的參數配置界面。

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

1.2 長距離傳輸光纖通信系統

長距離傳輸光纖通信系統是課程重點討論的對象，主要應用海纜、陸地以及城域網等多個應用場合[3]，目前主要利用高階光調制、相干光探測以及數字信號處理技術三項關鍵使能技術，從而支持長距離、高頻譜效率的光傳輸能力。具體來講，高階調制可有效提升系統頻譜效率，相干光探測可提升信噪比靈敏度，并具備光信號的全電場信息恢復，進而支持后續的信號處理的實施，而數字信號處理技術可支持信道效應補償、時鐘/載波恢復等功能。在發射端，構建比特流生成、碼元映射、脈沖整形、非線性調制補償、光電帶寬受限、調制器硬件損傷在內的仿真模型，將具備模擬現有實際器件參數的強大功能，能提供從簡單BPSK到各類高階QAM光信號生成。同時，仿真模型將預留概率整形QAM的分布匹配器模塊，為后續開展前沿工作提供有效銜接。

在光纖傳輸部分，建立面向波分復用雙偏振光信號的傳輸模塊，該模塊以多波長、雙偏振耦合的非線性薛定諤方程為基礎，以分布傅里葉算法為工具，主要考慮色散長度、非線性長度、雙折射相關長度、偏振模系數從而進行有效光纖分段，非線性效應可對信道內自相位調制、信道間交叉相位調制、信道間四波混頻效應進行獨立開關控制，此外還融入摻鉺光纖放大器的頻譜相關增益和飽和放大特性，以及光纖拉曼效應。基于該模型的效應的靈活配置，可實現對信號、噪聲、非線性之間的耦合作用進行細致全面的探究，為深入理解光纖傳輸特性及鏈路優化配置提供理論指導，此外該模型運用較為完備的雙折射及偏振效應模型，且支持GPU加速計算能力，支持模擬光纖動態擾動及性能起伏功能，為評估分析系統失效概率提供強大的工具。

在接收端，構建偏振分集光混頻器、平衡探測器、跨導放大器、模數轉化、數字信號處理模塊的基本模型，在數字信號處理部分包括色散補償、光電前端補償、時鐘提取、偏振跟蹤與恢復、頻偏估計、相位恢復、碼元判決與誤碼率計算等。仿真平臺提供盲信號處理與基于訓練序列的處理兩種技術路線可選，同時，對于關鍵信號處理模塊，可提供多種算法選項和參數配置。此外，該仿真模塊預留增設非線性補償的算法接口，為后續科研提供有效銜接。

基于上述的仿真模型，為學生建成一個長距離相干光通信系統仿真平臺，這有助于學生將課程教學內容與仿真模型結合起來進行系統認知與理解，更一步，可幫助學生深入分析光纖通信系統的性能評估與優化，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處理理論與知識，最終有效提升學生的系統設計能力。

2 光纖通信仿真的分層教學方法

2.1 認知層面的教學內容及方法

在認識層面，主要為學生提供光纖通信系統的原理、模塊功能、各個位置信號特征的基本認知，這將為課堂知識提供更為直觀、形象的圖像與場景，有助于學生消化理解相對抽象的概念與定義描述。

在該層面，主要通過信號分析方法，實現逐個模塊、逐個環節的認知。仿真模塊中將提供光時域，電時域、光頻域、電頻域、斯托克斯空間、復平面星座圖的信號分析表征，這將提供了全面、直觀、多維度的信號認知，進而為理解各模塊以及整個系統的原理提供基礎性的作用。

如圖2所示，給出在色散效應下的信號眼圖，便于學生直觀理解色散畸變下的眼圖特征。在仿真教學手冊中，通過引導學生記錄與分析信號分析結果，來達到加深認知的目的。

2.2 理解層面的教學內容及方法

在理解層面，重點使學生達成系統建模、參數配置、系統優化方面的深入理解。學生首先需掌握系統中各個模塊的建模思路與方法，理解實際器件與模型的映射關系，特別是理解實際產品指標與模型關鍵參數的對應關系，清晰了解模型的適用條件等。然后，在此基礎上，學生進一步通過配置工作參數，分析各個模塊的性能表現，以及各個模塊之間的相互影響與耦合機制。最后在系統整體性能方面，學生掌握全局參數優化的思路與方法。在仿真教學手冊里，提供從淺入深的步驟指引，學生通過動手程序執行、結果分析、深入思考，來回答課程作業，從而達到理解層面的教學效果。這部分內容主要集中在收發端性能分析、光纖信道分析、以及數字信號處理算法的參數配置等。如圖3所示，紅色框內的三個選項，分別對應背靠背、線性信道、真實信道的情形，學生逐步比較不同情形下的傳輸性能，進而理解分析各種損傷效應對系統性能的影響機理，以及評估相應的代價。

圖2 基于開關鍵控格式的色散效應認知仿真

圖3 面向噪聲/色散/非線性耦合傳輸的深度仿真環節

2.3 設計層面的教學內容及方法

在設計層面，主要結合現有研究前沿問題，以提問的方式引導學生開展問題分析、問題解決的創新過程。例如，圍繞目前短距光互聯場景下，如何在保證光電帶寬制約條件下，有效獲得更好的信號解調性能，以及在相干光通信系統中，長距離光信號傳輸后的非線性效應的主導因素分析等。通過將實際技術挑戰融入到仿真課程大作業中，在設定問題背景與具體挑戰情況下，激勵學生利用課堂已掌握的知識、理解與技能，開展具有前沿性的探索研究，從而切實地開展設計層面的實踐鍛煉。

2.4 教學效果分析與總結

通過過去連續3年仿真教學實踐與探索，已建成應用場景明確的仿真教學方案，為學生提供應用性強、接口豐富、人機界面友好的學習軟件平臺。通過該平臺，探索實踐了認知、理解、設計三個層次的遞進式教學方法。通過課堂測試與課后問卷反饋調查發現，該平臺及教學方法在以下三個方面取得較為明顯的成效：①在通信原理認知方面，學生普遍認為仿真實踐加深了理論知識的掌握程度，同時平臺的可視化分析工具，提供更加直觀的全鏈條、多維度信號認知；②在建模與仿真的理解層面，為學生在理論建模到仿真實現之間有效建立起知識銜接與紐帶，既增強學生對建模的理解深度，又提升學生仿真實踐能力；③通過仿真問題引導，有效激發了學生仿真探索興趣，并初步掌握利用仿真平臺開展系統設計的基本思路與方法。因此，可以看出，基于持續改進的仿真平臺、仿真指南、問題引導，學生在循序漸進的原理認知、建模分析與系統設計中獲得了兼具前沿與實務訓練的仿真學習與能力培養。通過課程教學反饋分析，該仿真教學環節有效提升學生學習興趣與探索驅動力，促進學生在“原理認知-數學建模-仿真實踐-系統優化與設計”全學習過程的能力培養與鍛煉，這為后續開展素質拓展與科研實踐打下了充分扎實的仿真能力基礎。

3 結語

以上探討了如何提升學生面對典型產業應用場景下光纖通信系統設計能力的仿真教學建設方案，圍繞產業趨勢開展建設了面向短距光互聯和長距離相干光纖通信的典型光纖系統仿真平臺，基于此平臺提出“認知-理解-設計”的多層次教學方案，形成以仿真平臺幫助、仿真指南、課堂作業、課后大作業相結合的教學內容體系。這一更新的教學內容與新穎的教學思路，有效提升了學生在光纖通信系統方面的認知水平，較系統地增強了學生在光纖通信系統方面原理理解、性能調優、全局分析能力，比較明顯促進學生開展系統分析與設計創新的學習熱情，為后續開展光纖通信方向科研與工作奠定了良好的知識與能力基礎。