基于模塊化光通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的光通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系研究

李莉 李世寶 盧曉軒 張錫嶺

【摘要】針對目前通信工程、物聯(lián)網(wǎng)和計(jì)算機(jī)科學(xué)等專業(yè)使用的光通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)存在的問題，在原有光纖教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱的基礎(chǔ)上，結(jié)合單片機(jī)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一個(gè)可支持趣味性信源，具有開放的可見光/光纖鏈路及多種光調(diào)制方式的靈活性高﹑可擴(kuò)展性及可設(shè)計(jì)性強(qiáng)的模塊化光通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。并且利用該平臺(tái)對以上專業(yè)的光通信技術(shù)類實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系進(jìn)行了統(tǒng)一規(guī)劃，能為以上三個(gè)專業(yè)的5門課程提供豐富的光通信演示實(shí)驗(yàn)，能為通信工程專業(yè)的2門專業(yè)課程提供靈活的可設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，并能支持通信工程專業(yè)的暑期實(shí)習(xí)，也能為畢業(yè)設(shè)計(jì)和大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)提供基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該項(xiàng)目應(yīng)用范圍廣，學(xué)生受益面大，能切實(shí)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性思維，提高學(xué)生動(dòng)手能力，為以問題為導(dǎo)向的研究型教學(xué)提供了必要的實(shí)驗(yàn)保障，具有較大的實(shí)用價(jià)值和推廣意義。

【關(guān)鍵詞】光通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 光通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系 研究型教學(xué)

【基金項(xiàng)目】中國石油大學(xué)（華東）教學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)改革項(xiàng)目-重點(diǎn)項(xiàng)目（SY-A201608）。

【中圖分類號】TP393.09 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號】2095-3089（2018）27-0221-02

光通信技術(shù)是現(xiàn)代通信網(wǎng)的基石，光纖網(wǎng)絡(luò)為物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)以及移動(dòng)通信網(wǎng)提供了海量的帶寬支持，光通信已經(jīng)滲入到了人類生活的方方面面，在人類日常生活中扮演著至關(guān)重要的角色，因此社會(huì)對光通信技術(shù)方面人才的需求量也日益增加。光通信技術(shù)也是通信工程、物聯(lián)網(wǎng)和計(jì)算機(jī)科學(xué)等專業(yè)學(xué)生的必要的素養(yǎng)之一。目前，國內(nèi)高校的相關(guān)專業(yè)大都開設(shè)了光通信類的理論與實(shí)驗(yàn)課程。

1.現(xiàn)有光通信實(shí)驗(yàn)設(shè)備存在問題

目前，國內(nèi)上述專業(yè)的光通信技術(shù)類實(shí)驗(yàn)，采用設(shè)備主要是為《光纖通信》課程配套的實(shí)驗(yàn)箱，我校通信工程專業(yè)開設(shè)的《光纖通信》課程也使用此類實(shí)驗(yàn)箱。而此類實(shí)驗(yàn)箱主要存在以下缺陷：（1）直觀性差。光纖通信實(shí)驗(yàn)箱采用封閉光纖鏈路，傳輸?shù)氖遣豢梢姷慕t外光，導(dǎo)致學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí)根本感受不到光信號的存在，與采用其他信道傳輸信號的直觀感受無異。（2）趣味性差。光纖通信實(shí)驗(yàn)箱只能傳輸實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)置的簡單信號源輸出的信號，不能傳輸現(xiàn)實(shí)生活中的各種真實(shí)的數(shù)據(jù)、語音或傳感信號，缺乏趣味性，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。（3）靈活性差。由于實(shí)驗(yàn)箱輸入數(shù)據(jù)端的封閉，難以利用該實(shí)驗(yàn)箱按學(xué)生的自主設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的光通信系統(tǒng)，因此可設(shè)計(jì)性差。

2.新開發(fā)的光通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主要內(nèi)容與特色

基于以上原因，我們基于可見光/光纖鏈路、單片機(jī)以及趣味性信源設(shè)計(jì)開發(fā)了光通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。如圖1所示，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包括可見光通信系統(tǒng)和基于光纖通信實(shí)驗(yàn)箱的光纖傳輸系統(tǒng)兩部分，每個(gè)部分均可實(shí)現(xiàn)五子棋游戲、智能風(fēng)扇控制、溫度監(jiān)測和音樂傳輸。

本平臺(tái)采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。信源/信宿采用五子棋游戲機(jī)、溫度傳感器、風(fēng)扇、音樂播放器等趣味性設(shè)備[1]。光發(fā)送模塊完成光電轉(zhuǎn)換、光接收模塊實(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換。采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)如下功能模塊：電平轉(zhuǎn)換、信源編碼、信道編碼、液晶屏管理、按鍵管理等。根據(jù)信源輸出的數(shù)據(jù)類型不同，可以選擇采用不同的信源編解碼模塊，例如CVDS模塊、LD-CELP模塊、PCM模塊等；根據(jù)傳輸性能的不同要求，可以選擇采用不同的信道編解碼模塊，例如正反碼模塊、奇偶校驗(yàn)碼模塊、循環(huán)碼模塊、卷積碼模塊、Turbo碼模塊等[2，6]；對于不同的數(shù)據(jù)，選擇采用不同的電平轉(zhuǎn)換模塊；可根據(jù)需求選擇光纖或可見光傳輸，從而選擇相應(yīng)的光發(fā)和光收模塊實(shí)現(xiàn)來實(shí)現(xiàn)；在光發(fā)/光收模塊中，可根據(jù)需求選擇如光強(qiáng)度調(diào)制/解調(diào)、光相位調(diào)制/解調(diào)等不同的調(diào)制方式[3]；根據(jù)系統(tǒng)的需求，也可選擇使用單向通信或雙向通信；對于光纖通信系統(tǒng)，可根據(jù)設(shè)計(jì)需求，選擇是否使用波分復(fù)用系統(tǒng)。

采用模塊的設(shè)計(jì)方法，保證了該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的靈活性﹑可擴(kuò)展性及可設(shè)計(jì)性。一方面，使得該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能根據(jù)教學(xué)需求進(jìn)行快速更新和擴(kuò)展；另一方面，根據(jù)不同課程的教學(xué)要求，學(xué)生可根據(jù)自己需求，利用該系統(tǒng)平臺(tái)提供的各個(gè)模塊，自主設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)實(shí)際的光通信系統(tǒng)，為研究型教學(xué)和設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)開展提供了重要保障。

圖1 光通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)組成

圖2光通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的系統(tǒng)原理框圖

3.基于光通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的光通信實(shí)驗(yàn)體系設(shè)計(jì)

基于開發(fā)的光通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對我校的通信工程、物聯(lián)網(wǎng)和計(jì)算機(jī)等專業(yè)的光通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系進(jìn)行了規(guī)劃，詳情如圖3所示[4-5]。該實(shí)驗(yàn)體系涉及了通信工程、物聯(lián)網(wǎng)和計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)共5門課程，包括必修課及專業(yè)選修課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)；同時(shí)也涉及了通信工程專業(yè)的暑期實(shí)習(xí)，及相關(guān)專業(yè)的畢業(yè)設(shè)計(jì)和大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)等環(huán)節(jié)；對于通信工程專業(yè)學(xué)生來說，基于該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)體系貫穿了大學(xué)四年的學(xué)習(xí)過程，學(xué)生受益面大， 對培養(yǎng)學(xué)生光通信技術(shù)方面的能力影響深遠(yuǎn)。

目前，本光通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能為我校通信工程專業(yè)的《通信概論》課程、大一暑期認(rèn)知實(shí)習(xí)、物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)及計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)開設(shè)的《數(shù)據(jù)通信原理》課程各提供4個(gè)學(xué)時(shí)的光通信演示實(shí)驗(yàn)。具體內(nèi)容包括：可見光/光纖通信的五子棋游戲系統(tǒng)、基于可見光/光纖通信的智能風(fēng)扇控制系統(tǒng)、基于可見光/光纖通信的溫度監(jiān)測系統(tǒng)、基于可見光/光纖通信的音樂傳輸系統(tǒng)4個(gè)演示實(shí)驗(yàn)。并且，隨著教學(xué)需要，今后可在平臺(tái)上靈活的增加所需的演示實(shí)驗(yàn)。提供的演示實(shí)驗(yàn)，既可以在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行實(shí)物演示，也可將演示視頻及相關(guān)技術(shù)資料上傳到課程網(wǎng)站上，供學(xué)生自主瀏覽學(xué)習(xí)。

圖3基于光通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的光通信實(shí)驗(yàn)體系

同時(shí)，該平臺(tái)還能為通信工程專業(yè)的《信息論與編碼》課程、《光纖通信》課程各提供4學(xué)時(shí)的光通信設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。旨在讓學(xué)生根據(jù)自己的興趣，利用平臺(tái)提供的相關(guān)模塊，自主設(shè)計(jì)一個(gè)能傳輸真實(shí)數(shù)據(jù)的光通信系統(tǒng)。在《信息論與編碼》課程中，光通信設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的目的是讓學(xué)生利用平臺(tái)提供的光傳輸鏈路，根據(jù)信源特點(diǎn)重點(diǎn)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)信源及信道編解碼模塊，從而構(gòu)建一個(gè)完整的光通信系統(tǒng)。在《光纖通信》課程中，光通信設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生利用平臺(tái)提供的信源及信道編解碼模塊，重點(diǎn)是根據(jù)系統(tǒng)需求完成光傳輸鏈路的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的光通信系統(tǒng)的自主設(shè)計(jì)和構(gòu)建。這樣，既能保證學(xué)生在不同課程中側(cè)重不同模塊的具體設(shè)計(jì)，而又能逐步建立起系統(tǒng)的概念。

此外，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)也能為暑期實(shí)習(xí)、大學(xué)生創(chuàng)新活動(dòng)及畢業(yè)設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及技術(shù)支持。對光通信技術(shù)感興趣的學(xué)生，根據(jù)自己的興趣及項(xiàng)目的實(shí)際需要，可利用該平臺(tái)，增加模塊、豐富功能，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)實(shí)際的光通信系統(tǒng)。

因此，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用為以問題為導(dǎo)向的研究性教學(xué)提供了基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該實(shí)驗(yàn)體系的實(shí)施也極大地促進(jìn)了學(xué)生創(chuàng)新性思維及動(dòng)手能力的培養(yǎng)。

4.結(jié)語

本文針對目前國內(nèi)高校中通信工程、物聯(lián)網(wǎng)和計(jì)算機(jī)科學(xué)等專業(yè)的光通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)存在的問題，結(jié)合單片機(jī)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一個(gè)直觀性好、趣味性強(qiáng)、靈活度高的能實(shí)現(xiàn)可見光/光纖通信的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有開放的光接口， 能支持多種信源，進(jìn)行真實(shí)數(shù)據(jù)傳輸，支持多種設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。并且基于該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對我校的通信工程、物聯(lián)網(wǎng)和計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)的光通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系進(jìn)行了統(tǒng)一規(guī)劃，《通信概論》、《信息論與編碼》、《光纖通信》、《數(shù)據(jù)通信原理》課程開設(shè)了真實(shí)有趣的演示實(shí)驗(yàn)，為《光纖通信》、《信息論與編碼》課程開設(shè)了設(shè)計(jì)型光通信實(shí)驗(yàn)，同時(shí)也能支持暑期實(shí)習(xí)、大學(xué)生創(chuàng)新活動(dòng)及畢業(yè)設(shè)計(jì)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用及實(shí)驗(yàn)體系的實(shí)施，能切實(shí)提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)對學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)的“落地”，有效地增強(qiáng)學(xué)生的就業(yè)競爭力。

參考文獻(xiàn)：

[1]何子龍，李公羽，王建.最小光通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研制與應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012（7）：64-66.

[2]陳彪，高爽，顧典.正交頻分復(fù)用光通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2014（9）：61-63.

[3]宋效正，劉璐，湯俊雄.無線光通信卷積交織與編碼的實(shí)驗(yàn)及仿真研究[J].通信學(xué)報(bào)，2007（4）：13-17.

[4]何文森，楊華軍，江萍，柯莎莎.教學(xué)研究型改革與實(shí)踐的探索——“空間光通信創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)”課程[J].大學(xué)物理，2014（6）：41-44.

[5]沈驍，陳陶，丁松峰.光通信綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究與改革[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011（2）：124-125.

[6]郭建中，艾勇，陳晶.光通信卷積碼-誤碼測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)[J].光通信技術(shù)，2010（1）：56-58.