面向系统设计的“光纤通信”仿真教学探索

杨彦甫

(哈尔滨工业大学(深圳) 电子信息与工程学院， 深圳 518055)

“光纤通信”是电子信息类本科培养方案中的核心课程，作为“通信原理”的后续专业课程，为本科生加强理解并应用“信号与系统”“通信原理”课程的基础知识提供了一次重要的实践训练机会。光纤通信以在光为载体，以光纤为传输介质，在现代信息传输体系内占据基础性的地位，在多个产业应用场景具有各不相同的系统性能目标与设计难点。仿真学习与训练是“光纤通信”课程学习中的重要一个环节，可为实验环节提供系统理解与设计指引，也是进行实验结果分析的一个重要工具。因此，“光纤通信”课程教学非常有必要开展仿真训练环节，通过围绕典型应用场景强化学生的系统理解深度与设计能力，将为学生后续科研创新提供重要的能力训练[1-2]。

虽然国内高校在“光纤通信”课程已设置仿真学习环节，部分是基于商业仿真软件开展教学，部分是基于自有程序代码，但是仍存在亟需改进的问题。一方面，现有仿真教学内容需要更新，以应对产业发展的最新应用场景。近几年相干光通信技术极大提升了传输频谱效率与传输距离，在这一技术发展趋势之下，“光纤通信”课程内容正融合越来越多无线通信领域的调制编码技术[3]，这将要求“光纤通信”仿真环节要开展更具针对性的前沿教学内容，突出产业典型场景下的系统仿真训练[4]。另外一方面，现有仿真教学的素质训练较为单薄，比较偏重于系统理解与演示，缺乏系统层面的深度理解与设计优化环节。综上分析，需要设计面向产业实际场景且突出系统设计层面的综合仿真训练，从而提升课程在通信系统设计、优化与创新方面的教学效果。

介绍开展的光纤通信仿真教学方面的探索与实践，面向数据中心光互联与长距离相干光通信两个重要场景，构建光纤通信系统模型并开发相应的仿真套件，在此基础上，开展突出系统设计能力培养的教学方案，主要包括三个层次教学目的：

(1)帮助学生更好理解系统工作原理，通过信号波形、频谱、星座图、误码率等方面获得直观的认知；

(2)进一步，通过系统重要参数调整，有助于掌握关键参数与系统性能之间的依赖关系，为系统优化提供方向性导引；

(3)通过仿真系统，实现基于实验无法给出的分析能力，深入理解多种信道效应共存下的耦合机理。

下面详细介绍开展建设的系统仿真模型，以及在已开发仿真套件基础上的多层次的仿真教学方法。

1 面向产业场景的光纤通信系统模型

主要介绍课程仿真所面对两个应用场景：

(1)面向数据中心的短距光互联系统；

(2)面向长距离高频谱效率的骨干光纤通信系统。

前者以强度调制与直接检测为主要技术特征，可应用于面向低成本的光互联场景，为数据中心内部服务器建立高速光连接，系统目标在于保持低复杂度、低功耗情形下提升传输容量，以应付日益蓬勃的云计算与大数据等互联网业务；而后者使用先进调制、相干监测与数字信号处理技术，主要用于实现长距离的骨干网、域网络及跨海光缆传输，主要技术导向在于最大化频率效率与传输距离的乘积指标。

1.1 面向数据中心的短距光互联系统

随着数据中心的蓬勃发展，数据中心内部及互相连接迫切需要低成本、低功耗的光互联解决方案[5]。目前正在广泛使用强度调制直接检测技术方案：在发射端使用三种可选调制格式，分别是脉冲幅度调制、离散多音频调制以及无载波幅度相位调制，在接收端使用直接检测实现光电转化。上述技术方案系统具备系统实现简单、成本低的优点。仿真界面可支持灵活的调制格式参数配置，以实现各个格式下的参数优化，传输光纤使用简单的标量光纤传输模型，主要考虑色散效应以及光纤损耗，鉴于短距传输可忽略偏振模色散条件，在接收端将考虑光电探测过程中的多种噪声源，包括雪崩探测噪声、热噪声以及暗电流等，后续的信号处理将围绕各自调制格式展开，并根据实际场景将时钟提取模块、模数转换以及信号处理囊括进来，且提供清晰的参数配置界面。

图1 相干光通信仿真界面(a)仿真系统模型图；(b)仿真参数汇总；(c)接收端信号恢复前的星座图案；(d)接收端信号恢复后的星座图。

1.2 长距离传输光纤通信系统

长距离传输光纤通信系统是课程重点讨论的对象，主要应用海缆、陆地以及城域网等多个应用场合[3]，目前主要利用高阶光调制、相干光探测以及数字信号处理技术三项关键使能技术，从而支持长距离、高频谱效率的光传输能力。具体来讲，高阶调制可有效提升系统频谱效率，相干光探测可提升信噪比灵敏度，并具备光信号的全电场信息恢复，进而支持后续的信号处理的实施，而数字信号处理技术可支持信道效应补偿、时钟/载波恢复等功能。在发射端，构建比特流生成、码元映射、脉冲整形、非线性调制补偿、光电带宽受限、调制器硬件损伤在内的仿真模型，将具备模拟现有实际器件参数的强大功能，能提供从简单BPSK到各类高阶QAM光信号生成。同时，仿真模型将预留概率整形QAM的分布匹配器模块，为后续开展前沿工作提供有效衔接。

在光纤传输部分，建立面向波分复用双偏振光信号的传输模块，该模块以多波长、双偏振耦合的非线性薛定谔方程为基础，以分布傅里叶算法为工具，主要考虑色散长度、非线性长度、双折射相关长度、偏振模系数从而进行有效光纤分段，非线性效应可对信道内自相位调制、信道间交叉相位调制、信道间四波混频效应进行独立开关控制，此外还融入掺铒光纤放大器的频谱相关增益和饱和放大特性，以及光纤拉曼效应。基于该模型的效应的灵活配置，可实现对信号、噪声、非线性之间的耦合作用进行细致全面的探究，为深入理解光纤传输特性及链路优化配置提供理论指导，此外该模型运用较为完备的双折射及偏振效应模型，且支持GPU加速计算能力，支持模拟光纤动态扰动及性能起伏功能，为评估分析系统失效概率提供强大的工具。

在接收端，构建偏振分集光混频器、平衡探测器、跨导放大器、模数转化、数字信号处理模块的基本模型，在数字信号处理部分包括色散补偿、光电前端补偿、时钟提取、偏振跟踪与恢复、频偏估计、相位恢复、码元判决与误码率计算等。仿真平台提供盲信号处理与基于训练序列的处理两种技术路线可选，同时，对于关键信号处理模块，可提供多种算法选项和参数配置。此外，该仿真模块预留增设非线性补偿的算法接口，为后续科研提供有效衔接。

基于上述的仿真模型，为学生建成一个长距离相干光通信系统仿真平台，这有助于学生将课程教学内容与仿真模型结合起来进行系统认知与理解，更一步，可帮助学生深入分析光纤通信系统的性能评估与优化，透彻理解光纤信道的丰富物理场景，重温先修课程中的各类信号处理理论与知识，最终有效提升学生的系统设计能力。

2 光纤通信仿真的分层教学方法

2.1 认知层面的教学内容及方法

在认识层面，主要为学生提供光纤通信系统的原理、模块功能、各个位置信号特征的基本认知，这将为课堂知识提供更为直观、形象的图像与场景，有助于学生消化理解相对抽象的概念与定义描述。

在该层面，主要通过信号分析方法，实现逐个模块、逐个环节的认知。仿真模块中将提供光时域，电时域、光频域、电频域、斯托克斯空间、复平面星座图的信号分析表征，这将提供了全面、直观、多维度的信号认知，进而为理解各模块以及整个系统的原理提供基础性的作用。

如图2所示，给出在色散效应下的信号眼图，便于学生直观理解色散畸变下的眼图特征。在仿真教学手册中，通过引导学生记录与分析信号分析结果，来达到加深认知的目的。

2.2 理解层面的教学内容及方法

在理解层面，重点使学生达成系统建模、参数配置、系统优化方面的深入理解。学生首先需掌握系统中各个模块的建模思路与方法，理解实际器件与模型的映射关系，特别是理解实际产品指标与模型关键参数的对应关系，清晰了解模型的适用条件等。然后，在此基础上，学生进一步通过配置工作参数，分析各个模块的性能表现，以及各个模块之间的相互影响与耦合机制。最后在系统整体性能方面，学生掌握全局参数优化的思路与方法。在仿真教学手册里，提供从浅入深的步骤指引，学生通过动手程序执行、结果分析、深入思考，来回答课程作业，从而达到理解层面的教学效果。这部分内容主要集中在收发端性能分析、光纤信道分析、以及数字信号处理算法的参数配置等。如图3所示，红色框内的三个选项，分别对应背靠背、线性信道、真实信道的情形，学生逐步比较不同情形下的传输性能，进而理解分析各种损伤效应对系统性能的影响机理，以及评估相应的代价。

图2 基于开关键控格式的色散效应认知仿真

图3 面向噪声/色散/非线性耦合传输的深度仿真环节

2.3 设计层面的教学内容及方法

在设计层面，主要结合现有研究前沿问题，以提问的方式引导学生开展问题分析、问题解决的创新过程。例如，围绕目前短距光互联场景下，如何在保证光电带宽制约条件下，有效获得更好的信号解调性能，以及在相干光通信系统中，长距离光信号传输后的非线性效应的主导因素分析等。通过将实际技术挑战融入到仿真课程大作业中，在设定问题背景与具体挑战情况下，激励学生利用课堂已掌握的知识、理解与技能，开展具有前沿性的探索研究，从而切实地开展设计层面的实践锻炼。

2.4 教学效果分析与总结

通过过去连续3年仿真教学实践与探索，已建成应用场景明确的仿真教学方案，为学生提供应用性强、接口丰富、人机界面友好的学习软件平台。通过该平台，探索实践了认知、理解、设计三个层次的递进式教学方法。通过课堂测试与课后问卷反馈调查发现，该平台及教学方法在以下三个方面取得较为明显的成效：①在通信原理认知方面，学生普遍认为仿真实践加深了理论知识的掌握程度，同时平台的可视化分析工具，提供更加直观的全链条、多维度信号认知；②在建模与仿真的理解层面，为学生在理论建模到仿真实现之间有效建立起知识衔接与纽带，既增强学生对建模的理解深度，又提升学生仿真实践能力；③通过仿真问题引导，有效激发了学生仿真探索兴趣，并初步掌握利用仿真平台开展系统设计的基本思路与方法。因此，可以看出，基于持续改进的仿真平台、仿真指南、问题引导，学生在循序渐进的原理认知、建模分析与系统设计中获得了兼具前沿与实务训练的仿真学习与能力培养。通过课程教学反馈分析，该仿真教学环节有效提升学生学习兴趣与探索驱动力，促进学生在“原理认知-数学建模-仿真实践-系统优化与设计”全学习过程的能力培养与锻炼，这为后续开展素质拓展与科研实践打下了充分扎实的仿真能力基础。

3 结语

以上探讨了如何提升学生面对典型产业应用场景下光纤通信系统设计能力的仿真教学建设方案，围绕产业趋势开展建设了面向短距光互联和长距离相干光纤通信的典型光纤系统仿真平台，基于此平台提出“认知-理解-设计”的多层次教学方案，形成以仿真平台帮助、仿真指南、课堂作业、课后大作业相结合的教学内容体系。这一更新的教学内容与新颖的教学思路，有效提升了学生在光纤通信系统方面的认知水平，较系统地增强了学生在光纤通信系统方面原理理解、性能调优、全局分析能力，比较明显促进学生开展系统分析与设计创新的学习热情，为后续开展光纤通信方向科研与工作奠定了良好的知识与能力基础。