光通信仿真模拟系统

1.本发明属于光通信技术领域，具体涉及光通信仿真模拟系统。


背景技术：

2.仿真(simulate)是指利用模型复现实际系统中发生的本质过程，并通过对系统模型的实验来研究存在的或设计中的系统，例如：以计算机仿真陨石进入太阳表面、核子反应炉内温度变化、驾驶员控制飞机的情形。
3.在光通信领域，使用仿真软件替代传统的实验方式也已成为当下教学与科研的普遍选择。仿真软件与普通软件不同，仿真软件的开发不仅需要编程知识，还需要基于一定的基础物理模型，具备相关专业领域的知识，开发难度较大。并且，面向对象多为科研人员、学生，市场需求稳定，增长缓慢。同时，技术驱动与业务驱动并驱，不太可能有颠覆式的创新，且目前大部分仿真软件的核心算法和底层技术在二十世纪已经成熟。
4.例如，申请号为cn202011501013.9的中国专利文献描述的一种水下无线光通信光信道仿真方法及仿真系统，方法包括步骤：选择待模拟的光源类型，产生光脉冲，定义光子的初始位置和当前的方向余弦；并根据不同的水质类型定义不同的水质参数；随机选择光程、散射角和方位角等，更新光子权重，模拟光子在所选水质条件下的信道传输；在接收器端对检测过的光子进行标记和计数。虽然能够解决水下光场数据难以采集测试、水下光通信系统的整体系统设计验证困难的问题，为设计人员提供系统仿真工具，充分考虑水下光通信系统的各种参数，可根据实际项目需求更改参数，满足工程设计要求，但是其缺点在于，由于使用环境特定为水下，上述仿真系统的开发难度和周期较长，无法满足用户个性化需求，并不适用于教学与科研环境。
5.因此，设计一种开发周期短，仿真环境强大，交互性强，易于上手的光通信仿真模拟系统，就显得十分必要。


技术实现要素：

6.本发明是为了克服现有技术中，现有的光通信仿真系统，存在开发难度大，开发周期长，学习成本高，无法满足用户个性化需求的问题，提供了一种开发周期短，仿真环境强大，交互性强，易于上手的光通信仿真模拟系统。
7.为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
8.光通信仿真模拟系统，包括：
9.元件库，用于添加实验条件数据和环境数据，模拟真实环境；
10.仿真模拟模块，用于对不同信道提供不同的模拟方法，并采用numpy扩展程序库内部封装完成的仿真模拟算法，对传输的模拟数据进行计算，同时生成相应图像，得到仿真结果；
11.可视化工具，用于将仿真结果进行展示，供实验人员观察。
12.作为优选，所述元件库包括：
13.发送接收端模块，用于发送或接收信号并进行数字信号处理，所述数字信号处理具体包括下采样和时钟同步；
14.调制模块，用于对发送的信号进行调制，使信号适应不同信道环境；
15.解调模块，用于对接收的信号进行解调，恢复原始数据；
16.噪声模块，用于对信号添加随机噪声；
17.信道模块，用于提供若干种不同的信道来传递信号。
18.作为优选，所述仿真模拟模块包括：
19.发送模块，用于实现信号发送模拟；
20.qpsk调制解调模块，用于对信号实现qpsk调制与解调的模拟过程；
21.awgn信道模块，用于对信号提供模拟的awgn信道；
22.ask调制解调模块，用于对信号实现ask调制与解调的模拟过程；
23.dsp信道优化模块，用于对dsp信道进行优化处理；
24.模型仿真模块，用于模拟构建可见光模型并进行仿真；
25.光子计算模块，用于对传输的数据实现光子计算。
26.作为优选，所述可视化工具采用python软件内置的tkinter库；所述tkinter库设有主页面界面，所述主页面界面包括菜单栏、控制区、元件区和绘图区；所述主页面界面用于观察信号在各个元件中的传递状态以及各个元件输出的信号波形。
27.作为优选，所述控制区设有功能按钮；所述功能按钮包括“新建”，“打开”，“保存”，“撤销”和“运行”。
28.作为优选，所述元件区由菜单栏显示各组元件转为文件夹分组；每组文件夹内包含同组的元件，且元件区左上角还设有返回夹按钮，用于点击返回上一级文件夹。
29.作为优选，所述绘图区用于进行光学元件排放以及光学元件间的连线，且背景由纯色转为网格；在用户拖动光学元件时，通过代码得知当前光学元件的坐标，并判断距离最近的网格位置，完成元件下标的调整。
30.作为优选，所述绘图区绘制的光学元件以链表的形式保存，在运行时将按照绘制的系统依次运行各个光学元件，并最终得到仿真结果。
31.本发明与现有技术相比，有益效果是：(1)本发明使用了python语言编写，内置丰富且功能强大的函数库，通过tkinter和numpy等，在保证基础功能实现的前提下，使整体软件轻量便捷，有一定运行速度，方便学生成员动手操作，极大缩短开发周期；(2)本发明拥有强大的仿真环境，在通过各项参数传调和默认设置中，可以模拟实现大多情况下的科研情景，考虑到了噪声波形，误码率的问题，在不依赖其他仿真框架的前提下，保证了计算结果的精确和可靠性，同时内置了多种实用的元件，用户可进行自由组合来满足自己的需求；(3)本发明基于当代大学生及研究人员的科研需求，在对国外软件操作方式进行深一步学习和扩展的前提下，设计了简约易懂的工作界面，明确了各部分的分块分工，易于满足用户的科研需要，大大降低了使用该软件的学习成本；(4)本发明通过示波器以及一系列预计添加的可视化工具，用户可在元件运行结束后，直接观测到具体到每一个元件的仿真结果，结果由图表进行可视化呈现，用户可更具象的了解实验结果，减轻了数据加工负担，加快科研活动的实施。
附图说明
32.图1为本发明光通信仿真模拟系统的一种ui界面示意图；
33.图2为本发明光通信仿真模拟系统的一种使用逻辑图；
34.图3为本发明实施例提供的使用光通信仿真模拟系统搭建的一种实验电路示意图；
35.图4为本发明光通信仿真模拟系统保存元件的各项参数以及输入和输出过程的一种原理框图；
36.图5为本发明实施例提供的仿真实验结果的一种示意图。
具体实施方式
37.为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
38.实施例：
39.本发明提供了光通信仿真模拟系统，包括：
40.元件库，用于添加实验条件数据和环境数据，模拟真实环境；
41.仿真模拟模块，用于对不同信道提供不同的模拟方法，并采用numpy扩展程序库内部封装完成的仿真模拟算法，对传输的模拟数据进行计算，同时生成相应图像，得到仿真结果；
42.可视化工具，用于将仿真结果进行展示，供实验人员观察。
43.其中，元件库位于用户端，用户端体现在整个ui界面，如图1所示，元件库中文件夹内置多种基础元器件，可通过双击，使之在绘图区生成实例，进行使用。具体的元件库包括：
44.发送接收端模块，用于发送或接收信号并进行数字信号处理，所述数字信号处理具体包括下采样和时钟同步；
45.调制模块，用于对发送的信号进行调制，使信号适应不同信道环境；
46.解调模块，用于对接收的信号进行解调，恢复原始数据；
47.噪声模块，用于对信号添加随机噪声；
48.信道模块，用于提供若干种不同的信道来传递信号。
49.绘图区，可对元件进行拖拽和连线操作，拖拽功能方便用户根据自身需求设计规范有序的虚拟电路，连线操作则确定了数据传输的方向与对象，是整个系统得出仿真结果并可视化反馈前不可或缺的一步。菜单栏包括新建、打开、保存、移动等按键，通过按下按键，实现相应功能。
50.进一步的，仿真模拟模块包括：
51.发送模块，用于实现信号发送模拟；
52.qpsk调制解调模块，用于对信号实现qpsk调制与解调的模拟过程；
53.awgn信道模块，用于对信号提供模拟的awgn信道；
54.ask调制解调模块，用于对信号实现ask调制与解调的模拟过程；
55.dsp信道优化模块，用于对dsp信道进行优化处理；
56.模型仿真模块，用于模拟构建可见光模型并进行仿真；
57.光子计算模块，用于对传输的数据实现光子计算。
58.另外，仿真模拟模块还包括后续按计划陆续添加的其余基础元件的代码。
59.基础元件库的仿真代码完善，将致力构建一个功能完备可靠的光通信仿真系统，而对dsp信道处理的优化代码，对可见光模型的仿真代码、光子计算的代码为本发明的特色。
60.dsp信道处理的优化代码包括以下步骤：
61.1.采集信道数据：获取待处理信道的原始数据，包括信号强度、信噪比、频率响应等参数。
62.2.数据预处理：对采集到的信道数据进行预处理，包括滤波、降噪、去除干扰等操作，以提高信道数据的准确性和可靠性。
63.3.信道建模：根据预处理后的信道数据，建立信道模型，包括信道传输函数、信号衰减、多径效应等参数。
64.4.信道优化：根据建立的信道模型，对信道进行优化处理，包括增强信号强度、提高信噪比、优化频率响应等操作，以提高信道传输效率和质量。
65.5.数据反馈：将优化后的信道数据反馈给信号源，以调整信号源的输出参数，进一步优化信道传输效果。
66.这一方法的优点在于，通过对信道数据进行预处理和建模，可以更准确地了解信道的传输特性，从而对信道进行优化处理，提高信道传输效率和质量。同时，通过数据反馈，可以实现对信道传输效果的实时调整，进一步提高信道传输效果的稳定性和可靠性。
67.可见光模型的仿真代码包括以下步骤：
68.1.光纤参数设置：设置光纤的物理参数，包括光纤长度、衰减系数、折射率等参数。
69.2.光源设置：设置光源的位置、强度、频率等参数，以模拟光信号的发射过程。
70.3.光纤传输：基于光学波动方程和光纤传输理论，对光信号进行传输模拟，包括光信号的衰减、色散、非线性效应等过程。
71.4.接收端处理：对接收到的光信号进行处理，包括检测、放大、滤波等操作，以提高信号的质量和可靠性。
72.5.结果输出：将处理后的信号输出到显示设备上，以供用户观察和分析。
73.本方法的优点在于，通过对光纤传输过程进行模拟，可以更准确地了解光信号在传输过程中的变化和影响因素，从而优化光纤传输系统的设计和调整。同时，通过对接收端信号的处理，可以提高信号的质量和可靠性，进一步提高光纤传输系统的性能和效率。
74.光子计算的仿真代码包括以下步骤：
75.1.将基于级联的马赫曾德尔干涉仪(mzis)的线性运算层、基于电光激活器(eoa)的非线性激活层、基于mask的掩码输出层(dropmask)顺序堆叠，从而搭建n层深度光学神经网络(donn)。
76.2.对具有不同特征种类的数据集进行预处理，以符合donn的数据输入尺寸。
77.3.均匀初始化donn种群，将真实值与预测值之间的均方误差(mse)和分类准确率(accuracy)相结合作为个体的适应度评价函数。
78.4.将指数排序选择(ers)和均匀交叉(uc)作为训练过程的选择算子和交叉算子，
采用动态混合策略，将单点变异(sm)、均匀变异(um)、高斯变异(gm)三种变异算子按动态博弈概率分配不同个体进行变异。
79.5.采用双精英保留策略，将mse和accuracy表现最棒的两个个体保留到下一代，经过多次迭代进化，直到满足终止条件，得到具有全局最优网络参数的donn个体。
80.进一步的，可视化工具包括，实现并已添加运行的示波器功能，以及未来将加入眼图，星座图等功能。目前可用示波器观测运行过程中，各个元件的信号波形，可通过鼠标中轴或键盘输入选择观测范围。目的在于根据不同元件返回数据的不同类型，绘制对应的图例，使得仿真实验结果更清晰明了。
81.可视化工具采用python软件内置的tkinter库；所述tkinter库设有主页面界面，所述主页面界面包括菜单栏、控制区、元件区和绘图区；所述主页面界面用于观察信号在各个元件中的传递状态以及各个元件输出的信号波形。
82.所述控制区设有功能按钮；所述功能按钮包括“新建”，“打开”，“保存”，“撤销”和“运行”。在后期美化过程中，不仅保留清楚醒目的特点，且特别绘制了各个按钮图表，添加了系列动画。
83.所述元件区由菜单栏显示各组元件转为文件夹分组；每组文件夹内包含同组的元件，且元件区左上角还设有返回夹按钮，用于点击返回上一级文件夹。
84.所述绘图区用于进行光学元件排放以及光学元件间的连线，且背景由纯色转为网格；在用户拖动光学元件时，通过代码(event.x_root-self.root.winfo_x()-308)得知当前光学元件的坐标，并判断距离最近的网格位置，完成元件下标的调整，辅助定位利于规范与美观。
85.所述绘图区绘制的光学元件以链表的形式保存，在运行时将按照绘制的系统依次运行各个光学元件，并最终得到仿真结果。为了实现元件间数据的传输，让整个程序能够运行，采用类似于链表的结构，通过连线将元件以不可逆的顺序链入表中，使数据沿着预定的方向传输。为适应可能出现多个同类型元件同时存在的情况，在生成每一元件时添加了相应的序号，使其成为了不同的个体，因此项目可使用多个同类的元件进行仿真实验。
86.本发明使用前需新建一个工程或打开原有工程，否则无法使用元件区的元件，同时会有报错，新建或打开工程后，绘图区由灰色变成蓝色网格。
87.使用逻辑图如图2所示，用户在元件区点击文件夹，会呈现不同种类的基础元件，不同文件夹包含具有共性的一大类元件，同时可点击左上角的文件图标返回上一级文件夹。根据需求选择合适元件定序，如图3所示，组成所需的实验电路，包括信号源、qpsk调制器、awgn信道和qpsk解调器，在拖放元器件过程中，绘图区的网格将自动把元件与近处的网格线对齐重合，使得排版更便捷美观。排列好后，点击上方的连线按钮，可将点击的两个元件中自动生成折线，本发明通过链表存储绘制的通信系统，每个节点对应一个元件，节点用于保存元件的各项参数以及输入和输出，其具体原理如图4所示：
88.1.用户从元件库选择元件添加至绘图区，程序会创建一个同名的节点，并为所有添加至绘图区的元件绑定点击事件。(flag用于保存点击状态，默认为false)
89.2.程序内设置element1和element2用于保存点击的元件名称，默认为空。用户点击元件1后，flag变为true，element2变为元件1。
90.3.点击元件2，flag变回false，element1值为元件1，element2值为元件2。此时根
据element1，2中存储的元件名，将元件1和元件2对应的节点相连接，元件1.next＝元件2。
91.4.点击元件2和元件3，将元件2和元件3连接，按照这种方法搭建通信系统。
92.结束连线后，可点击上方的调参按钮，在双击想改变参数的元件，即会弹出改变参数的窗口，将改变的数值填入对应的文本框，关闭窗口后，元件的参数就会改变。
93.以上实施结束后，用户点击运行按钮，仿真便会从发送端开始，根据选择的发送端产生相应的信号，例如产生长度100的随机信号作为发送端节点的输出。若当前节点的下一个节点不为空，则跳转至下一个节点，将上一个节点的输出作为当前节点的输入。当前节点的输入则由仿真代码运行得到。
94.根据绘制通信系统的复杂程度，待运行结束后，用户可点击元件区上方的示波按钮，来观察仿真实验的结果，如图5所示。图5中，中间的图是信号波形图，用户可以在下方的菜单中选择想要观察的波形，并通过输入坐标或直接在图片上使用滚轮调整观察的波形范围。图5中坐标代表的是信号的采样点，如图5中显示的是第24500到24600采样点的波形，其中每个码元的采样点数量(即采样率)可以在全局变量中自行设置。
95.示波器窗口正中间为根据元件信号所画成的图例，左下角的下拉菜单中，每一栏对应电路中的每一个元件，根据选择不同的元件，窗口图例进行相应的改变。同时，因为某些元件观测信号的初始范围较广，示波器支持根据在图的某一区段滚动鼠标中轴，或者在中部文本框输入数字，显示相应范围的数据结果。
96.本实施例可应用于不同的应用场景，例如教师在光通信课程的讲解中，可根据教学内容在课堂上搭建相应的仿真系统，使课堂更生动形象的同时，还可通过调参设置，以及示波器的可视反馈，加强学生对于元器件特性和特定参数影响的认识，老师可以边操作变讲，同时对比使用真实器材，更加安全且成本大大降低。同时学生在学习过程中也可学习本项目开源的元器件仿真源码，深入了解元器件内含的数学原理和培养如何在电脑中仿真的抽象意识。
97.本发明使用了python语言编写，内置丰富且功能强大的函数库，通过tkinter和numpy等，在保证基础功能实现的前提下，使整体软件轻量便捷，有一定运行速度，方便学生成员动手操作，极大缩短开发周期；本发明拥有强大的仿真环境，在通过各项参数传调和默认设置中，可以模拟实现大多情况下的科研情景，考虑到了噪声波形，误码率的问题，在不依赖其他仿真框架的前提下，保证了计算结果的精确和可靠性，同时内置了多种实用的元件，用户可进行自由组合来满足自己的需求；本发明基于当代大学生及研究人员的科研需求，在对国外软件操作方式进行深一步学习和扩展的前提下，设计了简约易懂的工作界面，明确了各部分的分块分工，易于满足用户的科研需要，大大降低了使用该软件的学习成本；本发明通过示波器以及一系列预计添加的可视化工具，用户可在元件运行结束后，直接观测到具体到每一个元件的仿真结果，结果由图表进行可视化呈现，用户可更具象的了解实验结果，减轻了数据加工负担，加快科研活动的实施。
98.以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.光通信仿真模拟系统，其特征在于，包括：元件库，用于添加实验条件数据和环境数据，模拟真实环境；仿真模拟模块，用于对不同信道提供不同的模拟方法，并采用numpy扩展程序库内部封装完成的仿真模拟算法，对传输的模拟数据进行计算，同时生成相应图像，得到仿真结果；可视化工具，用于将仿真结果进行展示，供实验人员观察。2.根据权利要求1所述的光通信仿真模拟系统，其特征在于，所述元件库包括：发送接收端模块，用于发送或接收信号并进行数字信号处理，所述数字信号处理具体包括下采样和时钟同步；调制模块，用于对发送的信号进行调制，使信号适应不同信道环境；解调模块，用于对接收的信号进行解调，恢复原始数据；噪声模块，用于对信号添加随机噪声；信道模块，用于提供若干种不同的信道来传递信号。3.根据权利要求1所述的光通信仿真模拟系统，其特征在于，所述仿真模拟模块包括：发送模块，用于实现信号发送模拟；qpsk调制解调模块，用于对信号实现qpsk调制与解调的模拟过程；awgn信道模块，用于对信号提供模拟的awgn信道；ask调制解调模块，用于对信号实现ask调制与解调的模拟过程；dsp信道优化模块，用于对dsp信道进行优化处理；模型仿真模块，用于模拟构建可见光模型并进行仿真；光子计算模块，用于对传输的数据实现光子计算。4.根据权利要求1所述的光通信仿真模拟系统，其特征在于，所述可视化工具采用python软件内置的tkinter库；所述tkinter库设有主页面界面，所述主页面界面包括菜单栏、控制区、元件区和绘图区；所述主页面界面用于观察信号在各个元件中的传递状态以及各个元件输出的信号波形。5.根据权利要求4所述的光通信仿真模拟系统，其特征在于，所述控制区设有功能按钮；所述功能按钮包括“新建”，“打开”，“保存”，“撤销”和“运行”。6.根据权利要求4所述的光通信仿真模拟系统，其特征在于，所述元件区由菜单栏显示各组元件转为文件夹分组；每组文件夹内包含同组的元件，且元件区左上角还设有返回夹按钮，用于点击返回上一级文件夹。7.根据权利要求4所述的光通信仿真模拟系统，其特征在于，所述绘图区用于进行光学元件排放以及光学元件间的连线，且背景由纯色转为网格；在用户拖动光学元件时，通过代码得知当前光学元件的坐标，并判断距离最近的网格位置，完成元件下标的调整。8.根据权利要求7所述的光通信仿真模拟系统，其特征在于，所述绘图区绘制的光学元件以链表的形式保存，在运行时将按照绘制的系统依次运行各个光学元件，并最终得到仿真结果。

技术总结
本发明属于光通信技术领域，具体涉及光通信仿真模拟系统。系统包括：元件库，用于添加实验条件数据和环境数据，模拟真实环境；仿真模拟模块，用于对不同信道提供不同的模拟方法，并采用NumPy扩展程序库内部封装完成的仿真模拟算法，对传输的模拟数据进行计算，同时生成相应图像，得到仿真结果；可视化工具，用于将仿真结果进行展示，供实验人员观察。本发明具有开发周期短，仿真环境强大，交互性强，易于上手的特点。的特点。的特点。


技术研发人员：方祥民 毕美华 毛临涛 喻东翔 赵岚 周雪芳 杨国伟 胡淼
受保护的技术使用者：杭州电子科技大学
技术研发日：2023.06.21
技术公布日：2023/9/22