室内可见光通信实践教学创新实验系统设计方案

2018-06-05王旭东张凯尧单甜甜

实验技术与管理 2018年5期

王旭东, 暴桐, 张凯尧, 单甜甜

(大连海事大学信息科学技术学院, 辽宁大连 116026)

为进一步提高高等教育质量、促进学生全面发展、推动毕业生创业就业、强化服务国家现代化意识,深化高校创新创业教育改革势在必行[1-3]。我校通信工程本科专业涵盖大量涉及通信基础理论及专业知识的课程,其理论及实践性较强[4]。该课程体系的设置及培养目标在深化创新创业教育理念方面,还存在一些不容忽视的突出问题[5],主要体现在创新创业教育理念相对滞后,涉及创新创业研究方法、学科前沿技术引导等创新创业课程实验环节匮乏,实践教学平台短缺,指导帮扶不到位等[6]。

为确保本专业培养的学生具备了解行业领域的当前热点、创新点的能力,以及具有较为开阔的视野和较高的综合素质,需要对现有课程体系进行改革。同时,也根据专业创新创业教育改革要求,将创新创业教育理念融入到专业课程体系改革中,以此在培养学生创新思维和创新能力方面提供强有力的支持[7-9]。

从突出和强化本专业实验及实践教学环节角度出发,针对开设学科领域先进通信技术实验要求,提出了室内可见光通信创新实验系统设计方案。该方案基于通信原理和计算机软硬件基础知识,通过具有启发式和自主式的创新性实验设计,可以为学生学习可见光通信技术提供方便灵活的实验平台。该方案打破单一、传统的教学模式,将教师“灌输”知识这一被动模式转变为学生自主学习的模式。在增强学生主动、自觉性的同时,学生的思维、操作、创造、创新等能力均得到了锻炼和提升[10]。

1 实验平台理论基础

通信原理的先修课程包括单片机原理及应用、低频/高频电子线路设计,因此在设计基于单片机的可见光实验系统教学时,可以尽量不考虑单片机、低频/高频电子线路设计等内容。然而,为了增加学生学习的趣味性,同时为了满足技术前瞻性,实验系统设计方案选择的内容确定为目前通信领域的新兴热点——可见光通信技术。

可见光通信作为解决最后一公里无线接入的一个重要手段,被认为是5G关键技术之一。可见光通信采用强度调制/直接检测(IM/DD)技术,基于IM/DD技术的可见光通信系统模型(见图1)。发送端调制信号m(t)驱动LED高速开关,利用LED灯光的快速响应特性传输信号,即灯光承载的通信信号直接调制LED的发光强度x(t)来传输信息。相比于其他无线通信方法,可见光无害于人体,不受无线电频谱管制,可用于电磁敏感区,如医院、核电站、飞机等。接收端通过光电检测器(PD)将光辐射信号转变为电信号y(t)。

图1 基于IM/DD技术的可见光通信系统模型

在掌握可见光通信基础知识的前提下,将通信原理与现代化技术进行融合,围绕可见光通信基本概念及单片机编程技术展开,深化学生理论知识,同时保证不超出学生知识范围。可见光实验系统设计方案主要由计算机、硬件模块、信号调制解调组成。该方案的计算机以单片机编程为基础,但是与一般的单片机编程不同[11],须要遵循相应的可见光通信协议编程思想和编程方法。硬件模块包括放大模块和LED驱动模块的设计；信号调制解调有2种方案:OOK和PWM调制解调方案,其中OOK是最简单的调制方式,PWM调制方式采用JEITA-CP1222通信协议。

2 实验平台结构设计

本实验教学的核心教学内容是可见光通信原理及其技术,其硬件设计、单片机编程是使理论应用于实践的辅助工具,同时通信工程专业学生要求使用Matlab软件对通信系统性能仿真分析[12]。为了实验教学的可行性和标准性,对实验平台理论基础进行结构化设计(见图2)。

图2 实验平台结构

在经过对可见光通信原理理论学习后,明确硬件设计任务:电路PCB制版、调试，光电检测(PD)放大电路，LED驱动电路，调制/解调电路等。软件编程:基于单片机的调制/解调算法编程，基于Matlab的算法仿真实现。在硬件设计与软件编程实现的基础上,通过可见光通信原理内容和关键技术搭建实验环境,完成实验方案。在实施系统实验结束后,需要对实验数据进行处理和分析,给出相应实验结果。该实验教学具有启发式和自主式特点,具体内容和特点如下:

(1) 理论学习。教师在理论学习部分指导学生,使学生掌握可见光通信原理及其关键技术,了解可见光通信实现过程,明确学生在实验教学中的任务。

(2) 硬件设计。在理论课程学习的基础上,学生根据已掌握的知识自主式设计,包括放大电路和LED驱动电路。

(3) 软件编程。教师为学生提供碎片式代码,只提供编程思路,学生在读懂代码的情况下根据通信原理基础知识的要求修改代码,自主编程。学生是程序资源库的供给者,将成绩优秀者的代码进行入库编辑,作为下一届学生的学习资源。

(4) 系统实验。学生根据自己掌握的通信原理、可见光技术、编程代码、实验环境等内容完成实验教学任务。教师只负责处理设备故障、提供元器件等,不再做理论和实验指导,整个实验系统设计是一个学生完全自主式流程。每个学生有固定学时,自由选择实验时间,可以一次性完成实验系统设计,也可以多次累加学时完成实验系统设计。

(5) 数据分析。这一过程是对学生理论应用于实践的评判标准。可见光通信性能受软件、硬件基础知识的限制,同时本身受通信距离、通信角度、背景噪声、发射功率等实验环境的影响,这些将会导致实验教学的结果多元化。学生通过Matlab软件对通信性能做分析,以数据分析的报告形式提交,作为成绩评定的一部分。

(6) 成绩评定。学生成绩分为5个等级:A、B+、B、C+和C。在保证出勤率和数据分析合理的基础下,完成可见光实验通信基本功能,成绩为C；硬件部分实现完整成绩为C+；能更改编程语言成绩为B；能自己实现编程语言成绩为B+；同时实现OOK和PWM调制方式成绩为A。

3 实验内容设计

可见光通信实验教学,是一种基于传统课程内容，针对课程体系和培养目标设计的创新实验,虽然具有多元性,但是不会更改通信原理课程核心内容。考虑计算机软件和硬件知识的条件下,教师起主导作用来确定可见光通信实验内容,具体包括:PD放大电路、LED驱动电路设计；基于OOK/PPM调制的单片机软件编程；可见光通信性能实验探究等。基于以上内容的确定,给出学生实验内容设计方案(见表1)。

表1 可见光通信实验教学内容

4 实例分析

课程内容和教学方案是理论型内容,在教学方案的实践过程中会受到多种实验环境的限制。为了保证教学方案的可操作性,需要联系实际情况,从实验的角度分析该方案。围绕教学方案的内容和目标,按照设计实验、测试实验、创新实验3个层次依次递进。其中OOK调制方式与PWM调制方式的发送端框图一致,本文给出基于OOK调制方式的可见光通信实验方案原理框图(见图3)。

在发送端,PC机或者各种移动终端设备作为信号源发送数据,串口模块将信息发送到微控制器处理,处理后的信号通过D/A转换、放大处理驱动LED电路,完成信号的发送。在接收端,光电二极管将光信号转换成电信号,放大模块将这微弱电信号放大处理后送入微控制器,完成A/D解调等过程,验证接收数据正确性,最后由串口模块输入到PC机显示,完成信号的接收。3个实验的具体过程如下:

(1) 设计实验。实验设计包括可见光通信模型、单片机编程、电路设计3部分内容。

图3 基于OOK调制方式的可见光通信实验方案原理框图

① 可见光通信模型。建立可见光通信模型,包括发送端和接收端的具体模块,同时应该掌握OOK/PWM调制解调过程,将信息通过串口模块发送/接收的过程。

② 单片机编程。微控制器是计算机软件编程的核心模块,该模块采用20脚DIP封装的增强型单片机C8051F330,可以提供完全的数据采集和控制,负责接收桥接芯片传输过来的数据,对数据进行调制解调、D/A、A/D处理,输出到下一级。

③ 电路设计。放大模块设计目标是提高带负载、增加抗干扰,对经过单片机内部的A/D转换后的数据再进行隔离处理,防止数字电路与模拟电路相互干扰。LED驱动电路选择电流驱动,一般选择4个LED并联,以5 V、300 mA供电,总功率为1 W。

(2) 测试实验。在完成设计实验的基础上,对实验方案进行测试。选择通信距离、发射角度、发射功率、背景光源等多种角度分析实际通信性能。可以通过示波器眼图、Matlab的信噪比与误码率仿真图分析通信系统性能,讨论设计方案的优缺点。

(3) 创新实验。设计的可见光通信系统性能受限于单片机性能和软件算法的局限性,拥有较低的传输速率。学生既可以通过改变硬件、软件条件,也可以改变编码方式,例如曼切斯特编码、密勒编码等,改善系统性能。对设计方案不做具体要求,合理即可。此外,学生可以根据已实现的可见光通信系统探究将其应用于室内可见光定位的设计方案中。