OptiSystem在光纤通信实验教学中的应用

段武

【摘要】 光纤通信技术是当代通信技术发展的最新成就，在信息传输的速率和距离、通信系统的有效性，可靠性和经济性等方面取得了卓越的成就。使通信领域发生了巨大的变化，已经成为现代通信的基石，是信息时代的主要物质基础。本文结合自己的实际教学经验，着重对光纤通信实验教学中使用OptiSystem仿真软件进行简要分析。

【关键词】 光纤通信 OptiSystem 实验教学

光纤通信以其独特的优越性、极大的传输容量而成为当今世界信息传输的主要手段，并已获得了普遍应用。《光纤通信技术》是“通信工程”的一门专业必修课。该课程以讲授光纤通信的基本概念、基本原理和基本分析方法为主，在开设理论课的同时也开设了光纤通信技术实验课程。本文主要分析了在实验设备缺乏的情况下，如何使用OptiSystem仿真软件开展光纤通信技术实验。

一、光纤通信实验教学的现状

红河学院是2003 年 4 月，经教育部批准，由蒙自师范高等专科学校和云南广播电视大学红 河分校合并组建的省属综合性普通本科院校。2010年红河学院经省教育厅批准开设通信工程专业。到目前为止已有一届毕业生，专业学生人数达400人。

目前《光纤通信技术》课程存在的一个亟待解决的问题是理论与实践环节的严重脱节。光纤通信实验室还没有开始建设。各种实验设备及器材相当缺乏。譬如最基本的光功率计，光纤活动连接器，LED光源，LD激光器，PIN光电检测器，APD光电检测器等一系列实验设备缺乏。严重影响了理论及实验课程的讲授。在短时间内要建设光纤通信实验室需要大量财力，物力，人力。

為了解决实验设备不足的问题，借鉴了其他高校的先进思路。通过软件仿真的方法弥补实验硬件的不足。将业内领先的光通信仿真软件OptiSystem应用到《光纤通信技术》课程教学中。OptiSystem可以帮助用户规划、测试和模拟几乎传输层所有的光纤系统，包括局域网、城域网和广域网，也提供了从组件到系统各个层面的传输层光通信系统设计和规划，并仿真出分析结果和应用。

二、OptiSystem仿真软件在实验教学中的应用

2.1 OptiSystem简介

OPTIWAVE公司成立于一九九四年，总部位于加拿大，是光纤通信领域中从事光通信系统、光纤与光子学元器件模拟设计软件开发的国际著名公司。目前，OptiWave拥有一千多个用户，遍及全球四十多个国家和地区。这些用户包括通信器件生产商，国内国外一些著名的大学及研究机构等等。OpticWave公司产品不断发展完善，其推出的模拟软件功能强大，界面友好，操作方便，OptiSystem光通信系统与放大器设计软件是该公司的主要产品。OptiSystem可以完成WDM/TDM或CATV网络设计、SONET/SDH设计、发送端、通道、放大器和接收器设计、误码率估算以及对不同接收模式的系统性能估算、放大器系统的误码率以及链路预算估计。其强大的功能完全可以满足日常的教学需要。OptiSystem还提供丰富的器件库、Optiwave系列软件之间的整合、混合信号表达、质量与性能法则、高级工具与数据检测、分级仿真子系统、强有力的脚本语言、强大的数据计算流、生成页面报告与物料成本等功能。OptiSystem在其最新版本中还加入了WDM-PON、无源网络（PON） 、FTTx、无线光通信（OWC）、光纤无线电（ROF）、双向AWG、微波组件、MLSE（极大似然估计）、自由空间光通信（FSO）、空间以及极坐标图、高级分析工具与S参量提取等新功能。

2.2 OptiSystem在实验教学中的实例分析

光的波分复用技术（WDM）是光纤通信技术中的核心技术之一。WDM是指将两种或多种各自携带有大量信息的不同波长的光载波信号，在发射端经复用器汇合，并将其耦合到同一根光纤中进行传输，在接收端通过解复用器对各种波长的光载波信号进行分离，然后由光接收机做进一步的处理，使原信号复原，这种复用技术不仅适用于单模或多模光纤通信系统，同时也适用于单向或双向传输。在实物的实验教学中需要光源（LD）、光波长转换器（OTU）、光波分复用（解复用）器、掺铒光纤放大器（EDFA）、光交叉连接设备（OXC）等设备。而使用软件仿真则只需一台计算机及仿真软件即可完成实验。

使用OptiSystem软件进行仿真的基本过程如下：1、熟悉实验原理，熟练掌握OptiSystem的基本操作。OptiSystem软件界面如下图一。2、构建实验框图。使用元件库中元件建立仿真框图，包括元件之间的连线。3、参数的合理设置。对各个元件包括测量器件的参数做设置。这一步直接关系到仿真结果的显示及数据的分析。4、运行仿真程序。运行过程中可能会报错，需要综合分析整个仿真过程以解决错误。5、最终运行仿真程序无错误，可以查看各个测量器件的显示结果并与实验原理进行比较从而完成实验数据的分析。

下面对两个波长的波分复用进行仿真。实验框图如图二。发射端光源为两个连续激光器CW Laser，频率分别为193.1THz、193.2THz。采用伪随机码发生器产生二进制比特序列、也可以使用用户自编比特序列发生器。二进制序列经非归零编码器后进入马赫-曾德尔调制器中对光波经行调制。调制光进入波分复用器耦合进入一根光纤进行传输。在光的频域分析仪中可以看到两个频率的光波，如图三。光波经过50km传输后进入掺铒光纤放大器EDFA中进行放大，可选择功率控制，增益为20dB。光波经三次循环后传输150km。接收端光波经过解复用器后分离为两束光波，经过PIN光电检测器，及滤波器后可以看到示波器上的波形显示，如图四。全局参数如下：Bit rate（比特率）=10 Gbit/s，Bit sequence length（比特序列长度）=8 bit，每比特采样64次。

2.3 使用OptiSystem软件仿真的优点

通过实例我们可以看出软件仿真在硬件实验条件缺乏的情况下具有很强的实用性。能在短期内，以较小的资金投入取得一定效果，服务教学及科研。普通高校只需建设软件仿真实验室，通过软件仿真即可以实现复杂通信系统的简单演示。具有直观，简单，易于实现的特点。使用通信行业内领先的光纤通信仿真软件OptiSystem能更好的为教学科研服务。毕业生也可以通过OptiSystem完成自己的毕业设计。但是，从长远上看软件仿真终究不能完全替代实物实验，而只能作为硬件实验的很好的补充。终究还是需要建设硬件实验室已解决实验环节的教学工作。

三、 结语

光纤通信技术在通信工程本科教育中有着非常重要的地位，为今后通信网的建设打下基础。而光纤通信技术实验显得更为重要，使学生能将理论结合到实际应用中。本文分析了新建本科院校在实验条件不足的情况下如何应用软件仿真解决实验教学的情形。为光纤通信技术实验课程开辟了一条新的路径。