軟件仿真平臺(tái)在光纖通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中的應(yīng)用

李 茜， 葉振忠

(天津大學(xué) 電氣自動(dòng)化與信息工程學(xué)院 電氣電子國(guó)家實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，天津 300072)

0 引 言

光纖通信實(shí)驗(yàn)在光纖通信課程中是一門(mén)必不可少的實(shí)驗(yàn)課。光纖通信理論課程中公式推導(dǎo)繁瑣，涉及的內(nèi)容復(fù)雜[1-2]。實(shí)驗(yàn)課的開(kāi)設(shè)是為了便于學(xué)生在理論學(xué)習(xí)的過(guò)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(shí)驗(yàn)課程主要是實(shí)驗(yàn)箱的操作，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求按部就班的連接線路，最后觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。但對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)原理并不能很好地理解，并且線路連接也很簡(jiǎn)單，學(xué)生感覺(jué)枯燥乏味[3]。因此針對(duì)當(dāng)前問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)小組提出了實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新改革，建立一個(gè)可視化軟件教學(xué)仿真平臺(tái)來(lái)豐富課堂內(nèi)容，提高學(xué)生興趣[4-7]。仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)以學(xué)生為主，教師為輔，讓學(xué)生深入理解光纖通信的相關(guān)特性以及光纖通信儀器的介紹與使用。

1 仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)思想

首先，仿真平臺(tái)的框架設(shè)計(jì)由實(shí)驗(yàn)教師完成，利用Matlab的人機(jī)交互界面(GUI)制作一個(gè)界面友好、操作方便的圖形可視化用戶界面的仿真平臺(tái)。然后，教師給學(xué)生講解Matlab界面設(shè)計(jì)的方法，設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容由學(xué)生自行完成，內(nèi)容包括對(duì)光纖通信相關(guān)特性的展示、光纖通信性能參數(shù)的測(cè)量以及光通信儀器的展示與使用說(shuō)明等。最后，將學(xué)生的設(shè)計(jì)內(nèi)容放到仿真平臺(tái)上，在人機(jī)交互界面通過(guò)相應(yīng)的按鈕顯示仿真結(jié)果，觀察和分析各個(gè)特性和數(shù)據(jù)。學(xué)生通過(guò)對(duì)內(nèi)容的設(shè)計(jì)來(lái)達(dá)到對(duì)光纖通信理論課程更加深入的理解。

2 仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)過(guò)程

利用Matlab圖形用戶界面(GUI)設(shè)計(jì)平臺(tái)框架。GUI又稱(chēng)人機(jī)交互界面，是一種提供人機(jī)交互的工具和方法，用戶利用GU I可以很快速地設(shè)計(jì)一個(gè)方便使用者與計(jì)算機(jī)進(jìn)行交流的界面[8-9]。

平臺(tái)框架主要包括光纖的特性參數(shù)測(cè)量、儀器圖片展示和說(shuō)明、特性曲線的繪制3個(gè)模塊，在軟件設(shè)計(jì)中分別用test、picture、plot來(lái)表示。第1個(gè)模塊是光纖的特性參數(shù)，主要有傳輸特性、幾何特性和光學(xué)特性。在光纖通信系統(tǒng)中，當(dāng)使用的條件發(fā)生變化時(shí)，幾何特性和大部分光學(xué)特性基本上是穩(wěn)定的，但也有一些特性如損耗、截止波長(zhǎng)等在不同條件下使用會(huì)受到一定程度的影響。因此在設(shè)計(jì)中要求學(xué)生只對(duì)一些受使用條件影響的特性參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)；第2個(gè)模塊是儀器圖片的展示，讓學(xué)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(gè)模塊是特性曲線的繪制，讓學(xué)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(shè)計(jì)

教師將3個(gè)模塊中的內(nèi)容分發(fā)下去，學(xué)生可以自行分組選擇內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后在教師的引導(dǎo)下將3個(gè)模塊聯(lián)系起來(lái)就是這個(gè)GUI的主界面，該主界面有1個(gè)靜態(tài)文本，3個(gè)命令按鈕。

設(shè)置靜態(tài)文本的String為光纖相關(guān)特性仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)。設(shè)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(diào)整好的界面如圖1所示。保存并命名為main.fig，學(xué)生設(shè)計(jì)好主要的3大模塊后，就可以把test.m、pic.m、property.m作為函數(shù)來(lái)調(diào)用。

2.2 參數(shù)測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)

學(xué)生設(shè)計(jì)的部分是test.m、pic.m、property.m 3塊。Test部分以損耗、色散、截止波長(zhǎng)、中繼距離為主。

圖1 主GUI界面的設(shè)計(jì)

學(xué)生需要很好地掌握這幾個(gè)參數(shù)的測(cè)量原理和公式才能進(jìn)行設(shè)計(jì)。每一個(gè)參數(shù)可以安排2或3名學(xué)生為一組進(jìn)行設(shè)計(jì)，如損耗，在圖形用戶界面加入如下控件：6個(gè)靜態(tài)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(gè)文本框，分別是輸入功率P1，輸出功率P2，測(cè)量長(zhǎng)度L，損耗系數(shù)α；1個(gè)推按鈕，顯示test：α，其作用是點(diǎn)擊它時(shí)，調(diào)用它的回調(diào)函數(shù)以完成損耗系數(shù)的計(jì)算。然后設(shè)置各控件的Fontsize屬性，設(shè)置控件的ForegroundColor屬性，調(diào)整控件間的距離，設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖2。

圖2 測(cè)量損耗的GUI界面設(shè)計(jì)圖

同理，根據(jù)色散、截止波長(zhǎng)、中繼距離的公式以及上述界面的設(shè)計(jì)方法，可以設(shè)計(jì)出色散、截止波長(zhǎng)、中繼距離的界面圖，最后將幾個(gè)界面組合到一個(gè)界面，加上一個(gè)靜態(tài)文本，顯示“參數(shù)測(cè)量”，再加上一個(gè)清零的命令按鈕，顯示“clear all”，單擊它時(shí)所有數(shù)據(jù)會(huì)清空。為了方便用戶操作GUI，在界面上輸入數(shù)據(jù)時(shí)經(jīng)常使用Tab鍵選擇控件，所以一定要設(shè)置好Tab操作順序，從畫(huà)布界面的“Tools”菜單中選擇“Tab Order Editor”對(duì)話框。設(shè)置Tab順序非常簡(jiǎn)單：選擇要改變位置的控件，此時(shí)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(yīng)的位置。設(shè)置各個(gè)按鈕的屬性，保存并命名為test.fig，分別在相應(yīng)的按鈕的callback下編寫(xiě)M語(yǔ)言程序，調(diào)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(shè)計(jì)

光纖通信教材中提到了很多光纖器件，但是并沒(méi)有給學(xué)生呈現(xiàn)出器件的實(shí)物，讓學(xué)生對(duì)器件感到很陌生，因此這個(gè)部分的設(shè)計(jì)就是讓學(xué)生很清楚地去認(rèn)識(shí)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(cè)器、光纖放大器、施工及測(cè)量器件、光無(wú)源器件為例，設(shè)計(jì)一個(gè)圖片瀏覽器的仿真平臺(tái)。

圖3 參數(shù)測(cè)量的GUI界面設(shè)計(jì)圖

學(xué)生通過(guò)自己的搜索會(huì)查找到很多器件的圖片，如果按測(cè)量方法設(shè)計(jì)，費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，所以圖片瀏覽的人機(jī)交互界面引入了一個(gè)下拉框和一個(gè)列表框，利用這兩個(gè)控件就可以在一個(gè)坐標(biāo)軸中顯示不同的圖片，此外還有一個(gè)推按鈕、一個(gè)軸對(duì)象、一個(gè)文本框、一個(gè)靜態(tài)文本。調(diào)整好的GUI界面見(jiàn)圖4，保存并命名為pic.fig。圖5所示為學(xué)生設(shè)計(jì)出的器件展示仿真平臺(tái)顯示的效果圖。

圖4 器件展示的GUI界面設(shè)計(jì)圖

2.4 光纖特性曲線繪制的界面設(shè)計(jì)

在光纖傳輸系統(tǒng)中，距離延長(zhǎng)、容量擴(kuò)大、速率提高都與光纖損耗、色散效應(yīng)、非線性效應(yīng)等特性密切相關(guān)[10-15]。這部分的設(shè)計(jì)主要讓學(xué)生掌握光纖通信的一些簡(jiǎn)單特性。特性展示的人機(jī)交互界面有1個(gè)靜態(tài)文本、1個(gè)下拉框、1個(gè)命令按鈕、1個(gè)軸對(duì)象，如圖6所示。學(xué)生需要充分理解相關(guān)特性的原理，根據(jù)公式推導(dǎo)，找出哪些參數(shù)是變量，繪制的波形圖可隨哪些參數(shù)進(jìn)行變化。通過(guò)設(shè)計(jì)后能夠更加清楚地掌握光纖通信的相關(guān)特性。圖7為學(xué)生設(shè)計(jì)出的部分特性曲線繪制在仿真平臺(tái)上的效果圖。

(a) 雪崩光電二極管

(b) 光纖熔接機(jī)

(c) 光纖光柵

(d) 半導(dǎo)體激光器

3 結(jié) 語(yǔ)

仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)在光纖通信實(shí)驗(yàn)改革創(chuàng)新中取得了很大的成功。從整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程可見(jiàn)，學(xué)生能主動(dòng)積極地在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題, 解決問(wèn)題。充分培養(yǎng)了學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。學(xué)生通過(guò)對(duì)該仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)，可以將光纖通信這門(mén)課中所涉及的內(nèi)容進(jìn)行可視化表達(dá)，也充分體現(xiàn)了以學(xué)生為主的這種互動(dòng)式教學(xué)模式。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革創(chuàng)新是一項(xiàng)艱苦而長(zhǎng)期的工作，需要不斷地進(jìn)行探索。該軟件平臺(tái)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)還可以應(yīng)用到課堂教學(xué)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)中，來(lái)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量。

(a) 色散導(dǎo)致高斯脈沖展寬

(b) 啁啾特性

(c) EDFA的增益特性

(d) 眼圖