重庆市教育科学规划课题：互联网+教育背景下基于微信公众平台的混合学习模式在《通信原理》
课程中的研究与实践（2018-GX-467）
摘要：通信原理的实践教学占有非常重要的作用，它是培养学生解决实际工程能力的必不可少的部分。文中笔者以一个通信原理的掺铒光纤放大器设计为例，利用微信平台，制作微信视频进行实践教学的设计，更好地完成和达到的实践教学的目标。
关键词：OptiSystem；微课；通信原理
通信原理是电子信息类专业的专业基础必修课，该课程具有理论性与实践性相结合的特点，结合相关的平台软件来设计通信系统以验证其工作原理。实验教学是实现通信原理与工程实践相结合的有效手段，是巩固提升课堂理论教学成果的重要途径。
利用OptiSystem来完成通信原理的实践教学开辟了另一条实践教学的途径，OptiSystem是一个具有强大创新的光通信系统仿真软件，基于实际光纤通信系统模型的系统级仿真器。它的性能可以通过附加的用户设备库和完整的接口来扩展，并成为一种广泛使用的工具。
1基于微信平台的通信原理实践教学的资源设计
随着手机微信这个免费平台的普及，利用微课制作翻转课堂视频在各级学校的教学中越来越受到重视。微课是在传统讲授法下，通过信息化的手段，采用流媒体技术，用于讲授某一个教学知识点或演示某一项实践操作技能的短教学过程，用于指导学习者开展高效的自学活动[1]。把微课的学习资源在免费的平台上共享，既能让学生实时观看，又能让师生之间及时进行交流。
教师在每次通信原理实验课之前，把该实验的原理简单讲解的内容上传到微信平台上，让学生通过微信平台发表围绕本次实验的原理所需要OptiSystem中的哪些器件来完成，并附上每个器件的功能。实验结束以后，可以给学生详细展示该实验的结构器件组成图以及实验仿真结果。把这些课前课后的内容制作成微课视频，上传到微信平台上，学生只需要随时通过手机打开微信，花费较短的时间，就能够在课前了解实验内容，课后巩固实验原理，老师也可以及时对学生提出的问题进行解答。通过微信平台微视频这种新模式，可以更好的调动学生学习的积极性，同时也增加了老师和学生之间的交流[2]。
2基于微课和OptiSystem的通信原理实践教学案例
下面以掺铒光纤放大器（EDFA）设计作为实践教学案例，首先了解掺铒光纤放大器的结构，然后通过OptiSystem软件平台来完成掺铒光纤放大器的原理图设计，并进行仿真参数优化得到相应的实验结论。
2.1 掺铒光纤放大器的结构
掺铒光纤放大器主要是由泵浦光源、光耦合器、掺铒光纤、光隔离器以及光滤波器等组成。掺铒光纤放大器主要有带宽大、增益高、泵浦效率高、输出功率高、插入损耗低和对偏振不敏感等优点。此外，根据泵浦光源的泵浦方式不同，掺铒光纤放大器又可包括：同向泵浦结构、反向泵浦结构和双向泵浦结构三种结构方式。掺铒光纤放大器的基本结构如图1所示。
光耦合器是无源光器件，它的主要作用是将输入光信号和泵浦光源输出的光波混合起来，一般采用波分复用器（WDM）。泵浦光源为半导体激光器，输出光功率约为10~100mW。光隔离器的主要作用是防止反射光影响光放大器的工作稳定性，保证光信号只能正向传输的无源器件。掺铒光纤是一段长度大约为10~100m的石英光纤。光滤波器的作用是滤除光放大器的噪声，降低噪声对系统的影响，提高系统的信噪比。
2.2 掺铒光纤放大器的设计布局
通过OptiSystem软件来完成掺铒光纤放大器的设计布局，如图2所示。布局图中包括主要由一个16路的波分复用器、光谱分析仪、光功率计等构成。
图2 EDFA设计布局图
2.3 掺铒光纤放大器的仿真参数设计
我们设定优化参数指标设置Main、Parameters、Result、Constraint。Main：优化方式为“Gain Flatten”增益平坦方式，所要优化达成的目标为“Exact”，优化循环数为60，结果公差为10，有其他参数限制条件。Parameters：在本项中设置了需要优化的参数，一为泵浦光源的功率，这里选择0-160mW，初始值为100；另一为掺铒光纤的长度，范围为1-40m，初始值为4m。Result：这里要设定我们希望最后优化完成的目标，在本例中为16个信道的增益平坦一致为23dB。Constraint：这里设定了两个限制条件，一为输出信号的最大/最小增益比，要求小于0.5；另一为光功率计检测到的总功率大于8.5dB。经过参数设置以后，一些统计数据如图3所示。
图3 参数设置后的数据统计
2.4 掺铒光纤放大器的实验结果
我们可以用光谱仪对经过EDFA前后的16个信道的光信号做检测分析，图4是从没有经过EDFA的光谱图，图5是经过EDFA的光谱图，通过二者比较来看，信号的增益能保证在一个平坦的曲线上，图5噪声得到了大幅度的抑制（绿色曲线代表噪声），所以优化的结果是十分明显的。
图4 未经过EDFA的光谱图 图5 经过EDFA的光谱图
本次实验内容通过教师的讲解、原理设计和仿真结果的演示，制作成微课视频，并附上设计布局的每个光器件的说明，上传到微信公共平台上供学生学习，学生通过微课视频可以反复观看。通过这样的理论讲解和软件平台仿真的相结合的形式,学生不仅理解了实验原理,也能掌握该软件的功能和光通信系统的设计知识。当然还可以扩展到其他光通信系统的设计,比如光发送机和光接收接收的设计,而且同样能通过实验设计和仿真来验证其原理。
3结束语
本文主要通过一个通信原理的教学实例来说明，通过微信平台，微课在基于OptiSystem的通信原理实验教学中的作用。学生进行课前预习，课后复习巩固借助于微信平台观看微课视频，可以更好地帮助学生理解和掌握实验原理，这样不仅节约了实验的教学时间，而且有利于学生更好独立地完成实验。因此，通过微信平台，学生掌握OptiSystem仿真软件的使用，还将整个通信原理的教学过程制作成微课，上传到微信公共平台上，极大地调动了学生的学习兴趣和主动性，比传统的实验效果提升了不少。与此同时，老师也能够随时和学生进行教学互动，提高了教师的教学能力和水平。
参考文献
[1]彭玲基于微课的《通信原理》课程教学改革探究[J]．软件导刊(教育技术),2016,15 (6):7-8
[2]薛岚燕，詹仕华等．基于微信平台的《数据通信原理》实验微课教学探索[J]．新余学院学报，2017 22(4):134.
论文作者:李星沛 赵瑞玉
论文发表刊物:《知识-力量》2019年11月51期
论文发表时间:2019/12/6
标签：光纤论文; 原理论文; 放大器论文; 通信论文; 平台论文; 学生论文; 增益论文; 《知识-力量》2019年11月51期论文;