仿真技術(shù)在光纖通信實(shí)驗教學(xué)中的應用論文
摘要:本文將Optisystem和Matlab聯(lián)合仿真技術(shù)引入光纖通信實(shí)驗教學(xué),學(xué)生通過(guò)虛擬仿真技術(shù),更清晰直觀(guān)地進(jìn)行實(shí)驗,并且節省硬件設備投資,取得良好的教學(xué)效果。
關(guān)鍵詞:仿真技術(shù)光纖通信實(shí)驗技術(shù)應用
隨著(zhù)通信技術(shù)的迅猛發(fā)展,光纖通信作為通信專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要必修課程,在培養通信人才能力的角色中扮演著(zhù)越來(lái)越重要的作用[1]。光纖通信是一門(mén)物理學(xué)和通信學(xué)的交叉學(xué)科,其中涉及很多物理學(xué)和通信學(xué)科的基礎理論和基礎知識,這給學(xué)生學(xué)習掌握好這門(mén)課程帶來(lái)很大的挑戰。
光纖通信作為一門(mén)工程學(xué)科,不僅僅教授理論內容,其實(shí)踐內容也占有非常重要的地位。由于資金的限制,電信級的設備無(wú)法購入,因此光纖通信實(shí)驗課基本以試驗箱為主,再配合其他測試儀器完成實(shí)驗教學(xué),這種模式存在諸多問(wèn)題,比如實(shí)驗設備具有使用壽命、易老化;實(shí)驗項目方法單一、缺乏靈活性;很難進(jìn)行綜合性開(kāi)發(fā)、二次開(kāi)發(fā);難以深入了解其內部工作原理等。隨著(zhù)計算機仿真技術(shù)的發(fā)展,國內外高校越來(lái)越重視該技術(shù)在實(shí)驗教學(xué)中的應用,目前各大高校已經(jīng)陸續開(kāi)始建設虛擬仿真實(shí)驗室。本文將Optisystem和Matlab聯(lián)合仿真技術(shù)引入光纖通信實(shí)驗教學(xué)中,不僅克服了傳統實(shí)驗教學(xué)的弊端,還帶來(lái)了實(shí)驗開(kāi)設的便利性、重復性、精準性等優(yōu)勢,取得了良好的教學(xué)效果。
1。Optisystem仿真系統
Optisystem是加拿大Optiwave公司推出的一款計算機仿真系統[2],主要用于光纖通信系統的器件仿真、系統設計等。Optisystem提供了良好的可擴展性,可與Matlab進(jìn)行聯(lián)合仿真,只需要在仿真系統中添加一個(gè)Matlab組件即可,使用起來(lái)方便簡(jiǎn)單[3]。在使用Optisystem與Matlab協(xié)同仿真的時(shí)候,首先要了解Optisystem的信號輸入Matlab工作空間的格式。
其數據格式如圖1所示。
圖1Matlab空間數據格式
由圖1(a)可以看出,Optisystem的信號格式包括“TypeSignal”,字符類(lèi)型,表示該信號的類(lèi)型為光信號、電信號或二進(jìn)制信號;“Sampled”,結構體,Optisystem的信號就包含在該字段當中!癙arameterized”,結構體,參數化字段,表示一些與時(shí)間平均有關(guān)的量,如平均功率、中心波長(cháng)、偏振態(tài)等;“Noise”,結構體,表示噪聲數據;“Channels”,表示該信號的波長(cháng),是指中心波長(cháng)。
如果選擇的是頻率抽樣信號,則Sampled的數據格式如圖1(b)所示。如果選擇的是時(shí)間抽樣信號,則Sampled的數據格式如圖1(c)所示。到底是時(shí)間信號還是頻率信號,由具體問(wèn)題決定。使用Matlab在時(shí)域對信號處理時(shí),就選擇時(shí)域抽樣,否則,選擇頻域抽樣。由圖1(b)、圖1(c)看出,Smapled包含兩個(gè)字段,一個(gè)是Signal字段,該字段是信號在抽樣點(diǎn)的值,另一個(gè)是Frequency或Time字段,該字段是抽樣點(diǎn)的頻點(diǎn)或時(shí)間點(diǎn)。
2。頻域的Optisystem與Matlab聯(lián)合仿真
為了進(jìn)一步說(shuō)明Optisystem與Matlab聯(lián)合仿真技術(shù)在光纖通信實(shí)驗教學(xué)中的應用,用以下例子做說(shuō)明。本部分是頻域的聯(lián)合仿真,第3部分是時(shí)域的聯(lián)合仿真。在本部分的例子中,我們使用Matlab代碼,對連續波激光器的輸出光譜進(jìn)行右移1THz的操作。其搭建的Optisystem系統如圖2所示。
圖2光譜右移Optisystem系統
圖2中,連續波激光器發(fā)出的激光,輸入Matlab組件,使用Matlab組件對其進(jìn)行頻移操作。注意:需要把Matlab組件中的“Sampledsignaldomain”設置為“Frequency”,表示在頻域采集信號。把Matlab組件中的“RunCommand”設置為Matlab腳本的名字。以下是編寫(xiě)的Matlab腳本代碼,名字為frequench_shift。m
OutputPort1=InputPort1;
f=InputPort1。Sampled。Frequency;%輸入光信號的頻譜
OutputPort1。Sampled。Frequency=f+1e+12;%輸出光譜頻率右移1THz
使用光譜儀分別測試連續波激光器的輸出光譜和經(jīng)過(guò)Matlab組件處理過(guò)后的光譜,分別如圖3(a)和(b)所示。
。╝)(b)
圖3(a)連續波激光器光譜;(b)Matlab組件輸出光譜
通過(guò)比較圖3(a)和(b)可以看出,連續波激光器的輸出光譜中心頻率位于193。1THz處,而Matlab組件的輸出光譜位于194。1THz處,這說(shuō)明光譜被Matlab組件右移了1THz。僅僅使用了三行Matlab代碼即實(shí)現了頻移操作,非常簡(jiǎn)潔方便有效。
3。時(shí)域的Optisystem與Matlab聯(lián)合仿真
在時(shí)域的Optisystem與Matlab聯(lián)合仿真中,以光信號的幅度調制為例。搭建的Optisystem系統如圖4所示。
圖4Matlab實(shí)現的光信號幅度調制
在圖4中,連續波激光器輸出的光信號和調制信號輸入Matlab組件,Matlab組件完成對信號的光幅度調制。搭建Matlab組件時(shí),需要設置兩個(gè)輸入端口,其中一個(gè)電端口,一個(gè)光端口。調制信號采用1Gbit/s的偽隨機序列,使用NRZ模塊產(chǎn)生1Gbit/s的NRZ格式的偽隨機序列。把偽隨機序列和連續波激光器輸出的光信號同時(shí)輸入Matlab組件,用來(lái)產(chǎn)生幅度調制光信號。對于光信號的幅度調制,其數學(xué)表達式為:
Eout(t)=Ein(t)。[modulation(t)]1/2
其中Eout(t)是輸出的光幅度調制信號,Ein(t)是輸入的連續波光信號,modulation(t)是調制電信號。
Matlab腳本代碼如下,名字為am。m
OutputPort1=InputPort1;
[is,cs]=size(InputPort1。Sampled);
len=length(InputPort1。Sampled);
forcounter=1:cs
OutputPort1。Sampled(1,counter)。Signal=。。。
InputPort1。Sampled(1,counter)。Signal。*。。。
sqrt(InputPort2。Sampled(1,counter)。Signal);
end
。╝)(b)
圖5(a)偽隨機序列時(shí)域波形;(b)光幅度調制時(shí)域波形
運行Optisystem系統,進(jìn)行仿真,仿真結束,使用電域示波器(OscilloscopeVisualizer)觀(guān)測1Gbit/s的偽隨機序列NRZ碼時(shí)域波形。使用光域示波器(OpticalTimeDomainVisualizer)觀(guān)測Matlab組件的輸出時(shí)域波形,如圖5所示。
其中圖5(a)是偽隨機序列的時(shí)域波形,圖5(b)是經(jīng)過(guò)Matlab處理之后的光幅度調制時(shí)域波形。通過(guò)對比圖5(a)和(b)可以知道,使用Matlab組件實(shí)現的幅度調制器,能夠正常地把偽隨機序列碼調制到光波上,從而實(shí)現數字光信號的幅度調制。
4。結語(yǔ)
本文以Optisystem和Matlab聯(lián)合仿真為例,介紹了仿真技術(shù)在光纖通信實(shí)驗教學(xué)中的應用。通過(guò)頻域聯(lián)合仿真和時(shí)域聯(lián)合仿真兩個(gè)實(shí)例,分析了在Optisystem中如何使用Matlab組件進(jìn)行聯(lián)合仿真。使用聯(lián)合仿真技術(shù),可以大大拓展Optisystem的使用范圍,學(xué)生通過(guò)使用仿真技術(shù),不僅能夠把課堂上學(xué)習的理論知識應用于實(shí)踐,知其然也知其所以然,還能夠鞏固學(xué)習效果,提高能力,為培養應用型人才打下良好的基礎。
參考文獻:
[1]王秋光,張亞林,胡彩云,趙瑩琦。 OptiSystem仿真在光纖通信實(shí)驗教學(xué)中的應用[J]。實(shí)驗室科學(xué),2015(2)。
[2]韓力,李莉,盧杰;贠ptisystem的單模光纖WDM系統性能仿真[J]。大學(xué)物理實(shí)驗,2015(10)。
[3]趙贊善,羅友宏,謝嬌。 Optisystem中Matlab Component模塊的擴展應用[J]。電信技術(shù),2012(12)。
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