软件仿真平台在光纤通信实验教学改革中的应用

2020-01-13叶振忠

实验室研究与探索 2019年12期

李茜，叶振忠

(天津大学电气自动化与信息工程学院电气电子国家实验教学示范中心，天津 300072)

0 引言

光纤通信实验在光纤通信课程中是一门必不可少的实验课。光纤通信理论课程中公式推导繁琐，涉及的内容复杂[1-2]。实验课的开设是为了便于学生在理论学习的过程中更直观地理解一些比较抽象的概念。但是目前光纤通信实验课程主要是实验箱的操作，学生根据实验要求按部就班的连接线路，最后观察实验结果。但对于实验结构原理并不能很好地理解，并且线路连接也很简单，学生感觉枯燥乏味[3]。因此针对当前问题，实验小组提出了实验创新改革，建立一个可视化软件教学仿真平台来丰富课堂内容，提高学生兴趣[4-7]。仿真平台的设计以学生为主，教师为辅，让学生深入理解光纤通信的相关特性以及光纤通信仪器的介绍与使用。

1 仿真平台的设计思想

首先，仿真平台的框架设计由实验教师完成，利用Matlab的人机交互界面(GUI)制作一个界面友好、操作方便的图形可视化用户界面的仿真平台。然后，教师给学生讲解Matlab界面设计的方法，设计的具体内容由学生自行完成，内容包括对光纤通信相关特性的展示、光纤通信性能参数的测量以及光通信仪器的展示与使用说明等。最后，将学生的设计内容放到仿真平台上，在人机交互界面通过相应的按钮显示仿真结果，观察和分析各个特性和数据。学生通过对内容的设计来达到对光纤通信理论课程更加深入的理解。

2 仿真平台的设计过程

利用Matlab图形用户界面(GUI)设计平台框架。GUI又称人机交互界面，是一种提供人机交互的工具和方法，用户利用GU I可以很快速地设计一个方便使用者与计算机进行交流的界面[8-9]。

平台框架主要包括光纤的特性参数测量、仪器图片展示和说明、特性曲线的绘制3个模块，在软件设计中分别用test、picture、plot来表示。第1个模块是光纤的特性参数，主要有传输特性、几何特性和光学特性。在光纤通信系统中，当使用的条件发生变化时，几何特性和大部分光学特性基本上是稳定的，但也有一些特性如损耗、截止波长等在不同条件下使用会受到一定程度的影响。因此在设计中要求学生只对一些受使用条件影响的特性参数进行设计；第2个模块是仪器图片的展示，让学生收集光纤通信教程中所提到的光纤通信仪器，掌握其用途和使用方法；第3个模块是特性曲线的绘制，让学生自行绘制教程中的某些特性曲线，掌握其原理。

2.1 主界面的设计

教师将3个模块中的内容分发下去，学生可以自行分组选择内容进行设计，最后在教师的引导下将3个模块联系起来就是这个GUI的主界面，该主界面有1个静态文本，3个命令按钮。

设置静态文本的String为光纤相关特性仿真平台的设计。设置命令按钮的FontSize为10，其String分别是为test、picture、plot，其Tag分别为pushbutton1、pushbutton2、pushbutton3。调整好的界面如图1所示。保存并命名为main.fig，学生设计好主要的3大模块后，就可以把test.m、pic.m、property.m作为函数来调用。

2.2 参数测量模块的设计

学生设计的部分是test.m、pic.m、property.m 3块。Test部分以损耗、色散、截止波长、中继距离为主。

图1 主GUI界面的设计

学生需要很好地掌握这几个参数的测量原理和公式才能进行设计。每一个参数可以安排2或3名学生为一组进行设计，如损耗，在图形用户界面加入如下控件：6个静态文本，分别显示“损耗”“α=10/L*lg(P1/P2)”“P1(W)”“P2(W)”“L(km)”“α(dB/km)”；4个文本框，分别是输入功率P1，输出功率P2，测量长度L，损耗系数α；1个推按钮，显示test：α，其作用是点击它时，调用它的回调函数以完成损耗系数的计算。然后设置各控件的Fontsize属性，设置控件的ForegroundColor属性，调整控件间的距离，设计图见图2。

图2 测量损耗的GUI界面设计图

同理，根据色散、截止波长、中继距离的公式以及上述界面的设计方法，可以设计出色散、截止波长、中继距离的界面图，最后将几个界面组合到一个界面，加上一个静态文本，显示“参数测量”，再加上一个清零的命令按钮，显示“clear all”，单击它时所有数据会清空。为了方便用户操作GUI，在界面上输入数据时经常使用Tab键选择控件，所以一定要设置好Tab操作顺序，从画布界面的“Tools”菜单中选择“Tab Order Editor”对话框。设置Tab顺序非常简单：选择要改变位置的控件，此时上箭头或下键头可用，单击可用的箭头，被选控件被移到相应的位置。设置各个按钮的属性，保存并命名为test.fig，分别在相应的按钮的callback下编写M语言程序，调整好的GUI界面如图3所示。

2.3 光纤通信器件展示的界面设计

光纤通信教材中提到了很多光纤器件，但是并没有给学生呈现出器件的实物，让学生对器件感到很陌生，因此这个部分的设计就是让学生很清楚地去认识这些光纤器件，并了解这些器件的用途和使用。这里主要以光源器件、光检测器、光纤放大器、施工及测量器件、光无源器件为例，设计一个图片浏览器的仿真平台。

图3 参数测量的GUI界面设计图

学生通过自己的搜索会查找到很多器件的图片，如果按测量方法设计，费时又费力，所以图片浏览的人机交互界面引入了一个下拉框和一个列表框，利用这两个控件就可以在一个坐标轴中显示不同的图片，此外还有一个推按钮、一个轴对象、一个文本框、一个静态文本。调整好的GUI界面见图4，保存并命名为pic.fig。图5所示为学生设计出的器件展示仿真平台显示的效果图。

图4 器件展示的GUI界面设计图

2.4 光纤特性曲线绘制的界面设计

在光纤传输系统中，距离延长、容量扩大、速率提高都与光纤损耗、色散效应、非线性效应等特性密切相关[10-15]。这部分的设计主要让学生掌握光纤通信的一些简单特性。特性展示的人机交互界面有1个静态文本、1个下拉框、1个命令按钮、1个轴对象，如图6所示。学生需要充分理解相关特性的原理，根据公式推导，找出哪些参数是变量，绘制的波形图可随哪些参数进行变化。通过设计后能够更加清楚地掌握光纤通信的相关特性。图7为学生设计出的部分特性曲线绘制在仿真平台上的效果图。

(a) 雪崩光电二极管

(b) 光纤熔接机

(d) 半导体激光器

3 结语

仿真平台的设计在光纤通信实验改革创新中取得了很大的成功。从整个实验过程可见，学生能主动积极地在实验中发现问题, 解决问题。充分培养了学生分析问题、解决问题的能力。学生通过对该仿真平台的设计，可以将光纤通信这门课中所涉及的内容进行可视化表达，也充分体现了以学生为主的这种互动式教学模式。实验教学的改革创新是一项艰苦而长期的工作，需要不断地进行探索。该软件平台的开发设计还可以应用到课堂教学、课程设计、毕业设计中，来激发学生的学习兴趣，提高教学质量。