基于MATLAB的“光纤通信”教学改革探索

向练 邵卫东

【关键词】光纤通信;MATLAB;教学改革

2020年3月4日中共中央政治局常务委员会召开会议，会议强调要加快5G网络、数据中心等新型基础设施建设进度。光纤通信作为有线传输网的首选通信方式，自20世纪80年代以来在全世界得到广泛应用，随着各种新技术的不断提出，光纤通信的发展极为迅速，新的理论和技术不断产生，通信容量不断取得新突破。近年来，随着云计算、大数据、人工智能、物联网等热门技术的大规模应用，数据量呈现出指数级增长态势。根据思科预测，2025年全球数据流量将会从2016年的16ZB上升至163ZB，意味着光纤通信容量面临着更高挑战，势必会进一步促进国内光纤通信技术的快速发展，企业对于光纤通信技术人员的需求也将大量增加，同时，对相关专业人才的素质提出了更高要求。

上世纪70年代，随着低损耗光纤研制的成功，光纤通信逐渐从基础研究转向了商业应用，从而得到了迅猛发展。伴随着光纤通信技术的发展，产业结构的不断完善，国内逐渐构建了体系完备、逻辑严密、特色鲜明的教学体系。光纤通信课程不仅注重基础理论的学习，而且由于其直接面向相关产业。与实际应用也同样联系紧密。因此该课程的覆盖内容非常广泛，包括了光源、光发射耦合、光传输、光放大、光接收评价及光网络等部分，系统全面地介绍了光纤通信系统的各个部分。光纤通信课程是面向高等院校电子通信工程专业的一门非常重要的专业基础课程，以培养具有扎实理论基础的高素质专业人才为基本目标。该课程全面涵盖了光纤通信过程中的各种基本知识和物理原理，从数字、模拟光纤通信系统，光纤通信技术等角度对这些知识进行全面讲解，涉及广泛的专业知识，如光学、普通物理、电磁场与电磁波、通信原理、数字电路和模拟电路、数字信号处理等，是专业类基础课程所学理论知识在具体领域的综合应用。这门课程具有内容复杂、概念比较抽象、基础理论学习要求较深、不容易理解的特点，给学生的学习带来了很大的困扰，学习积极性不高，使得教与学的难度比较大。目前在该课程的教学过程中主要存在以下几个方面的问题：

1、教学模式陈旧。该课程所涉及的内容较多，教学压力大，因此导致教学过程中老师容易墨守成规、照本宣科，按书本上的章节机械讲解，忽略了与学生的互动。长此以往，学生就会误认为光纤通信就是和众多理论课程一样，是一门偏重数学推导和计算的课程，而忽略了光纤通信课程与实际产业应用之间的非常紧密的联系，从而导致学生认为本课程对于现实工作实践指导意义不大。

2、教学内容重点不突出。不同学校，不同专业的学生，其数学和物理基础参差不齐，而光纤通信课程本身与诸多专业知识紧密相连，如物理光学、半导体材料、光电子学、光刻技术等，大量知识点都是建立在诸多理论的物理概念和数学模型上的。如果学生在此之前对这些课程没有一定的学习基础，对一些基本原理，如数字通信原理、光电转换原理、半导体器件的导电机制等没有理解或根本没有学习过的话，那么学生对光纤通信这门课程知识点的学习和理解将会遇到很大的困难。此外，通常工科类专业的学生，容易忽略对物理机制的学习思考，而是更注重实际动手操作的能力。这会导致学生对物理概念的理解，以及数学模型的推导能力相对较为薄弱，从而导致学生在听课或自我学习时感到抽象乏味、晦涩难懂，很难理解一些概念和数学公式的本质含义，而仅仅是死记硬背，难以真正理解其中的原理，导致知其然不知其所以然。因此对不同专业的学生，需要了解其所学的基础课程，针对性地制定不同教学重点，例如通信工程相关专业的学生有較好的电磁场理论背景知识，因此上课的时候可以对光在光纤中传播时的波动理论进行重点讲解。把握光纤通信的本质。而其他专业无相关理论知识的学生可适当弱化此部分内容的讲解，循序渐进，逐步强化。

3、教学手段单一。由前面提到，光纤通信课程涉及的知识面非常广泛，内容多，信息量大，教师在课堂授课时容易变成传统的通过板书进行原理讲解和公式推导。这种单一的教学手段很难让学生理解其中的原理和意义。也无法与实际应用相结合，使得学生对此课程的学习感觉乏味、枯燥，毫无新鲜感，无法提高对课程学习的兴趣。此外如果老师按传统单一的教学手段进行讲解，教学过程中与学生的互动效果很难体现，由于光纤通信课程比较难懂，一些学生即使没有听懂也不敢提问，并且有些学生知识储备不全面，缺乏自信心，从而不知如何提问，再加上传统教学手段互动性弱的特点，导致学生的学习兴趣会逐渐降低。

4、实验方式存在一定的缺陷。大多数学校开设的光纤通信实验是在制作好的实验箱上进行，该类实验学生完全不需要理解实验原理，只需按照指导书进行简单操作，按部就班地打开开关，插线，使用模块就可以得到实验结果，对结果也不能够很好地进行分析。这往往会导致学生做完实验后依然不懂如何用已学的实验原理对实验现象进行合理解释，更谈不上实验的拓展和设计，实验效果不理想。这种机械的实验方式很难激发学生的实验兴趣，也必定导致对学生创新能力培养的缺失。另外，通常实验箱中的模块和整个实验结构在生产出来时就已经设计好固定不能改变了，这导致大多数实验器件的参数不可调动，因而很难对实验内容进行扩展，不利于培养学生的实验兴趣和创新思维。而且很多同学没有规范地使用实验箱，再加上电子元器件随着使用年限的老化，导致很多实验结果并不理想且实验设备也会有不同程度的损坏，后续需要投入充足的经费进行维护和改善，这将使得实验室的投入成本比较高。

随着计算机的普及，使用软件仿真进行辅助教学，能有效解决传统教学中存在的一些问题。近年来，MATLAB软件在诸多课程中被用来辅助教学，也取得了很好的教学效果。MATLAB是由美国Mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的计算机高级计算平台，广泛应用于科研学术和工程应用中的系统模拟和仿真计算。它将数值分析、矩阵计算、数据可视化和非线性动态系统建模仿真等强大功能集成在一起。具有强大的工程应用开发环境，其编程方式自由，简单易学，为科学研究、工程设计等众多领域提供了一种全面解决方案。光纤通信课程中有很多数学计算和理论推导，如果通过MATLAB软件来展示公式的推导过程和结果，并利用其可视化的特点进行绘图，可以使教学内容中抽象物理原理具有更加清晰、形象的视觉效果。这样可以充分调动学生的感性认识，使学生快速地在大脑中形成清晰的记忆点，从而加深对教学内容的印象和理解，达到事半功倍的效果。针对MATLAB软件的特点，可在光纤通信课程中利用的功能如下：

1、利用MATLAB强大的数学计算和数据可视化功能，可以形象直观地展现一些抽象的数学公式和物理原理，例如通过MATLAB图形演示光信号的调制解调过程。强化学生的视觉印象，从而加深学生的理解。

2、利用MATLAB的Simulink可视化仿真工具，开设光纤通信辅助实验。在Simulink工具界面中有一个建立模型方块图的图形用户接口（GUl），可以直接调用和建立图像化的系统模块，并且模块参数多维度可调，将各种系统模块进行简单连接就可以建立一个直观明了、功能丰富且功能强大的系统模型。通过这种方式使得原本价格昂贵的实际光纤通信系统变成简单直观，且无任何使用成本的灵活仿真系统，同时仿真结果实时可查，系统参数多角度可调，非常有利于系统的扩展和设计。而传统的实验箱模块系统结构固化，参数固定，成本昂贵，实验效果不稳定，实验内容难以延伸和灵活设置，不利于学生对实验原理的理解和创新能力的培养。与此相比较，利用Simulink工具可以不受实验设备、条件和时间的限制，学生利用空闲时间可自行在电脑上完成，提高光纤通信实验的灵活性。

3、利用MATLAB软件的编程功能，通过对一些公式的编程进行图形展示，加强对光纤通信中公式和基本原理的理解，同时提高学生的基础编程能力，增加了传统教学手段。

在光纤通信中，损耗和色散是限制信号传输距离和传输容量的两个重要因素。损耗使得光脉冲在传输过程中能量逐渐衰减;而色散会导致光脉冲在传输过程中展宽，导致码间串扰，提高误码率。本节以光纤通信中损耗和色散为例，说明如何在光纤通信课程中利用MATLAB仿真软件来进行辅助教学。

在单模光纤中光脉冲的传输会受到光纤衰减、群速度色散和方向非线性的影响。对脉宽大于5ps的光脉冲，其在光纤中传输的演变过程可由非线性薛定谔方程（NLSE）来描述：

这表明此時光脉冲的形状并不会变化。只会受到光纤损耗的影响，信号幅值成负指数形式衰减，其光功率的变化如图1所示。由图中可以直观看出光信号功率并不是随着传输距离的增加而线性降低的，而是在传输前段衰减迅速。传输后段衰减速度逐渐放缓，通过编程绘图可以让学生加深印象。

2、光纤色散。当光纤长度时，非线性对光脉冲的影响可以忽略，此时光信号主要受群速度色散的影响。若不考虑光纤损耗，此时公式（1）可简化为：

图2（a）中显示了初始入射高斯光脉冲与传输50 km后的光脉冲的对比图，（b）图中显示了光脉冲随着传输距离的增加，受色散影响后逐渐展宽的过程。相比于传统的通过公式（4）和（5）来介绍光纤群速度色散，通过图2的图形展示可以生动形象的更好解释群速度色散对光脉冲的展宽过程，加深学生对此概念的理解。

对公式（7）的求解和编程绘图可以布置成作业，引导学生进行仿真算法的研究，提高学生的编程动手能力，同时加深对光纤非线性概念的理解，从而对光脉冲在光纤中的传输演化过程有深刻的理解。这种效果是在传统的光纤通信教学和简单实验中难以达到的。

本文通过引入案例说明了MATLAB在辅助光纤通信教学的重要作用。通过案例分析可以看出。采用MATLAB进行辅助教学能直观地将枯燥乏味、难以理解的数学公式进行形象展示，不仅可以强化学生的视觉印象，加深公式和基本原理的理解，而且可以提高光纤通信实验的灵活性，增强学生的基础编程能力。因此，采用MATLAB对光纤通信课程进行辅助教学改革，既能将抽象概念形象化，增强老师教学和学生学习效果，又能锻炼学生动手能力，拓展学生的学习思维，培养创新意识，对光纤通信课程教学升级有重要意义。