楊彥甫

(哈爾濱工業(yè)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(yǎng)方案中的核心課程，作為“通信原理”的后續(xù)專業(yè)課程，為本科生加強理解并應用“信號與系統(tǒng)”“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(zhì)，在現(xiàn)代信息傳輸體系內(nèi)占據(jù)基礎性的地位，在多個產(chǎn)業(yè)應用場景具有各不相同的系統(tǒng)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(huán)節(jié)，可為實驗環(huán)節(jié)提供系統(tǒng)理解與設計指引，也是進行實驗結(jié)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(huán)節(jié)，通過圍繞典型應用場景強化學生的系統(tǒng)理解深度與設計能力，將為學生后續(xù)科研創(chuàng)新提供重要的能力訓練[1-2]。

雖然國內(nèi)高校在“光纖通信”課程已設置仿真學習環(huán)節(jié)，部分是基于商業(yè)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(xiàn)有仿真教學內(nèi)容需要更新，以應對產(chǎn)業(yè)發(fā)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(fā)展趨勢之下，“光纖通信”課程內(nèi)容正融合越來越多無線通信領域的調(diào)制編碼技術[3]，這將要求“光纖通信”仿真環(huán)節(jié)要開展更具針對性的前沿教學內(nèi)容，突出產(chǎn)業(yè)典型場景下的系統(tǒng)仿真訓練[4]。另外一方面，現(xiàn)有仿真教學的素質(zhì)訓練較為單薄，比較偏重于系統(tǒng)理解與演示，缺乏系統(tǒng)層面的深度理解與設計優(yōu)化環(huán)節(jié)。綜上分析，需要設計面向產(chǎn)業(yè)實際場景且突出系統(tǒng)設計層面的綜合仿真訓練，從而提升課程在通信系統(tǒng)設計、優(yōu)化與創(chuàng)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(shù)據(jù)中心光互聯(lián)與長距離相干光通信兩個重要場景，構建光纖通信系統(tǒng)模型并開發(fā)相應的仿真套件，在此基礎上，開展突出系統(tǒng)設計能力培養(yǎng)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(tǒng)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(tǒng)重要參數(shù)調(diào)整，有助于掌握關鍵參數(shù)與系統(tǒng)性能之間的依賴關系，為系統(tǒng)優(yōu)化提供方向性導引；

(3)通過仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)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(tǒng)仿真模型，以及在已開發(fā)仿真套件基礎上的多層次的仿真教學方法。

1 面向產(chǎn)業(yè)場景的光纖通信系統(tǒng)模型

主要介紹課程仿真所面對兩個應用場景：

(1)面向數(shù)據(jù)中心的短距光互聯(lián)系統(tǒng)；

(2)面向長距離高頻譜效率的骨干光纖通信系統(tǒng)。

前者以強度調(diào)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(lián)場景，為數(shù)據(jù)中心內(nèi)部服務器建立高速光連接，系統(tǒng)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(shù)據(jù)等互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務；而后者使用先進調(diào)制、相干監(jiān)測與數(shù)字信號處理技術，主要用于實現(xiàn)長距離的骨干網(wǎng)、域網(wǎng)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(shù)據(jù)中心的短距光互聯(lián)系統(tǒng)

隨著數(shù)據(jù)中心的蓬勃發(fā)展，數(shù)據(jù)中心內(nèi)部及互相連接迫切需要低成本、低功耗的光互聯(lián)解決方案[5]。目前正在廣泛使用強度調(diào)制直接檢測技術方案：在發(fā)射端使用三種可選調(diào)制格式，分別是脈沖幅度調(diào)制、離散多音頻調(diào)制以及無載波幅度相位調(diào)制，在接收端使用直接檢測實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)化。上述技術方案系統(tǒng)具備系統(tǒng)實現(xiàn)簡單、成本低的優(yōu)點。仿真界面可支持靈活的調(diào)制格式參數(shù)配置，以實現(xiàn)各個格式下的參數(shù)優(yōu)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(xù)的信號處理將圍繞各自調(diào)制格式展開，并根據(jù)實際場景將時鐘提取模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換以及信號處理囊括進來，且提供清晰的參數(shù)配置界面。

圖1 相干光通信仿真界面(a)仿真系統(tǒng)模型圖；(b)仿真參數(shù)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(tǒng)

長距離傳輸光纖通信系統(tǒng)是課程重點討論的對象，主要應用海纜、陸地以及城域網(wǎng)等多個應用場合[3]，目前主要利用高階光調(diào)制、相干光探測以及數(shù)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(diào)制可有效提升系統(tǒng)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(xù)的信號處理的實施，而數(shù)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(fā)射端，構建比特流生成、碼元映射、脈沖整形、非線性調(diào)制補償、光電帶寬受限、調(diào)制器硬件損傷在內(nèi)的仿真模型，將具備模擬現(xiàn)有實際器件參數(shù)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(xù)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(shù)從而進行有效光纖分段，非線性效應可對信道內(nèi)自相位調(diào)制、信道間交叉相位調(diào)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(xiàn)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(yōu)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(tài)擾動及性能起伏功能，為評估分析系統(tǒng)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(shù)轉(zhuǎn)化、數(shù)字信號處理模塊的基本模型，在數(shù)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(shù)配置。此外，該仿真模塊預留增設非線性補償?shù)乃惴ń涌冢瑸楹罄m(xù)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(tǒng)仿真平臺，這有助于學生將課程教學內(nèi)容與仿真模型結(jié)合起來進行系統(tǒng)認知與理解，更一步，可幫助學生深入分析光纖通信系統(tǒng)的性能評估與優(yōu)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(tǒng)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(nèi)容及方法

在認識層面，主要為學生提供光纖通信系統(tǒng)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(xiàn)逐個模塊、逐個環(huán)節(jié)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(tǒng)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(jié)果，來達到加深認知的目的。

2.2 理解層面的教學內(nèi)容及方法

在理解層面，重點使學生達成系統(tǒng)建模、參數(shù)配置、系統(tǒng)優(yōu)化方面的深入理解。學生首先需掌握系統(tǒng)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(chǎn)品指標與模型關鍵參數(shù)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(shù)，分析各個模塊的性能表現(xiàn)，以及各個模塊之間的相互影響與耦合機制。最后在系統(tǒng)整體性能方面，學生掌握全局參數(shù)優(yōu)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(zhí)行、結(jié)果分析、深入思考，來回答課程作業(yè)，從而達到理解層面的教學效果。這部分內(nèi)容主要集中在收發(fā)端性能分析、光纖信道分析、以及數(shù)字信號處理算法的參數(shù)配置等。如圖3所示，紅色框內(nèi)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(tǒng)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?shù)纳疃确抡姝h(huán)節(jié)

2.3 設計層面的教學內(nèi)容及方法

在設計層面，主要結(jié)合現(xiàn)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(chuàng)新過程。例如，圍繞目前短距光互聯(lián)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(diào)性能，以及在相干光通信系統(tǒng)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(zhàn)融入到仿真課程大作業(yè)中，在設定問題背景與具體挑戰(zhàn)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(jié)

通過過去連續(xù)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(diào)查發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)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(fā)了學生仿真探索興趣，并初步掌握利用仿真平臺開展系統(tǒng)設計的基本思路與方法。因此，可以看出，基于持續(xù)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(tǒng)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(yǎng)。通過課程教學反饋分析，該仿真教學環(huán)節(jié)有效提升學生學習興趣與探索驅(qū)動力，促進學生在“原理認知-數(shù)學建模-仿真實踐-系統(tǒng)優(yōu)化與設計”全學習過程的能力培養(yǎng)與鍛煉，這為后續(xù)開展素質(zhì)拓展與科研實踐打下了充分扎實的仿真能力基礎。

3 結(jié)語

以上探討了如何提升學生面對典型產(chǎn)業(yè)應用場景下光纖通信系統(tǒng)設計能力的仿真教學建設方案，圍繞產(chǎn)業(yè)趨勢開展建設了面向短距光互聯(lián)和長距離相干光纖通信的典型光纖系統(tǒng)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(yè)、課后大作業(yè)相結(jié)合的教學內(nèi)容體系。這一更新的教學內(nèi)容與新穎的教學思路，有效提升了學生在光纖通信系統(tǒng)方面的認知水平，較系統(tǒng)地增強了學生在光纖通信系統(tǒng)方面原理理解、性能調(diào)優(yōu)、全局分析能力，比較明顯促進學生開展系統(tǒng)分析與設計創(chuàng)新的學習熱情，為后續(xù)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。