室內可見光通信實踐教學創新實驗系統設計方案

王旭東, 暴 桐, 張凱堯, 單甜甜

(大連海事大學 信息科學技術學院, 遼寧 大連 116026)

為進一步提高高等教育質量、促進學生全面發展、推動畢業生創業就業、強化服務國家現代化意識,深化高校創新創業教育改革勢在必行[1-3]。我校通信工程本科專業涵蓋大量涉及通信基礎理論及專業知識的課程,其理論及實踐性較強[4]。該課程體系的設置及培養目標在深化創新創業教育理念方面,還存在一些不容忽視的突出問題[5],主要體現在創新創業教育理念相對滯后,涉及創新創業研究方法、學科前沿技術引導等創新創業課程實驗環節匱乏,實踐教學平臺短缺,指導幫扶不到位等[6]。

為確保本專業培養的學生具備了解行業領域的當前熱點、創新點的能力,以及具有較為開闊的視野和較高的綜合素質,需要對現有課程體系進行改革。同時,也根據專業創新創業教育改革要求,將創新創業教育理念融入到專業課程體系改革中,以此在培養學生創新思維和創新能力方面提供強有力的支持[7-9]。

從突出和強化本專業實驗及實踐教學環節角度出發,針對開設學科領域先進通信技術實驗要求,提出了室內可見光通信創新實驗系統設計方案。該方案基于通信原理和計算機軟硬件基礎知識,通過具有啟發式和自主式的創新性實驗設計,可以為學生學習可見光通信技術提供方便靈活的實驗平臺。該方案打破單一、傳統的教學模式,將教師“灌輸”知識這一被動模式轉變為學生自主學習的模式。在增強學生主動、自覺性的同時,學生的思維、操作、創造、創新等能力均得到了鍛煉和提升[10]。

1 實驗平臺理論基礎

通信原理的先修課程包括單片機原理及應用、低頻/高頻電子線路設計,因此在設計基于單片機的可見光實驗系統教學時,可以盡量不考慮單片機、低頻/高頻電子線路設計等內容。然而,為了增加學生學習的趣味性,同時為了滿足技術前瞻性,實驗系統設計方案選擇的內容確定為目前通信領域的新興熱點——可見光通信技術。

可見光通信作為解決最后一公里無線接入的一個重要手段,被認為是5G關鍵技術之一。可見光通信采用強度調制/直接檢測(IM/DD)技術,基于IM/DD技術的可見光通信系統模型(見圖1)。發送端調制信號m(t)驅動LED高速開關,利用LED燈光的快速響應特性傳輸信號,即燈光承載的通信信號直接調制LED的發光強度x(t)來傳輸信息。相比于其他無線通信方法,可見光無害于人體,不受無線電頻譜管制,可用于電磁敏感區,如醫院、核電站、飛機等。接收端通過光電檢測器(PD)將光輻射信號轉變為電信號y(t)。

圖1 基于IM/DD技術的可見光通信系統模型

在掌握可見光通信基礎知識的前提下,將通信原理與現代化技術進行融合,圍繞可見光通信基本概念及單片機編程技術展開,深化學生理論知識,同時保證不超出學生知識范圍。可見光實驗系統設計方案主要由計算機、硬件模塊、信號調制解調組成。該方案的計算機以單片機編程為基礎,但是與一般的單片機編程不同[11],須要遵循相應的可見光通信協議編程思想和編程方法。硬件模塊包括放大模塊和LED驅動模塊的設計；信號調制解調有2種方案:OOK和PWM調制解調方案,其中OOK是最簡單的調制方式,PWM調制方式采用JEITA-CP1222通信協議。

2 實驗平臺結構設計

本實驗教學的核心教學內容是可見光通信原理及其技術,其硬件設計、單片機編程是使理論應用于實踐的輔助工具,同時通信工程專業學生要求使用Matlab軟件對通信系統性能仿真分析[12]。為了實驗教學的可行性和標準性,對實驗平臺理論基礎進行結構化設計(見圖2)。

圖2 實驗平臺結構

在經過對可見光通信原理理論學習后,明確硬件設計任務:電路PCB制版、調試，光電檢測(PD)放大電路，LED驅動電路，調制/解調電路等。軟件編程:基于單片機的調制/解調算法編程，基于Matlab的算法仿真實現。在硬件設計與軟件編程實現的基礎上,通過可見光通信原理內容和關鍵技術搭建實驗環境,完成實驗方案。在實施系統實驗結束后,需要對實驗數據進行處理和分析,給出相應實驗結果。該實驗教學具有啟發式和自主式特點,具體內容和特點如下:

(1) 理論學習。教師在理論學習部分指導學生,使學生掌握可見光通信原理及其關鍵技術,了解可見光通信實現過程,明確學生在實驗教學中的任務。

(2) 硬件設計。在理論課程學習的基礎上,學生根據已掌握的知識自主式設計,包括放大電路和LED驅動電路。

(3) 軟件編程。教師為學生提供碎片式代碼,只提供編程思路,學生在讀懂代碼的情況下根據通信原理基礎知識的要求修改代碼,自主編程。學生是程序資源庫的供給者,將成績優秀者的代碼進行入庫編輯,作為下一屆學生的學習資源。

(4) 系統實驗。學生根據自己掌握的通信原理、可見光技術、編程代碼、實驗環境等內容完成實驗教學任務。教師只負責處理設備故障、提供元器件等,不再做理論和實驗指導,整個實驗系統設計是一個學生完全自主式流程。每個學生有固定學時,自由選擇實驗時間,可以一次性完成實驗系統設計,也可以多次累加學時完成實驗系統設計。

(5) 數據分析。這一過程是對學生理論應用于實踐的評判標準。可見光通信性能受軟件、硬件基礎知識的限制,同時本身受通信距離、通信角度、背景噪聲、發射功率等實驗環境的影響,這些將會導致實驗教學的結果多元化。學生通過Matlab軟件對通信性能做分析,以數據分析的報告形式提交,作為成績評定的一部分。

(6) 成績評定。學生成績分為5個等級:A、B+、B、C+和C。在保證出勤率和數據分析合理的基礎下,完成可見光實驗通信基本功能,成績為C；硬件部分實現完整成績為C+；能更改編程語言成績為B；能自己實現編程語言成績為B+；同時實現OOK和PWM調制方式成績為A。

3 實驗內容設計

可見光通信實驗教學,是一種基于傳統課程內容，針對課程體系和培養目標設計的創新實驗,雖然具有多元性,但是不會更改通信原理課程核心內容。考慮計算機軟件和硬件知識的條件下,教師起主導作用來確定可見光通信實驗內容,具體包括:PD放大電路、LED驅動電路設計；基于OOK/PPM調制的單片機軟件編程；可見光通信性能實驗探究等。基于以上內容的確定,給出學生實驗內容設計方案(見表1)。

表1 可見光通信實驗教學內容

4 實例分析

課程內容和教學方案是理論型內容,在教學方案的實踐過程中會受到多種實驗環境的限制。為了保證教學方案的可操作性,需要聯系實際情況,從實驗的角度分析該方案。圍繞教學方案的內容和目標,按照設計實驗、測試實驗、創新實驗3個層次依次遞進。其中OOK調制方式與PWM調制方式的發送端框圖一致,本文給出基于OOK調制方式的可見光通信實驗方案原理框圖(見圖3)。

在發送端,PC機或者各種移動終端設備作為信號源發送數據,串口模塊將信息發送到微控制器處理,處理后的信號通過D/A轉換、放大處理驅動LED電路,完成信號的發送。在接收端,光電二極管將光信號轉換成電信號,放大模塊將這微弱電信號放大處理后送入微控制器,完成A/D解調等過程,驗證接收數據正確性,最后由串口模塊輸入到PC機顯示,完成信號的接收。3個實驗的具體過程如下:

(1) 設計實驗。實驗設計包括可見光通信模型、單片機編程、電路設計3部分內容。

圖3 基于OOK調制方式的可見光通信實驗方案原理框圖

① 可見光通信模型。建立可見光通信模型,包括發送端和接收端的具體模塊,同時應該掌握OOK/PWM調制解調過程,將信息通過串口模塊發送/接收的過程。

② 單片機編程。微控制器是計算機軟件編程的核心模塊,該模塊采用20腳DIP封裝的增強型單片機C8051F330,可以提供完全的數據采集和控制,負責接收橋接芯片傳輸過來的數據,對數據進行調制解調、D/A、A/D處理,輸出到下一級。

③ 電路設計。放大模塊設計目標是提高帶負載、增加抗干擾,對經過單片機內部的A/D轉換后的數據再進行隔離處理,防止數字電路與模擬電路相互干擾。LED驅動電路選擇電流驅動,一般選擇4個LED并聯,以5 V、300 mA供電,總功率為1 W。

(2) 測試實驗。在完成設計實驗的基礎上,對實驗方案進行測試。選擇通信距離、發射角度、發射功率、背景光源等多種角度分析實際通信性能。可以通過示波器眼圖、Matlab的信噪比與誤碼率仿真圖分析通信系統性能,討論設計方案的優缺點。

(3) 創新實驗。設計的可見光通信系統性能受限于單片機性能和軟件算法的局限性,擁有較低的傳輸速率。學生既可以通過改變硬件、軟件條件,也可以改變編碼方式,例如曼切斯特編碼、密勒編碼等,改善系統性能。對設計方案不做具體要求,合理即可。此外,學生可以根據已實現的可見光通信系統探究將其應用于室內可見光定位的設計方案中。

5 結語

通信工程專業的課程體系設置及培養方案目標需

要符合創新創業教育理念,本文將創新創業教育理念應用到課程體系中,為學生設計了涵蓋了7個模塊的實驗,包括啟發式與自主式的創新性實驗。該創新實驗系統設計方案的實驗內容和流程,為學生提供了深入了解通信領域熱點的平臺,在擴大學生視野的同時,提高了學生自身的綜合創新思維和創新能力。

參考文獻(References)

[1] 周遠清,瞿振元,陳浩,等. 中國特色高等教育思想體系舉要[J]. 中國高教研究, 2017(4):1-25.

[2] 李國強. 高校內部質量保障體系建設的成效、問題與展望[J]. 中國高教研究, 2016(2):1-11.

[3] 曾天山,聶偉,崔吉芳,等. 未來五年我國教育改革發展預測分析[J]. 教育研究,2015(5):20-37.

[4] 王旭東,暴桐. “通信系統仿真”課程教學改革探討[J]. 科教導刊, 2016(9):109-110.

[5] 劉志侃,趙峰,張志偉. 地方高校電子信息類專業創新創業人才培養模式研究:現狀、問題與展望[J]. 高教論壇, 2016(1):30-35.

[6] 吳愛華,侯永峰,楊秋波,等. 加快發展和建設新工科主動適應和引領新經濟[J]. 高等工程教育研究, 2017(1):1-9.

[7] 徐立清. 地方應用型本科人才培養標準的設計思路與實現路徑[J]. 高等教育研究, 2017,38(5):81-85.

[8] 張景華,吳國新,劉一飛,等. 構建實踐教學體系促進創新人才培養[J]. 實驗技術與管理, 2017,34(2):25-27.

[9] 劉興華,王方艷. 以創新人才培養為核心的實驗室開放模式探索[J]. 實驗技術與管理, 2016,33(1):9-12,20.

[10] 孫麗珺,李莎,王玲玲,等. 通信工程專業程序設計類課程教學模式的探索[J]. 計算機教育, 2015(5):117-120.

[11] 楊建強,張其林. 基于ZigBee的無線傳感器網絡課程的講、演、練教學設計[J]. 計算機教育, 2017(7):73-76.

[12] 王茜,陳國達,李孝祿. 基于Matlab的過程控制系統仿真實驗設計[J]. 實驗技術與管理, 2017, 34(2):119-123.