基于模块化光通信实验平台的光通信实验教学体系研究

李莉 李世宝 卢晓轩 张锡岭

【摘要】针对目前通信工程、物联网和计算机科学等专业使用的光通信技术实验平台存在的问题，在原有光纤教学实验箱的基础上，结合单片机，设计开发了一个可支持趣味性信源，具有开放的可见光/光纤链路及多种光调制方式的灵活性高﹑可扩展性及可设计性强的模块化光通信实验平台。并且利用该平台对以上专业的光通信技术类实验教学体系进行了统一规划，能为以上三个专业的5门课程提供丰富的光通信演示实验，能为通信工程专业的2门专业课程提供灵活的可设计型实验，并能支持通信工程专业的暑期实习，也能为毕业设计和大学生科技创新活动提供基础实验平台。该项目应用范围广，学生受益面大，能切实培养学生的创新性思维，提高学生动手能力，为以问题为导向的研究型教学提供了必要的实验保障，具有较大的实用价值和推广意义。

【关键词】光通信实验平台 光通信实验教学体系 研究型教学

【基金项目】中国石油大学（华东）教学实验技术改革项目-重点项目（SY-A201608）。

【中图分类号】TP393.09 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2018）27-0221-02

光通信技术是现代通信网的基石，光纤网络为物联网、互联网以及移动通信网提供了海量的带宽支持，光通信已经渗入到了人类生活的方方面面，在人类日常生活中扮演着至关重要的角色，因此社会对光通信技术方面人才的需求量也日益增加。光通信技术也是通信工程、物联网和计算机科学等专业学生的必要的素养之一。目前，国内高校的相关专业大都开设了光通信类的理论与实验课程。

1.现有光通信实验设备存在问题

目前，国内上述专业的光通信技術类实验，采用设备主要是为《光纤通信》课程配套的实验箱，我校通信工程专业开设的《光纤通信》课程也使用此类实验箱。而此类实验箱主要存在以下缺陷：（1）直观性差。光纤通信实验箱采用封闭光纤链路，传输的是不可见的近红外光，导致学生做实验时根本感受不到光信号的存在，与采用其他信道传输信号的直观感受无异。（2）趣味性差。光纤通信实验箱只能传输实验箱内置的简单信号源输出的信号，不能传输现实生活中的各种真实的数据、语音或传感信号，缺乏趣味性，难以激发学生的学习兴趣。（3）灵活性差。由于实验箱输入数据端的封闭，难以利用该实验箱按学生的自主设计实现个性化的光通信系统，因此可设计性差。

2.新开发的光通信实验平台的主要内容与特色

基于以上原因，我们基于可见光/光纤链路、单片机以及趣味性信源设计开发了光通信实验平台。如图1所示，该实验平台主要包括可见光通信系统和基于光纤通信实验箱的光纤传输系统两部分，每个部分均可实现五子棋游戏、智能风扇控制、温度监测和音乐传输。

本平台采用模块化的设计方法，实验平台的系统原理框图如图2所示。信源/信宿采用五子棋游戏机、温度传感器、风扇、音乐播放器等趣味性设备[1]。光发送模块完成光电转换、光接收模块实现电光转换。采用单片机实现如下功能模块：电平转换、信源编码、信道编码、液晶屏管理、按键管理等。根据信源输出的数据类型不同，可以选择采用不同的信源编解码模块，例如CVDS模块、LD-CELP模块、PCM模块等；根据传输性能的不同要求，可以选择采用不同的信道编解码模块，例如正反码模块、奇偶校验码模块、循环码模块、卷积码模块、Turbo码模块等[2，6]；对于不同的数据，选择采用不同的电平转换模块；可根据需求选择光纤或可见光传输，从而选择相应的光发和光收模块实现来实现；在光发/光收模块中，可根据需求选择如光强度调制/解调、光相位调制/解调等不同的调制方式[3]；根据系统的需求，也可选择使用单向通信或双向通信；对于光纤通信系统，可根据设计需求，选择是否使用波分复用系统。

采用模块的设计方法，保证了该实验平台的灵活性﹑可扩展性及可设计性。一方面，使得该实验平台能根据教学需求进行快速更新和扩展；另一方面，根据不同课程的教学要求，学生可根据自己需求，利用该系统平台提供的各个模块，自主设计实现实际的光通信系统，为研究型教学和设计型实验开展提供了重要保障。

图1 光通信实验平台组成

图2光通信实验平台的系统原理框图

3.基于光通信实验平台的光通信实验体系设计

基于开发的光通信实验平台，对我校的通信工程、物联网和计算机等专业的光通信技术实验教学体系进行了规划，详情如图3所示[4-5]。该实验体系涉及了通信工程、物联网和计算机科学专业共5门课程，包括必修课及专业选修课程的实验教学；同时也涉及了通信工程专业的暑期实习，及相关专业的毕业设计和大学生科技创新活动等环节；对于通信工程专业学生来说，基于该实验平台的实验体系贯穿了大学四年的学习过程，学生受益面大， 对培养学生光通信技术方面的能力影响深远。

目前，本光通信实验平台能为我校通信工程专业的《通信概论》课程、大一暑期认知实习、物联网专业及计算机科学专业开设的《数据通信原理》课程各提供4个学时的光通信演示实验。具体内容包括：可见光/光纤通信的五子棋游戏系统、基于可见光/光纤通信的智能风扇控制系统、基于可见光/光纤通信的温度监测系统、基于可见光/光纤通信的音乐传输系统4个演示实验。并且，随着教学需要，今后可在平台上灵活的增加所需的演示实验。提供的演示实验，既可以在实验室中进行实物演示，也可将演示视频及相关技术资料上传到课程网站上，供学生自主浏览学习。

图3基于光通信实验平台的光通信实验体系

同时，该平台还能为通信工程专业的《信息论与编码》课程、《光纤通信》课程各提供4学时的光通信设计实验。旨在让学生根据自己的兴趣，利用平台提供的相关模块，自主设计一个能传输真实数据的光通信系统。在《信息论与编码》课程中，光通信设计实验的目的是让学生利用平台提供的光传输链路，根据信源特点重点设计实现信源及信道编解码模块，从而构建一个完整的光通信系统。在《光纤通信》课程中，光通信设计实验要求学生利用平台提供的信源及信道编解码模块，重点是根据系统需求完成光传输链路的设计和实现，从而实现一个完整的光通信系统的自主设计和构建。这样，既能保证学生在不同课程中侧重不同模块的具体设计，而又能逐步建立起系统的概念。

此外，该实验平台也能为暑期实习、大学生创新活动及毕业设计提供实验平台及技术支持。对光通信技术感兴趣的学生，根据自己的兴趣及项目的实际需要，可利用该平台，增加模块、丰富功能，设计实现实际的光通信系统。

因此，该实验平台的应用为以问题为导向的研究性教学提供了基础的实验平台，该实验体系的实施也极大地促进了学生创新性思维及动手能力的培养。

4.结语

本文针对目前国内高校中通信工程、物联网和计算机科学等专业的光通信技术实验平台存在的问题，结合单片机，设计开发了一个直观性好、趣味性强、灵活度高的能实现可见光/光纤通信的实验平台。该实验平台具有开放的光接口， 能支持多种信源，进行真实数据传输，支持多种设计性实验。并且基于该实验平台，对我校的通信工程、物联网和计算机科学专业的光通信技术实验教学体系进行了统一规划，《通信概论》、《信息论与编码》、《光纤通信》、《数据通信原理》课程开设了真实有趣的演示实验，为《光纤通信》、《信息论与编码》课程开设了设计型光通信实验，同时也能支持暑期实习、大学生创新活动及毕业设计。该实验平台的应用及实验体系的实施，能切实提高学生的科学素养，实现对学生动手能力的培养的“落地”，有效地增强学生的就业竞争力。

参考文献：

[1]何子龙，李公羽，王建.最小光通信实验系统研制与应用[J].实验技术与管理，2012（7）：64-66.

[2]陈彪，高爽，顾典.正交频分复用光通信实验系统设计与实现[J].实验室研究与探索，2014（9）：61-63.

[3]宋效正，刘璐，汤俊雄.无线光通信卷积交织与编码的实验及仿真研究[J].通信学报，2007（4）：13-17.

[4]何文森，杨华军，江萍，柯莎莎.教学研究型改革与实践的探索——“空间光通信创新实验”课程[J].大学物理，2014（6）：41-44.

[5]沈骁，陈陶，丁松峰.光通信综合实验教学研究与改革[J].实验室研究与探索，2011（2）：124-125.

[6]郭建中，艾勇，陈晶.光通信卷积码-误码测试系统设计及实验[J].光通信技术，2010（1）：56-58.