軟件對光纖通信教程的影響范文

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Matlab和Optisystem仿真軟件的特點

Matlab是一種廣泛應用于工程計算和系統仿真的新型高級語言，將數值計算和可視化集成在一起，具有優秀的工程應用開發環境，其編程方式自由，簡單易學，可以通過編寫腳本或者函數文件實現用戶自己的算法，有利于算法開發和建模仿真等．而Optisystem進行仿真主要偏重系統方面，可以按照具體的物理概念直接建立仿真模型，可以根據需要對每個模塊設定具體參數，并且能夠對所建立的數學模型進行直觀地分析和仿真，并且仿真界面簡明生動，非常適合作為光纖通信系統的綜合實驗平臺．

仿真軟件輔助光纖通信教學

1Matlab編程應用于光纖通信教學

在本門課程的學習過程中，由于涉及到的數學處理比較復雜，學生學習起來普遍感到困難，如果恰當地使用可視化的界面以展現數學公式的物理圖像，使其變得直觀、形象，使學生獲得感性認識，縮小理論與實際的差距，縮短學生的認識過程，則提高課堂教學質量．而Matlab編程仿真可以有效的彌補這一缺陷．

例如在光纖的模式理論一節，涉及到光纖模式的大量數學推導，教材中一般是通過麥克斯韋方程，經過復雜的推導過程，最后給出光纖中傳導模式的特性方程、場分布等結果，公式推導過程繁瑣、結果抽象，理解起來復雜．為解決這一問題，我們在課程教學中引入Matlab軟件，自寫程序繪制典型的模場分布圖，達到了抽象的問題形象化，如圖1所示，給出了不同形式的線性偏振模(LP模)三維立體圖像和橫截面模場分布形式．將Matlab與光纖通信的公式推導相結合，通過編程和仿真，使學生更好地理解了公式的實際意義，也使得公式的推導不再變得枯燥無味．將Matlab數學建模引入光纖通信教學，可以讓學生參與編程，讓學生進一步搞清數學公式與物理概念的內在聯系，把Matlab程序設計語言的學習，變成了對問題求解所采取的探究行動，使教材中枯燥繁瑣的理論分析結果可視化．相對于繁瑣的公式推導來說，可視化的圖形更能調動學生的學習興趣和積極性，更能吸引學生的注意力，增強學生的課堂學習主動性，從而使學生輕松地理解掌握教材中的理論知識，達到提高教學質量的目的．同時在Matlab編程過程中，學生需要查詢資料、互相探討，無形中也提高學生實際動手能力，培養其合作和創新的能力．

2Optisystem系統仿真應用于光纖通信教學

利用Matlab語言編程來進行實驗，要求學生有較強的數學思維能力，能夠對公式和復雜的理論知識進行建模．相比而言，Optisystem則適合于對整個光纖通信系統鏈路的仿真設計，系統模型的搭建操作簡單，界面完整形象，有利于引導學生進行更復雜的系統探索和分析．例如色散是光纖的一種重要的光學特性，在高速光纖通信系統中，光纖色散是不可忽視的因素，色散使得輸出光信號脈沖被展寬，這樣就限制了通信容量和傳輸距離，解決色散問題的辦法之一是利用色散補償光纖進行色散補償，則通過Optisystem軟件可以構建這一通信鏈路，如圖2所示．

學生在仿真的過程中，可以自由設定各個通信模塊的參數，從而對整個通信系統有一個直觀的印象．通過點擊圖中的示波器和頻譜儀，了解到各個通信節點處的波形和頻譜特點，如圖3所示．從輸出波形中可以看到輸入的初始脈沖在通過10km的常規光纖后，脈沖展寬，中心功率降低，發生色散現象，然后通過1km的色散補償光纖后，最終的輸出脈沖回到原來的狀態，色散被完全補償．另外通過各個節點的頻譜儀可以看出，色散僅僅影響脈沖時域波形，不會引入新的頻率成分，頻譜在傳輸過程中保持不變．又例如波分復用(WDM)系統，它是現行光纖通信系統的主要架構形式，由于硬件平臺的限制，傳統的實驗箱教學不易對整個系統進行構建．而通過Optisystem仿真軟件可以很方便地搭建密集波分復用系統(DWDM)的仿真模型，并通過運行模擬，對系統中各個通信節點處的傳輸性能實施實時監測，模擬中各通信模塊所采用的參數可以為實際規劃WDM系統提供可靠的參考依據．

如圖4所示，用Optisystem軟件設計的一個4通道的DWDM長距離傳輸系統，復用器的左側是各個通道的間接調制發射系統，采用了馬赫曾德調制器．解復用器的右側是通信的光接收系統，可以用眼圖分析儀來分析通道的性能指標，而中間部分設置了在線放大器———摻鉺光纖放大器(EDFA)，其目的是為了減少光纖傳輸損耗的影響．學生通過這個模型的搭建和仿真，理解和鞏固了比如間接調制、眼圖、EDFA等有關DWDM方面的知識，綜合能力得到提高．波分復用技術，是以光波為載波，在同一根光纖內同時傳輸多個不同波長的光載波信號的技術，每個波長的光波可以單獨攜帶語音、數據和圖像信號．如圖5所示，學生通過點擊波復用器后的光譜分析儀，就可以了解到4路光信號傳輸時的波長復用情況．

結論

將Matlab/Optisystem軟件仿真與光纖通信課程教學相結合，使枯燥難懂的理論知識形象化，增強教學的直觀性，同時培養學生的學習興趣和創新能力．在光纖通信教學中引入軟件仿真，有如下優點:1)Matlab數學建模，使學生參與編程，可以讓學生深入了解公式與物理概念的內在實質，使教材中復雜理論分析結果可視化．2)Optisystem軟件提供一個動態系統建模、仿真和綜合分析的集成環境，將光纖通信系統鏈路以直觀的方框圖方式呈現，使學生對通信系統中涉及到各個模塊有了深刻的體會，有利于今后的工程實踐．3)Matlab/Optisystem仿真解決傳統實驗教學平臺的困境，為光纖通信課程開辟了一個直觀簡易的操作空間，使學生提高了實驗的自主性，增強了學習的興趣．

作者：汪徐德李素文竇德召姜恩華單位：淮北師范大學物理與電子信息學院