仿真光纤通信论文

摘要：光纤通信是构建现代通信网主要的传输手段之一。根据“光纤通信”课程特点，引入MATLAB和OPTISYSTEM仿真软件，将实验箱教学和软件仿真教学有机结合，大大增强了学生学习的主动性和积极性，有效地改善了实验教学效果，为培养创新型人才打下了坚实的基础。以下是小编精心整理的《仿真光纤通信论文(精选3篇)》，供大家参考借鉴，希望可以帮助到有需要的朋友。

仿真光纤通信论文 篇1：

OptiSystem仿真在光纤通信实验教学中的应用

摘 要： 介绍了光纤通信实验教学中的5个OptiSystem仿真实验，给出了每个实验项目的仿真模型及模型中的参数设置，简要分析了仿真实验结果。结果表明，OptiSystem仿真实验有利于学生对光纤通信课程教学中抽象的理论知识的理解。

关键词： OptiSystem； 光纤通信； 仿真； 实验教学

0 引 言

光纤通信是一门理论性和实践性都很强的电子信息类专业课程，涉及光学、电磁场及通信等多方面理论基础知识和光纤光缆、光器件光端机、光纤通信系统设计及网络等实践应用问题。光纤通信实验一方面可以帮助学生直观形象地理解抽象繁冗的理论教学内容，另一方面用以提高学生的实际工作技能，为从事实践技术工作奠定必要基础。光纤通信实验的内容通常有：光纤接续、OTDR测量光纤参数、LD（LED）光谱特性测量、光纤接收发送系统实验等[1-2]。从帮助学生理解理论教学内容的角度看，采用OptiSystem仿真技术更具优势[3-4]。OptiSystem是一款创新的、发展迅速的强大软件设计工具，用户可使用该工具对从 LAN、SAN、MAN 到超长距离等众多光网络的广谱物理层中的几乎所有光学链路进行规划、测试仿真。它可以提供从元件到系统级别的传输层光通信系统设计和规划，并且能够直观地呈现分析和方案，可以最大程度地降低时间要求和光学系统、链路和元件的设计相关成本[5]。

1 OptiSystem仿真实验

为配合光纤通信课程教学内容的学习，本研究选取了光纤的色散[6]、激光器的调制频率特性、掺铒光纤放大器、光接收机及WDM系统[7]等5个OptiSystem仿真实验。

1.1 光纤的色散实验

光纤介质的非线性使接收的光脉冲包络的形状会发生变化，引起传输波形的展宽。本研究用以考察光纤的群速度色散（GVD）对高斯脉冲传播的影响，仿真模型如图1所示。在仿真模型中：Bit rate=40 Gb/s；Optical Fiber参数：length=2.812km，Reference wavelength=1550nm，Beta2=-20（ps）2/km。

仿真结果：输出脉冲宽度T（z）随传播方向z按公式（1）增加，输出峰值功率按公式（2）变化。

光纤的群速度色散（GVD）对高斯脉冲传播的仿真结果如图2所示。由图2可以看出，输出脉冲比输入脉冲展宽了，而峰值下降了。

1.2 激光器的调制频率特性实验

在高速光纤传输系统中，当对半导体激光器进行直接调制时，调制频率必须小于激光场的弛豫频率，而弛豫频率随半导体激光器的偏置电流的增大而增高。通过这一实验可以观察当偏置电流变化从而改变弛豫频率时，高速光纤传输系统的性能变化情况[8]，仿真模型如图3所示。图3中，Ith=33.45mA，τsp=1ns，τph=3ps，I0=IB=40mA，Sequence length 128 bits，Samples per bit 512。

仿真结果：在直接光强度调制下弛豫频率与有源区内的电子寿命和谐振腔内的光子寿命的关系为

根据仿真模型设定的参数可以得到弛豫频率fres≈1.3GHz。图4给出了系统性能与调制频率的关系。当调制频率为1.3GHz时如图4（a）所示；当调制频率为5GHz时如图4（b）所示。由图4可看出，当调制频率高于弛豫频率后，系统性能严重变坏。

1.3 掺铒光纤放大器（EDFA）实验

EDFA在各种光纤通信系统中得到广泛应用，如副载波CATV系统、WDM或OFDM系统、相干光通信及孤子通信系统等。本研究用于分析EDFA的频率特性和噪声性能[9]，仿真模型如图5所示。在仿真模型中掺铒光纤参数：Length 7m，Core radius 2.2m，Er metastable lifetime 10ms，Er doping radius 2.2m，Er ion density 1e+025m3，Numerical aperture 0.24。

仿真结果如图6所示。图6中，（a）为CW激光器的频率与EDFA增益的关系曲线，（b）为信号输入功率与EDFA增益曲线，（c）为功率噪声曲线。

1.4 光接收机实验

光接收机主要的性能指标是灵敏度和动态范围。本研究的目的是了解光接收机灵敏度与误码率的关系及灵敏度与最小输入功率的关系[10]，仿真模型如图7所示。

实际光接收机灵敏度的计算比较复杂，可粗略表示为

仿真结果如图8所示。图8中，（a）是衰减与Q因子的关系曲线，（b）是衰减与误码率曲线。

1.5 WDM系统实验

波分复用是光纤通信系统扩大传输容量，提高传输速率的主要途径之一，仿真模型如图9所示。图9中，利用Mach-Zehnder调制器进行外调制，16路复用，光发射器参数：Bit rate 40Gb/s。线路由50km单模光纤与10km色散补偿光纤构成循环单元，采用掺饵光纤放大器。解复用器参数：Bandwidth 8e+010Hz，Depth 100dB，Filter type Bessel，Filter order 6。图10为WDM系统实验仿真结果，图中给出了解复用器之前光纤线路之后的光谱图，图中较低的部分为噪声部分。

2 结束语

本文根据光纤通信课程的理论教学内容选出了上述5个仿真实验作为实验教学项目。实践表明，OptiSystem仿真实验直观明了，可以反复观察练习，提高了学生的学习兴趣，有利于学生对抽象的光纤通信理论教学内容的理解，同时可以节省较高的实验费用，在实验教学中取得了较好效果。

参考文献：

[1] 张宝富，谭笑，蒋慧娟. 光纤通信系统原理与实验教程[M]. 北京：电子工业出版社，2004.

[2] 张淑娥，李永倩，杨再旺. “光纤通信原理”精品课程实验建设探究[J]. 实验技术与管理，2010，27（5）：165-169.

[3] 周雪芳，王天枢. 仿真软件在《光纤通信》实验教学中的应用研究[J]. 实验科学与技术，2011，9（5）：53-56.

[4] 杨絮，朱一峰，陈桂芬. 光纤通信系统仿真技术在实验教学中的应用[J]. 中国科教创新导刊，2009（34）：48.

[5] Optiwave Corporation.OptiSystem 7.0：OptiSystem User’s Reference. 2008.

[6] 胡章芳，席兵. 光纤通信系统的计算机仿真[J]. 电脑开发与应用，2005，18（9）：11-12.

（责任编辑：徐兴华）

作者：王秋光 张亚林 胡彩云

仿真光纤通信论文 篇2：

仿真技术在“光纤通信”实验教学中的应用

摘要：光纤通信是构建现代通信网主要的传输手段之一。根据“光纤通信”课程特点，引入MATLAB和OPTISYSTEM仿真软件，将实验箱教学和软件仿真教学有机结合，大大增强了学生学习的主动性和积极性，有效地改善了实验教学效果，为培养创新型人才打下了坚实的基础。

关键词：光纤通信；实验教学；仿真技术

作者简介：陈琳（1978-），女，江苏常州人，上海电力学院电子与信息工程学院，副教授；朱武（1969-），男，湖北随州人，上海电力学院电子与信息工程学院，教授。（上海 200090）

基金项目：本文系上海市教委重点课程资助项目（项目编号：沪教委高（2011）48号）的研究成果。

光纤通信是以光波为载波，以光导纤维作为传输媒质的一种信息传输方式。该技术因具有传输容量大、中继距离长等优良传输特性，被广泛应用于电力传输网、通信网和接入网等领域。

“光纤通信”作为通信工程、光电信息工程、电子信息工程专业的核心课程，主要讲述了光纤通信的基本概念、传输理论、系统组成、新技术等内容。[1]该课程具有涉及内容广、基础理论深、知识更新快等特点。为了进一步提高“光纤通信”课程的教学质量，开设了光纤通信实验课和光纤通信系统课程设计，加强了学生对理论知识的理解，培养了实际动手能力和创新能力。

传统的实验教学一般都是安排学生在硬件实验箱上实现。此类实验基本为验证性实验，只需根据实验指导书进行简单操作，无法调动学生的实验兴趣，也限制了对学生创新能力的培养。此外，光通信器件成本较高，需要及时维护，且随着科技的进步，新的理论和技术迅速产生与发展，需要投入充足的设备经费，不断更新实验设备。[2]因此，实践教学部分除了利用光纤通信实验箱开设固定的验证性实验外，还可利用仿真软件MATLAB和OPTISYSTEM构建光纤通信系统模型，以提高学生的实验效率，有效地节省实验教学成本。[3-6]

一、MATLAB仿真软件的应用

由于“光纤通信”课程概念繁多，物理规律较为抽象，特别是其中的一些光学现象和规律缺乏细致的数学推导，为学生学习该课程带来了诸多困难。因此，在“光纤通信”课程教学中可以适当地使用MATLAB仿真软件所提供的可视化界面，使学生获得对光学物理现象的感性认识，缩小理论与实际的差距，提高学习效率和效果。

MATLAB是Mathworks公司推出的一套高效数值计算和可视化软件。它集数值分析、矩阵计算、信号处理和图形显示于一体，具有编程方式自由、简单易学等特点，已广泛应用于工程计算和系统仿真等开发环境。利用MATLAB软件不但可以摆脱繁杂的大规模计算，而且还可以使学生自己动手进行编程，加深对光纤通信基本理论的理解。在编程过程中，可以通过改变仿真参数来直观地对实验结果进行计算和分析，大大节省了时间，提高了实验效率。

在光纤传输原理章节中，对于波动理论，一般是通过求解麦克斯韦方程组来导出波动方程，分析电磁场的分布性质，最后获得光纤的传输特性。公式推导过程繁杂，涉及的电磁场与数学知识较多，学生理解困难。因此，在课堂教学中除了引入多媒体的辅助教学手段外，还可以借助MATLAB仿真软件，帮助学生理解多模和单模光纤的模场分布。

多模光纤中，存在更多的高阶模式。根据LP模的特征方程，得到阶跃型折射率光纤的模场分布。如第一个高次模LP11模的二维、三维模场分布如图1（c）、（f）所示。从图1可以看出，当归一化频率V=5时，LP11模有两个对称的主瓣，不存在旁瓣现象。

在“光纤通信”课程教学中，引入MATLAB仿真，能够进一步加深对抽象概念的理解。通过仿真，学生弄清了数学公式和物理概念之间的内在联系，使理论教学中枯燥的概念可视化，极大地调动了学习主动性和趣味性，有效地提高了教学质量。同时，在编程过程中，学生通过查询文献资料和相互讨论，较好地培养了团队合作精神，提高了创新能力。

二、OPTISYSTEM仿真软件的应用

系统实验有助于培养学生对理论知识的综合运用。针对实验箱可供开设的综合性、系统性实验项目较少的情况，可以利用OPTISYSTEM仿真软件对光学器件和通信系统进行建模。通过仿真软件对实际操作过程进行模拟，以获得数据加以分析。

OPTISYSTEM是OPTIWAVE公司开发的一套光通信系统模拟软件。它可以帮助用户规划、测试和模拟传输层的各种类型的光通信网络，包括局域网、城域网和广域网；同时提供了从组件、器件到系统各个层面的光通信系统设计和规划，如TDM/WDM、SDH、光孤子通信等，并利用优化功能仿真计算系统的各项性能参数，通过数据分析和图形显示来获得最佳系统性能。

在OPTISYSTEM系统仿真实验中，学生可以通过调整参数，对一个光学元器件甚至整个通信系统进行优化设计，直观地模拟整个光纤通信系统的传输过程。利用仿真软件进行系统性能分析，有利于引导学生对复杂系统进行探索，提高学生对系统性能的全面认识。

例如，波分复用（WDM）系统是现行光纤通信系统的主要架构形式，利用波分复用技术可以实现大容量、长距离的网络传输。但是由于传统实验箱的限制，WDM系统难以通过硬件平台来构建。因此，可以通过OPTISYSTEM软件来搭建WDM系统，并进行系统性能分析。

WDM系统实验在OPTISYSTEM仿真平台上完成。要求学生使用光传输系统仿真软件，搭建8信道的WDM系统，如图2（a）所示。该系统由波分复用器（WDM）、掺铒光纤放大器（EDFA）、光纤链路、解复用器（WDM Demux）和光接收机等光学器件组成。学生自行设计和搭建系统，配置波分复用、解复用、调制器等参数，并利用虚拟光谱分析仪来观察8通道波分复用系统的频谱、误码率等特性，如图2（b）、（c）所示。学生通过调整各模块的参数、搭建系统模型和分析仿真结果，巩固了EDFA、波分复用/解复用等方面的理论知识，也为今后对实际WDM系统规划打下了坚实的基础。

又如，用OPTISYSTEM软件设计搭建单模光纤通信系统，如图3（a）所示。传输速率是40Gbit/s，传输距离是60km。信源使用的是伪随机码发生器，它将数据流发送到非归零（NRZ）码电脉冲发生器。经NRZ调制的电信号具有紧凑的频谱特性，经过马赫曾德尔调制器（MZM）后转换成光信号送往光纤信道。为了减小光纤传输损耗和色散的影响，在光纤链路上添加了掺铒光纤放大器。接收端经过光纤信道传输过来的光信号接入PIN光电检测器，转化为电信号后送入低通贝塞尔滤波器。

为了观测光信号的波形，在光纤通信系统中设置了观察仪器：光谱仪、光时域信号观察仪及误码率分析仪。对系统中的器件参数设置后进行系统仿真，得到调制后的光信号时域波形和频谱，如图3（b）、（c）所示。

这些光器件都可以在OPTISYSTEM软件的器件库中选取，并根据需要对每个器件设定参数来获得较好的系统性能。因此，通过用OPTISYSTEM软件设计分析，可以了解光通信系统各个器件节点处的波形和频谱特点，简单直观、形象生动。教师可以根据教学大纲设置相应的实验项目，让学生课后学习OPTISYSTEM软件，并引导学生根据实验内容建立相应的系统模型进行仿真实验分析。

三、结束语

运用MATLAB/OPTISYSTEM仿真软件进行实验教学，很好地弥补了缺少硬件实验器件所带来的不足，丰富了实验教学内容；同时节省了实验课堂教学时间，加深了学生对系统理论知识的理解和应用。通过对“光纤通信”实验教学手段和内容的改革，学生对实验的积极性和创造性得到了普遍提高，实验教学效果和质量也得到了明显提升。

参考文献：

[1]刘增基.光纤通信[M].第2版.西安：西安电子科技大学出版社，2008.

[2]王文珍.光纤通信实践教学探索[J].中国电力教育，2013，（1）：134.

[3]周雪芳，王天枢.仿真软件在《光纤通信》实验教学中的应用研究[J].实验科学与技术，2011，9（5）：53-56.

[4]汪徐德，李素文，窦德召，等.软件仿真在《光纤通信》课程中的应用[J].淮北师范大学学报（自然科学版），2012，33（4）：91-94.

[5]李书旗，朱昌平，陈小刚.光纤通信实验教学的改革与探索[J].中国电力教育，2010，（36）：132-133.

[6]黄永清，陈雪，李蔚，等.“光纤通信”课程的教学改革[J].电气电子教学学报，2010，32（6）：12-13.

（责任编辑：孙晴）

作者：陈琳等

仿真光纤通信论文 篇3：

虚拟仿真技术及其在《光纤通信》课程实验教学中应用的探索与实践

摘 要：虚拟仿真技术是实践教学改革的重要发展方向之一。针对电子信息类專业人才培养需求，结合南京邮电大学《光纤通信》课程教学实践，讨论了基于虚拟仿真技术的实验教学及其实践。

关键词：虚拟仿真；实验教学；电子信息；光纤通信

1.引言

电子信息产业已经是我国国民经济第一大产业，同时也是当前国际间新一轮产业竞争和抢占经济科技制高点的战略先导领域[1][2]。电子信息技术的不断进步和突破，对高校电子信息类专业人才培养提出了新的需求：必须进一步加大力度培养全面掌握电子信息技术和经过充分训练的创新型人才，以适应行业发展和区域经济发展的迫切需要。

《光纤通信》是通信工程、电子信息工程、光电科学与技术等多个电子信息类专业的核心专业课之一。随着技术的进步和教学内容的更新，传统的以实验箱为主的实验实践教学模式已经无法满足需要，而依托真实系统设备建设实验室也面临着投入巨大和更新频繁等挑战。因此，引入虚拟仿真实验技术并依托包括虚拟现实、多媒体和通信网络等手段，构建虚拟实验环境和实验对象，不仅可以以较低的成本开展实验，达到教学大纲所要求的教学效果。同时，也为实现真实实验不具备或难以完成的教学功能，特别是在一些不可及或不可逆的实验环节提供了可靠、安全和经济的实验手段[3]。

2.虚拟仿真实验教学特点

随着技术的不断发展和教学内容的深化，采用传统实验实践教学模式日益受到局限，引入虚拟仿真技术手段可以更好地推动信息化条件下学生的自主学习、探究学习、协作学习等实验教学方法的改革，也为教师提高教学能力、丰富教学内容、拓展实验内容提供了良好的手段。另一方面，现代电子信息系统多为大型复杂系统，成本高且难以进行二次开发，虚拟仿真实验教学具有诸多优点：

（1）实现真实实验不具备或难以完成的教学功能。以《光纤通信》课程为例，光纤传输参数中损耗系数的基准测量方法为剪断法，测试中需要对光纤进行多次剪断，在大规模实验中受到许多条件的制约。而虚拟仿真技术可以模拟近似真实的光纤线路，构造虚拟剪断测试点，这样不仅可以不受有限的硬件资源限制，同时也可以获得近似真实环境下的实验结果和数据。

（2）有效解决传统实验教学模式中存在的高成本和高消耗等缺点。传统的光纤通信系统性能实验教学环节中，需要有完整的多个节点组成的真实系统，同时还要配置包括传输分析仪、信号发生器、光谱分析仪及网络分析仪等贵重测试仪器，成本极高且对操作者的要求也很高。引入虚拟仿真技术开展实验，有效地解决了制约实验教学的初次投入问题。

（3）开发现阶段技术条件不具备或无法实现的实验教学功能。当前光纤通信已经进入100Gbit/s时代，而400Gbit/s乃至更高传输速率的系统也已在开发中，如此高的传输速率使得现阶段开发包括调制、编码、解调、接收等实验装置都非常困难，这也催生了只有依靠虚拟仿真技术才能开展相关的教学活动。

（4）拓展实践教学开展模式和促进终身学习。以大规模在线开放课程（MOOCs）为代表的在线教学已经成为当前高等教育界普遍关注的热点话题。传统的实践教学要求学生必须到实验室现场完成教学活动，而虚拟仿真技术的引入可以在很大程度上改变这一格局。随着包括智能手机和平板电脑等终端的普及，未来将会有更多的实践教学环节可以通过网络远程实现，这也为继续教育和终身学习提供了有益的渠道。

3.《光纤通信》课程虚拟仿真实验教学探索与实践

南京邮电大学是一所以信息通信为主要特色的工科高校，《光纤通信》是我校多个电子信息类专业的核心专业课，具有较长时间的教学积累，也建设了包括SDH传输系统和PON接入网在内的硬件实验环境。依托国家级虚拟仿真实验中心和优势学科等专项支持，我们设计了多层次的光纤通信虚拟仿真实验平台，针对实验教学需要提供了三个层次的虚拟仿真实验内容：

（1）光纤基础仿真实验环境：主要包含了对光纤物理、光学、传输等多个参数约30000个不同配置实例的测试环境，可以实现对光纤模场直径、损耗系数、色散系数、偏振模色散等诸多参数的模拟测试。

（2）光纤通信系统和网络测试仿真实验环境：主要包含了光纤通信系统和网络的误码、抖动、光接口、漂移等系统级参数约2000个测试配置实例，可以实现对于完整的光通信网络的系统级模拟测试。

（3）光纤通信系统底层及协议仿真实验环境：具有完善的从元器件、系统到网络协议全方位的仿真能力，可以实现自主定义的光器件模块、子系统和系统级的仿真。

针对光纤通信系统中最基本的光纤链路和系统的性能测试分析需求，引入了EXFO公司的Fast Reporter光纤链路仿真软件和Optical Report Viewer光网络测试仿真软件。Fast Reporter主要用于光纤及链路的传输性能参数测试，其内置了包括目前最先进的涵盖了EXFO全系列5500/5500E/5800/5900/5230/5240/5250/ 7400/7400E等各种测试仪器的数据分析模块，同时还包含了30000余个不同的测试配置，其数据均来自真实的光纤链路。学生在PC终端上使用的操作界面与真实测试仪器完全一致，通过选择不同的参数配置可以得到相应的测试结果并进行分析。Optical Report Viewer则是与系统和网络级测试对应的高级仿真测试工具软件，其内置了主要的误码分析、抖动分析、时钟分析、漂移分析、光谱分析、光功率测试等系统级的测试功能，使用界面与业界主流的测试仪器等完全一致，同时内置了2000多组不同的测试方案和数据，学生通过配置参数可以获得系统性能的直观结果，如果发生配置错误也可以得到相应的提示。

VPI transmission maker高级仿真工具是目前国际上公认技术最先进、最完善的光通信高级仿真工具，其不仅提供了许多功能强大的仿真模块，可以支持从物理层到链路层乃至网络层的仿真实验，系统采用图形化设计并支持各种复杂模块化器件结构及用户自定义，为用户提供了完善的专业仿真实验分析环境。经过必要的学习后，学生可以在教师指导下对VPI中的模块进行参数调整乃至重新设计，从而实现差异化和定制化的虚拟仿真实验。

4.结束语

依托虚拟仿真技术改革传统的实践教学体系是当前高等教育改革的主要发展方向之一。将虚拟仿真技术引入电子信息类专业实验教学环节，突出虚拟网络与实体网络相结合、虚拟对象与实体对象相结合、虚拟手段与实际手段相结合等特点，是现阶段人才培养改革的重要发展趋势。论文介绍的南京邮电大学开展《光纤通信》课程虚拟仿真实验教学的探索实践，也为电子信息类其他课程实验教学改革提供了有益的参考。未来我们将继续坚持以学生为中心，推行网络化条件下自主学习、探究学习、协作学习的实验教学模式，探索和实践人才培养目标与社会需求有机结合的新模式。

参考文献：

[1]刘延东.推进科技创新 培育和发展战略性新兴产业.[EB/OL]. http：//www.miit.gov.cn/n11293472/n11293877/n13702866/n13702883/13873502.html.

[2]张德江.大力推动新一代信息技术产业加快发展.[EB/OL].http： //www.miit.gov.cn/n11293472/n11293877/n13702866/n13702883/14206919.html.

[3]沈建华，等.通信与信息网络国家级虚拟仿真实验教学中心建设与实践[J].实验室研究与探索，2015（34）1：161-164.

作者：成建平 李飞 沈建华