軟件仿真平臺在光纖通信實驗教學改革中的應用

李 茜， 葉振忠

(天津大學 電氣自動化與信息工程學院 電氣電子國家實驗教學示范中心，天津 300072)

0 引 言

光纖通信實驗在光纖通信課程中是一門必不可少的實驗課。光纖通信理論課程中公式推導繁瑣，涉及的內容復雜[1-2]。實驗課的開設是為了便于學生在理論學習的過程中更直觀地理解一些比較抽象的概念。但是目前光纖通信實驗課程主要是實驗箱的操作，學生根據實驗要求按部就班的連接線路，最后觀察實驗結果。但對于實驗結構原理并不能很好地理解，并且線路連接也很簡單，學生感覺枯燥乏味[3]。因此針對當前問題，實驗小組提出了實驗創新改革，建立一個可視化軟件教學仿真平臺來豐富課堂內容，提高學生興趣[4-7]。仿真平臺的設計以學生為主，教師為輔，讓學生深入理解光纖通信的相關特性以及光纖通信儀器的介紹與使用。

1 仿真平臺的設計思想

首先，仿真平臺的框架設計由實驗教師完成，利用Matlab的人機交互界面(GUI)制作一個界面友好、操作方便的圖形可視化用戶界面的仿真平臺。然后，教師給學生講解Matlab界面設計的方法，設計的具體內容由學生自行完成，內容包括對光纖通信相關特性的展示、光纖通信性能參數的測量以及光通信儀器的展示與使用說明等。最后，將學生的設計內容放到仿真平臺上，在人機交互界面通過相應的按鈕顯示仿真結果，觀察和分析各個特性和數據。學生通過對內容的設計來達到對光纖通信理論課程更加深入的理解。

2 仿真平臺的設計過程

利用Matlab圖形用戶界面(GUI)設計平臺框架。GUI又稱人機交互界面，是一種提供人機交互的工具和方法，用戶利用GU I可以很快速地設計一個方便使用者與計算機進行交流的界面[8-9]。

平臺框架主要包括光纖的特性參數測量、儀器圖片展示和說明、特性曲線的繪制3個模塊，在軟件設計中分別用test、picture、plot來表示。第1個模塊是光纖的特性參數，主要有傳輸特性、幾何特性和光學特性。在光纖通信系統中，當使用的條件發生變化時，幾何特性和大部分光學特性基本上是穩定的，但也有一些特性如損耗、截止波長等在不同條件下使用會受到一定程度的影響。因此在設計中要求學生只對一些受使用條件影響的特性參數進行設計；第2個模塊是儀器圖片的展示，讓學生收集光纖通信教程中所提到的光纖通信儀器，掌握其用途和使用方法；第3個模塊是特性曲線的繪制，讓學生自行繪制教程中的某些特性曲線，掌握其原理。

2.1 主界面的設計

教師將3個模塊中的內容分發下去，學生可以自行分組選擇內容進行設計，最后在教師的引導下將3個模塊聯系起來就是這個GUI的主界面，該主界面有1個靜態文本，3個命令按鈕。

設置靜態文本的String為光纖相關特性仿真平臺的設計。設置命令按鈕的FontSize為10，其String分別是為test、picture、plot，其Tag分別為pushbutton1、pushbutton2、pushbutton3。調整好的界面如圖1所示。保存并命名為main.fig，學生設計好主要的3大模塊后，就可以把test.m、pic.m、property.m作為函數來調用。

2.2 參數測量模塊的設計

學生設計的部分是test.m、pic.m、property.m 3塊。Test部分以損耗、色散、截止波長、中繼距離為主。

圖1 主GUI界面的設計

學生需要很好地掌握這幾個參數的測量原理和公式才能進行設計。每一個參數可以安排2或3名學生為一組進行設計，如損耗，在圖形用戶界面加入如下控件：6個靜態文本，分別顯示“損耗”“α=10/L*lg(P1/P2)”“P1(W)”“P2(W)”“L(km)”“α(dB/km)”；4個文本框，分別是輸入功率P1，輸出功率P2，測量長度L，損耗系數α；1個推按鈕，顯示test：α，其作用是點擊它時，調用它的回調函數以完成損耗系數的計算。然后設置各控件的Fontsize屬性，設置控件的ForegroundColor屬性，調整控件間的距離，設計圖見圖2。

圖2 測量損耗的GUI界面設計圖

同理，根據色散、截止波長、中繼距離的公式以及上述界面的設計方法，可以設計出色散、截止波長、中繼距離的界面圖，最后將幾個界面組合到一個界面，加上一個靜態文本，顯示“參數測量”，再加上一個清零的命令按鈕，顯示“clear all”，單擊它時所有數據會清空。為了方便用戶操作GUI，在界面上輸入數據時經常使用Tab鍵選擇控件，所以一定要設置好Tab操作順序，從畫布界面的“Tools”菜單中選擇“Tab Order Editor”對話框。設置Tab順序非常簡單：選擇要改變位置的控件，此時上箭頭或下鍵頭可用，單擊可用的箭頭，被選控件被移到相應的位置。設置各個按鈕的屬性，保存并命名為test.fig，分別在相應的按鈕的callback下編寫M語言程序，調整好的GUI界面如圖3所示。

2.3 光纖通信器件展示的界面設計

光纖通信教材中提到了很多光纖器件，但是并沒有給學生呈現出器件的實物，讓學生對器件感到很陌生，因此這個部分的設計就是讓學生很清楚地去認識這些光纖器件，并了解這些器件的用途和使用。這里主要以光源器件、光檢測器、光纖放大器、施工及測量器件、光無源器件為例，設計一個圖片瀏覽器的仿真平臺。

圖3 參數測量的GUI界面設計圖

學生通過自己的搜索會查找到很多器件的圖片，如果按測量方法設計，費時又費力，所以圖片瀏覽的人機交互界面引入了一個下拉框和一個列表框，利用這兩個控件就可以在一個坐標軸中顯示不同的圖片，此外還有一個推按鈕、一個軸對象、一個文本框、一個靜態文本。調整好的GUI界面見圖4，保存并命名為pic.fig。圖5所示為學生設計出的器件展示仿真平臺顯示的效果圖。

圖4 器件展示的GUI界面設計圖

2.4 光纖特性曲線繪制的界面設計

在光纖傳輸系統中，距離延長、容量擴大、速率提高都與光纖損耗、色散效應、非線性效應等特性密切相關[10-15]。這部分的設計主要讓學生掌握光纖通信的一些簡單特性。特性展示的人機交互界面有1個靜態文本、1個下拉框、1個命令按鈕、1個軸對象，如圖6所示。學生需要充分理解相關特性的原理，根據公式推導，找出哪些參數是變量，繪制的波形圖可隨哪些參數進行變化。通過設計后能夠更加清楚地掌握光纖通信的相關特性。圖7為學生設計出的部分特性曲線繪制在仿真平臺上的效果圖。

(a) 雪崩光電二極管

(b) 光纖熔接機

(c) 光纖光柵

(d) 半導體激光器

3 結 語

仿真平臺的設計在光纖通信實驗改革創新中取得了很大的成功。從整個實驗過程可見，學生能主動積極地在實驗中發現問題, 解決問題。充分培養了學生分析問題、解決問題的能力。學生通過對該仿真平臺的設計，可以將光纖通信這門課中所涉及的內容進行可視化表達，也充分體現了以學生為主的這種互動式教學模式。實驗教學的改革創新是一項艱苦而長期的工作，需要不斷地進行探索。該軟件平臺的開發設計還可以應用到課堂教學、課程設計、畢業設計中，來激發學生的學習興趣，提高教學質量。

(a) 色散導致高斯脈沖展寬

(b) 啁啾特性

(c) EDFA的增益特性

(d) 眼圖