鄒亞琪，薛同蓮

(南通大學(xué) 理學(xué)院，江蘇 南通 226001)

“光纖通信技術(shù)”作為通信工程、光電信息工程、電子信息工程專業(yè)的核心課程，主要講授光纖通信的基本概念、傳輸理論、系統(tǒng)組成、新技術(shù)等內(nèi)容[1]。為提高課程教學(xué)質(zhì)量，配合開設(shè)了光電信息實(shí)驗(yàn)。目前在實(shí)驗(yàn)過程中存在一些問題：(1)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備功能固定、擴(kuò)展性差，僅僅是對(duì)基本原理的簡單驗(yàn)證；(2)光纖通信設(shè)備價(jià)格昂貴，引進(jìn)或建設(shè)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室難度較大；(3)專業(yè)知識(shí)更新速度快，課本及現(xiàn)有設(shè)備難以反映最新的發(fā)展成果；(4)在現(xiàn)有陳舊設(shè)備上，學(xué)生難于驗(yàn)證、實(shí)踐對(duì)知識(shí)的構(gòu)想[2]。

基于以上原因，通過實(shí)驗(yàn)改革，利用Optisystem仿真彌補(bǔ)缺少硬件實(shí)驗(yàn)器材所帶來的不足，豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提升實(shí)驗(yàn)質(zhì)量；同時(shí)，加深了學(xué)生對(duì)系統(tǒng)理論知識(shí)的理解和提高了知識(shí)運(yùn)用能力。

1 理論研究

Optisystem 是Optiwave公司開發(fā)的一套光通信系統(tǒng)模擬軟件，可以實(shí)現(xiàn)WDM/TDM 或 CATV 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、SONET/SDH 設(shè)計(jì)、發(fā)送端、通道、放大器接收器設(shè)計(jì)、誤碼率估算以及對(duì)不同接收模式的系統(tǒng)性能估算等功能[3]。在最新版本的Optisystem中還加入了無源網(wǎng)絡(luò)(WDM-PON) 、光纖接入技術(shù)(FTTx)、無線光通信(OWC)、光纖無線電(ROF)、雙向AWG、微波組件、極大似然估計(jì)(MLSE)、自由空間光通信(FSO)、空間以及極坐標(biāo)圖、高級(jí)分析工具與S參量提取等新功能。Optisystem軟件提供了豐富的器件庫，其強(qiáng)大的功能完全可以滿足基本的實(shí)驗(yàn)需求。在Optisystem仿真實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以通過調(diào)整光學(xué)元器件參數(shù)，直觀地模擬整個(gè)光纖通信系統(tǒng)的傳輸過程[4]。

根據(jù)培養(yǎng)計(jì)劃，設(shè)置的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括：(1)光纖的傳輸特性及相關(guān)理論；(2)常見光無源器件的工作原理及參數(shù)測量；(3)光發(fā)送機(jī)的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)；(4)光接收機(jī)的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)；(5)光放大器的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)；(6)波分復(fù)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。結(jié)合現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，利用Optisystem軟件構(gòu)建仿真平臺(tái)，在原有硬件實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，增加了仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容(包括不同調(diào)變形式在40 Gbit·s-1系統(tǒng)下的比較、PIN與APD性能比較、光纖色散補(bǔ)償模塊設(shè)計(jì)、光放大器增益優(yōu)化設(shè)計(jì)和光波分復(fù)用WDM系統(tǒng)設(shè)計(jì)等[5])，逐步構(gòu)建“基礎(chǔ)型、綜合型、創(chuàng)新型”的分層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系[6]。

具體實(shí)施的過程中，虛實(shí)結(jié)合，由淺入深，從易到難，先完成基礎(chǔ)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上完成綜合提高型和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)。要求學(xué)生獨(dú)立完成，并撰寫詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

2 實(shí)例分析

基礎(chǔ)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)在硬件儀器上完成，使學(xué)習(xí)者對(duì)光通信設(shè)備、整個(gè)傳輸系統(tǒng)有直觀的了解；受現(xiàn)有設(shè)備限制，綜合提高型實(shí)驗(yàn)則利用Optisystem軟件，搭建完整的通信系統(tǒng)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果；創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)由學(xué)生提出構(gòu)想，結(jié)合相關(guān)理論知識(shí)，自行設(shè)計(jì)完成對(duì)構(gòu)想的驗(yàn)證。以波分復(fù)用的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)為例，說明實(shí)驗(yàn)改革的具體實(shí)施方法[7]。

2.1 基礎(chǔ)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)

基礎(chǔ)的光纖通信系統(tǒng)由發(fā)送機(jī)，傳輸介質(zhì)(光纖)，接收機(jī)3部分構(gòu)成。利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有儀器設(shè)備(激光光源、波分復(fù)用器、示波器)，構(gòu)建兩信道的波分復(fù)用(WDM)系統(tǒng)，首先了解光通信系統(tǒng)的構(gòu)成，直接觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

圖1 兩信道WDM系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理圖

在實(shí)驗(yàn)過程中，利用示波器觀察實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象，但由于條件限制，基本上一臺(tái)硬件設(shè)備只能相應(yīng)地配一套觀察設(shè)備，很難滿足同時(shí)監(jiān)測多點(diǎn)信號(hào)[8]。借助Optisystem軟件，則可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多點(diǎn)信號(hào)的對(duì)比分析。

2.2 綜合提高型實(shí)驗(yàn)

在驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，利用 Optisystem 仿真軟件，讓學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求及步驟，設(shè)計(jì)出4信道波分復(fù)用(WDM)系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)過程中，將理論與實(shí)踐相結(jié)合，有利于加強(qiáng)對(duì)波分復(fù)用系統(tǒng)的了解。

實(shí)驗(yàn)要求：

(1)外調(diào)制：隨機(jī)二進(jìn)制碼發(fā)生器(Pseudo-Random Bit Sequence Generator)和非歸零碼產(chǎn)生器(NRZ Pulse Generator)產(chǎn)生數(shù)字基帶信息，基帶信號(hào)對(duì)連續(xù)波激光(CW Laser)產(chǎn)生的光載波通過馬赫倫德爾調(diào)制器(Mach-Zehnder Modulator)進(jìn)行調(diào)制；

(2)信道間隔：信道間隔為0.1 THz，頻率范圍為193.1～193.4 THz；

(3)傳輸鏈路：借助循環(huán)控制(Loop Control)來實(shí)現(xiàn)長距離傳輸。單個(gè)循環(huán)中，采用一個(gè)單模光纖(Optical fiber)與一個(gè)光放大器(Optical Amplifier)組合。通過3次循環(huán)實(shí)現(xiàn) 300 km 的數(shù)據(jù)傳輸；

(4)光電檢測：各路光信號(hào)經(jīng)過PIN管光電檢測器(Photodetector PIN)得到電信號(hào)，再經(jīng)過低通貝塞爾濾波器(Low Pass Bessel Filter)濾除帶外噪聲，還原出該路電信號(hào)；

(5)觀測器選擇：使用示波器(Oscilloscope Visualizer)、光譜分析儀(Optical Spectrum Analyzer)、眼圖和誤碼率分析儀(BER Analyzer)對(duì)傳輸特性進(jìn)行測量，從而估測系統(tǒng)的合理性。

圖2 4信道WDM系統(tǒng)仿真圖

軟件使用的相關(guān)參數(shù)，如表1所示。

表1 WDM系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)

圖3為發(fā)送端WDM信號(hào)的頻譜圖，由Optical Spectrum Analyzer監(jiān)測。圖4為接收端WDM信號(hào)的頻譜圖，由Optical Spectrum Analyzer_2監(jiān)測。

圖3 發(fā)送端WDM信號(hào)的頻譜圖

圖4 接收端WDM信號(hào)的頻譜圖

比較兩圖可以發(fā)現(xiàn)，光信號(hào)經(jīng)過一定距離的傳輸，由于損耗的存在，光功率有一定程度的衰減。假如傳輸鏈路中不增加光放大器(OA)，損耗會(huì)嚴(yán)重很多，OA能有效抑制損耗帶來的影響。需要引起關(guān)注的是：由于單模光纖的色散與非線性效應(yīng)，導(dǎo)致信號(hào)展寬，而且在原頻譜兩側(cè)出現(xiàn)了新的波長信號(hào)，這主要是由于非線性效應(yīng)中四波混頻引起的[9]。

圖5為傳輸300 km(增加Optical fiber_1前)后的眼圖，圖6為傳輸400 km(增加Optical fiber_1后)后的眼圖，均由BER Analyzer檢測。

圖5 傳輸300 km的眼圖

圖6 傳輸400 km的眼圖

由于光信號(hào)經(jīng)過Optical fiber_1 后沒有再被放大，由于損耗的存在使得光功率降低，因此接收端的眼圖和Q值相對(duì)于圖5(增加Optical fiber_1前的眼圖)要差得多[10]。從圖6中看出，現(xiàn)在傳輸系統(tǒng)的噪聲較大，也就是碼間干擾較大，誤碼率也會(huì)因此增加。

2.3 創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)

給出實(shí)驗(yàn)要求及預(yù)期效果，或讓學(xué)習(xí)者提出構(gòu)想，自行設(shè)計(jì)光通信系統(tǒng)，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造意識(shí)。在綜合提高型實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，為提高傳輸性能，提出以下3點(diǎn)要求：(1)在Optical Fiber_1后增加光放大器OA，將監(jiān)測的眼圖與圖6比較；調(diào)節(jié)放大器OA中Gain參數(shù)，使獲得更佳的傳輸性能；(2)為抑制信號(hào)展寬，在傳輸鏈路中增加色散補(bǔ)償模塊。增加后的頻譜圖與圖4做比較，分析色散特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懀?3)調(diào)節(jié)信號(hào)間隔能有效抑制4波混頻，更改間隔，對(duì)比前后頻率圖，分析信道間隔對(duì)系統(tǒng)性能的影響[11]。

3 結(jié)束語

借助Optisystem仿真平臺(tái)改革光電信息實(shí)驗(yàn)，會(huì)帶來以下優(yōu)點(diǎn)：(1)開設(shè)仿真實(shí)驗(yàn)，利用Optisystem軟件，可以直接使用器件庫里光學(xué)元件構(gòu)建光通信系統(tǒng)，解決了實(shí)驗(yàn)設(shè)備功能固定、擴(kuò)展性差所帶來的問題。利用仿真軟件進(jìn)行系統(tǒng)性能分析，有利于引導(dǎo)學(xué)生對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行探索，提高對(duì)系統(tǒng)性能的全面認(rèn)識(shí)；(2)仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)際操作的結(jié)合，仿真實(shí)驗(yàn)不能完全替代操作性實(shí)驗(yàn)，而應(yīng)作為操作性實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充和延伸。將仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)際操作相結(jié)合，不僅能進(jìn)一步強(qiáng)化操作技能，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果；而且有利于強(qiáng)化工程意識(shí)，改進(jìn)思維模式[12]；(3)提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)意識(shí)，Optisystem仿真打破了硬件電路設(shè)計(jì)的限制，增加了主觀能動(dòng)性，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)創(chuàng)造意識(shí)。