基于模塊化光通信實驗平臺的光通信實驗教學體系研究

李莉 李世寶 盧曉軒 張錫嶺

【摘要】針對目前通信工程、物聯網和計算機科學等專業使用的光通信技術實驗平臺存在的問題，在原有光纖教學實驗箱的基礎上，結合單片機，設計開發了一個可支持趣味性信源，具有開放的可見光/光纖鏈路及多種光調制方式的靈活性高﹑可擴展性及可設計性強的模塊化光通信實驗平臺。并且利用該平臺對以上專業的光通信技術類實驗教學體系進行了統一規劃，能為以上三個專業的5門課程提供豐富的光通信演示實驗，能為通信工程專業的2門專業課程提供靈活的可設計型實驗，并能支持通信工程專業的暑期實習，也能為畢業設計和大學生科技創新活動提供基礎實驗平臺。該項目應用范圍廣，學生受益面大，能切實培養學生的創新性思維，提高學生動手能力，為以問題為導向的研究型教學提供了必要的實驗保障，具有較大的實用價值和推廣意義。

【關鍵詞】光通信實驗平臺 光通信實驗教學體系 研究型教學

【基金項目】中國石油大學（華東）教學實驗技術改革項目-重點項目（SY-A201608）。

【中圖分類號】TP393.09 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2018）27-0221-02

光通信技術是現代通信網的基石，光纖網絡為物聯網、互聯網以及移動通信網提供了海量的帶寬支持，光通信已經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重要的角色，因此社會對光通信技術方面人才的需求量也日益增加。光通信技術也是通信工程、物聯網和計算機科學等專業學生的必要的素養之一。目前，國內高校的相關專業大都開設了光通信類的理論與實驗課程。

1.現有光通信實驗設備存在問題

目前，國內上述專業的光通信技術類實驗，采用設備主要是為《光纖通信》課程配套的實驗箱，我校通信工程專業開設的《光纖通信》課程也使用此類實驗箱。而此類實驗箱主要存在以下缺陷：（1）直觀性差。光纖通信實驗箱采用封閉光纖鏈路，傳輸的是不可見的近紅外光，導致學生做實驗時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。光纖通信實驗箱只能傳輸實驗箱內置的簡單信號源輸出的信號，不能傳輸現實生活中的各種真實的數據、語音或傳感信號，缺乏趣味性，難以激發學生的學習興趣。（3）靈活性差。由于實驗箱輸入數據端的封閉，難以利用該實驗箱按學生的自主設計實現個性化的光通信系統，因此可設計性差。

2.新開發的光通信實驗平臺的主要內容與特色

基于以上原因，我們基于可見光/光纖鏈路、單片機以及趣味性信源設計開發了光通信實驗平臺。如圖1所示，該實驗平臺主要包括可見光通信系統和基于光纖通信實驗箱的光纖傳輸系統兩部分，每個部分均可實現五子棋游戲、智能風扇控制、溫度監測和音樂傳輸。

本平臺采用模塊化的設計方法，實驗平臺的系統原理框圖如圖2所示。信源/信宿采用五子棋游戲機、溫度傳感器、風扇、音樂播放器等趣味性設備[1]。光發送模塊完成光電轉換、光接收模塊實現電光轉換。采用單片機實現如下功能模塊：電平轉換、信源編碼、信道編碼、液晶屏管理、按鍵管理等。根據信源輸出的數據類型不同，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、奇偶校驗碼模塊、循環碼模塊、卷積碼模塊、Turbo碼模塊等[2，6]；對于不同的數據，選擇采用不同的電平轉換模塊；可根據需求選擇光纖或可見光傳輸，從而選擇相應的光發和光收模塊實現來實現；在光發/光收模塊中，可根據需求選擇如光強度調制/解調、光相位調制/解調等不同的調制方式[3]；根據系統的需求，也可選擇使用單向通信或雙向通信；對于光纖通信系統，可根據設計需求，選擇是否使用波分復用系統。

采用模塊的設計方法，保證了該實驗平臺的靈活性﹑可擴展性及可設計性。一方面，使得該實驗平臺能根據教學需求進行快速更新和擴展；另一方面，根據不同課程的教學要求，學生可根據自己需求，利用該系統平臺提供的各個模塊，自主設計實現實際的光通信系統，為研究型教學和設計型實驗開展提供了重要保障。

圖1 光通信實驗平臺組成

圖2光通信實驗平臺的系統原理框圖

3.基于光通信實驗平臺的光通信實驗體系設計

基于開發的光通信實驗平臺，對我校的通信工程、物聯網和計算機等專業的光通信技術實驗教學體系進行了規劃，詳情如圖3所示[4-5]。該實驗體系涉及了通信工程、物聯網和計算機科學專業共5門課程，包括必修課及專業選修課程的實驗教學；同時也涉及了通信工程專業的暑期實習，及相關專業的畢業設計和大學生科技創新活動等環節；對于通信工程專業學生來說，基于該實驗平臺的實驗體系貫穿了大學四年的學習過程，學生受益面大， 對培養學生光通信技術方面的能力影響深遠。

目前，本光通信實驗平臺能為我校通信工程專業的《通信概論》課程、大一暑期認知實習、物聯網專業及計算機科學專業開設的《數據通信原理》課程各提供4個學時的光通信演示實驗。具體內容包括：可見光/光纖通信的五子棋游戲系統、基于可見光/光纖通信的智能風扇控制系統、基于可見光/光纖通信的溫度監測系統、基于可見光/光纖通信的音樂傳輸系統4個演示實驗。并且，隨著教學需要，今后可在平臺上靈活的增加所需的演示實驗。提供的演示實驗，既可以在實驗室中進行實物演示，也可將演示視頻及相關技術資料上傳到課程網站上，供學生自主瀏覽學習。

圖3基于光通信實驗平臺的光通信實驗體系

同時，該平臺還能為通信工程專業的《信息論與編碼》課程、《光纖通信》課程各提供4學時的光通信設計實驗。旨在讓學生根據自己的興趣，利用平臺提供的相關模塊，自主設計一個能傳輸真實數據的光通信系統。在《信息論與編碼》課程中，光通信設計實驗的目的是讓學生利用平臺提供的光傳輸鏈路，根據信源特點重點設計實現信源及信道編解碼模塊，從而構建一個完整的光通信系統。在《光纖通信》課程中，光通信設計實驗要求學生利用平臺提供的信源及信道編解碼模塊，重點是根據系統需求完成光傳輸鏈路的設計和實現，從而實現一個完整的光通信系統的自主設計和構建。這樣，既能保證學生在不同課程中側重不同模塊的具體設計，而又能逐步建立起系統的概念。

此外，該實驗平臺也能為暑期實習、大學生創新活動及畢業設計提供實驗平臺及技術支持。對光通信技術感興趣的學生，根據自己的興趣及項目的實際需要，可利用該平臺，增加模塊、豐富功能，設計實現實際的光通信系統。

因此，該實驗平臺的應用為以問題為導向的研究性教學提供了基礎的實驗平臺，該實驗體系的實施也極大地促進了學生創新性思維及動手能力的培養。

4.結語

本文針對目前國內高校中通信工程、物聯網和計算機科學等專業的光通信技術實驗平臺存在的問題，結合單片機，設計開發了一個直觀性好、趣味性強、靈活度高的能實現可見光/光纖通信的實驗平臺。該實驗平臺具有開放的光接口， 能支持多種信源，進行真實數據傳輸，支持多種設計性實驗。并且基于該實驗平臺，對我校的通信工程、物聯網和計算機科學專業的光通信技術實驗教學體系進行了統一規劃，《通信概論》、《信息論與編碼》、《光纖通信》、《數據通信原理》課程開設了真實有趣的演示實驗，為《光纖通信》、《信息論與編碼》課程開設了設計型光通信實驗，同時也能支持暑期實習、大學生創新活動及畢業設計。該實驗平臺的應用及實驗體系的實施，能切實提高學生的科學素養，實現對學生動手能力的培養的“落地”，有效地增強學生的就業競爭力。

參考文獻：

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