仿真技术在光纤通信实验教学中的应用

油海东

摘 要： 本文将Optisystem和Matlab联合仿真技术引入光纤通信实验教学，学生通过虚拟仿真技术，更清晰直观地进行实验，并且节省硬件设备投资，取得良好的教学效果。

关键词： 仿真技术 光纤通信实验 技术应用

随着通信技术的迅猛发展，光纤通信作为通信专业的一门重要必修课程，在培养通信人才能力的角色中扮演着越来越重要的作用[1]。光纤通信是一门物理学和通信学的交叉学科，其中涉及很多物理学和通信学科的基础理论和基础知识，这给学生学习掌握好这门课程带来很大的挑战。

光纤通信作为一门工程学科，不仅仅教授理论内容，其实践内容也占有非常重要的地位。由于资金的限制，电信级的设备无法购入，因此光纤通信实验课基本以试验箱为主，再配合其他测试仪器完成实验教学，这种模式存在诸多问题，比如实验设备具有使用寿命、易老化；实验项目方法单一、缺乏灵活性；很难进行综合性开发、二次开发；难以深入了解其内部工作原理等。随着计算机仿真技术的发展，国内外高校越来越重视该技术在实验教学中的应用，目前各大高校已经陆续开始建设虚拟仿真实验室。本文将Optisystem和Matlab联合仿真技术引入光纤通信实验教学中，不仅克服了传统实验教学的弊端，还带来了实验开设的便利性、重复性、精准性等优势，取得了良好的教学效果。

1.Optisystem仿真系统

Optisystem是加拿大Optiwave公司推出的一款计算机仿真系统[2]，主要用于光纤通信系统的器件仿真、系统设计等。Optisystem提供了良好的可扩展性，可与Matlab进行联合仿真，只需要在仿真系统中添加一个Matlab组件即可，使用起来方便简单[3]。在使用Optisystem与Matlab协同仿真的时候，首先要了解Optisystem的信号输入Matlab工作空间的格式。

其数据格式如图1所示。

图1 Matlab空间数据格式

由图1（a）可以看出，Optisystem的信号格式包括“TypeSignal”，字符类型，表示该信号的类型为光信号、电信号或二进制信号；“Sampled”，结构体，Optisystem的信号就包含在该字段当中。“Parameterized”，结构体，参数化字段，表示一些与时间平均有关的量，如平均功率、中心波长、偏振态等；“Noise”，结构体，表示噪声数据；“Channels”，表示该信号的波长，是指中心波长。

如果选择的是频率抽样信号，则Sampled的数据格式如图1（b）所示。如果选择的是时间抽样信号，则Sampled的数据格式如图1（c）所示。到底是时间信号还是频率信号，由具体问题决定。使用Matlab在时域对信号处理时，就选择时域抽样，否则，选择频域抽样。由图1（b）、图1（c）看出，Smapled包含两个字段，一个是Signal字段，该字段是信号在抽样点的值，另一个是Frequency或Time字段，该字段是抽样点的频点或时间点。

2.频域的Optisystem与Matlab联合仿真

为了进一步说明Optisystem与Matlab联合仿真技术在光纤通信实验教学中的应用，用以下例子做说明。本部分是频域的联合仿真，第3部分是时域的联合仿真。在本部分的例子中，我们使用Matlab代码，对连续波激光器的输出光谱进行右移1THz的操作。其搭建的Optisystem系统如图2所示。

图2 光谱右移Optisystem系统

图2中，连续波激光器发出的激光，输入Matlab组件，使用Matlab组件对其进行频移操作。注意：需要把Matlab组件中的“Sampled signal domain”设置为“Frequency”，表示在频域采集信号。把Matlab组件中的“Run Command”设置为Matlab脚本的名字。以下是编写的Matlab脚本代码，名字为frequench_shift.m

OutputPort1=InputPort1；

f=InputPort1.Sampled.Frequency；%输入光信号的频谱

OutputPort1.Sampled.Frequency=f+1e+12；%输出光谱频率右移1THz

使用光谱仪分别测试连续波激光器的输出光谱和经过Matlab组件处理过后的光谱，分别如图3（a）和（b）所示。

（a） （b）

图3（a）连续波激光器光谱；（b）Matlab组件输出光谱

通过比较图3（a）和（b）可以看出，连续波激光器的输出光谱中心频率位于193.1THz处，而Matlab组件的输出光谱位于194.1THz处，这说明光谱被Matlab组件右移了1THz。仅仅使用了三行Matlab代码即实现了频移操作，非常简洁方便有效。

3.时域的Optisystem与Matlab联合仿真

在时域的Optisystem与Matlab联合仿真中，以光信号的幅度调制为例。搭建的Optisystem系统如图4所示。

图4 Matlab实现的光信号幅度调制

在图4中，连续波激光器输出的光信号和调制信号输入Matlab组件，Matlab组件完成对信号的光幅度调制。搭建Matlab组件时，需要设置两个输入端口，其中一个电端口，一个光端口。调制信号采用1Gbit/s的伪随机序列，使用NRZ模块产生1Gbit/s的NRZ格式的伪随机序列。把伪随机序列和连续波激光器输出的光信号同时输入Matlab组件，用来产生幅度调制光信号。对于光信号的幅度调制，其数学表达式为：

Eout（t）=Ein（t）.[modulation（t）]1/2

其中Eout（t）是输出的光幅度调制信号，Ein（t）是输入的连续波光信号，modulation（t）是调制电信号。

Matlab脚本代码如下，名字为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）

图5 （a）伪随机序列时域波形；（b）光幅度调制时域波形

运行Optisystem系统，进行仿真，仿真结束，使用电域示波器（Oscilloscope Visualizer）观测1Gbit/s的伪随机序列NRZ码时域波形。使用光域示波器（Optical Time Domain Visualizer）观测Matlab组件的输出时域波形，如图5所示。

其中图5（a）是伪随机序列的时域波形，图5（b）是经过Matlab处理之后的光幅度调制时域波形。通过对比图5（a）和（b）可以知道，使用Matlab组件实现的幅度调制器，能够正常地把伪随机序列码调制到光波上，从而实现数字光信号的幅度调制。

4.结语

本文以Optisystem和Matlab联合仿真为例，介绍了仿真技术在光纤通信实验教学中的应用。通过频域联合仿真和时域联合仿真两个实例，分析了在Optisystem中如何使用Matlab组件进行联合仿真。使用联合仿真技术，可以大大拓展Optisystem的使用范围，学生通过使用仿真技术，不仅能够把课堂上学习的理论知识应用于实践，知其然也知其所以然，还能够巩固学习效果，提高能力，为培养应用型人才打下良好的基础。

参考文献：

[1]王秋光，张亚林，胡彩云，赵莹琦. OptiSystem仿真在光纤通信实验教学中的应用[J].实验室科学，2015（2）.

[2]韩力，李莉，卢杰.基于Optisystem的单模光纤WDM系统性能仿真[J].大学物理实验，2015（10）.

[3]赵赞善，罗友宏，谢娇. Optisystem中Matlab Component模块的扩展应用[J].电信技术，2012（12）.

基金项目：山东省自然科学基金（ZR2015FL011），青岛农业大学高层次人才科研基金（663/1115022），青岛农业大学实验技术研究课题（SYJK14-04），青岛农业大学应用型人才培养特色名校建设工程课程建设（YZD2015032）。