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仿真技术在光纤通信实验教学中的应用.doc
仿真技术在光纤通信实验教学中的应用
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
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