光纖通信視頻傳輸實驗模塊的設計及教學應用

耿 濤， 賈英輝， 楊 瑩， 戴基明， 陳萬志， 徐光憲

(遼寧工程技術大學 電子與信息工程學院， 遼寧 葫蘆島 125105)

0 引 言

目前光纖通信已經成為有線通信網的首選通信方式[1]，《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010—2020年)》中明確提出推動現有工科專業的改革創新[2-3]，強化實踐教學環節[4]，培養大批勝任行業發展需求的應用型和技術技能型人才[5]。目前各高校光纖通信實驗教學設備普遍以實驗箱或工程設備為主，存在封裝性強、集成度高、擴展性差的弊端，實驗教學完全照搬廠家產品，出于廠家對實驗設備的技術保密，沒有吸收、改進和升級，實驗層次淺顯化和表面化的現象十分突出，對學生應用設計能力的提高造成一定的阻礙[6]。雖然部分高校在原實驗設備的基礎之上進行了重新設計[7-9]，但也沒有突破工程訓練與設計研發相融合、課程與課程相融合的創新型、綜合化的實驗設備和項目，不利于培養勝任行業發展需求的工程應用和技術研發型人才。

1 光纖通信視頻傳輸實驗模塊的設計及應用

1.1 硬件設計

如圖1所示，視頻傳輸實驗模塊分為發送和接收兩部分，發送部分的主要功能是視頻信號采集、信號處理和電光轉換，接收部分的主要功能是光電轉換、信號處理和恢復。

發送部分視頻信號輸入接口使用高清攝像頭采集模擬視頻信號，送至高速視頻信號放大器，采用SGM9110視頻專用放大器芯片進行信號放大和濾波，放大后的視頻信號送至高速AD轉換器，采用TLC5510I視頻AD轉換器進行模數轉換，考慮外圍電路的簡潔性，主控芯片采用MAX II系列的EPM570ATC100-10，同時可為外圍核心器件提供時鐘、使能和控制等驅動信號，串行器采用SN65LV1023A并串轉換芯片將10位并行數字視頻信號轉換為高速串行LVDS信號，將此信號送入光模塊，采用差分1×9單發155M光模塊進行電光轉換后經由光纖發送至接收部分的光電轉換模塊。而接收部分則是發送部分的逆過程，首先光模塊接收視頻光信號后進行光電轉換，將 PCEL(偽發射極耦合邏輯)差分信號送至解復串器，采用SN65LV1224B串并轉換芯片將串行的數字信號轉換成10位并行的信號，送至FPGA控制器，采用EPM570ATC100-10芯片進行程序控制，數模轉換完成與模數轉換相反的功能，采用TLC5602C數模轉換器把數字編碼視頻信號數據轉換成標準模擬彩色全電視信號送至高速視頻信號放大器放大后，送至視頻信號輸出接口連接彩色顯示器進行視頻圖像顯示。

視頻光發送機實驗模塊和視頻光接收機實驗模塊如圖2、3所示，其中左側的可調電位器可以調節視頻信號的幅度、相位和失真度，視頻信號處理全過程均保留示波器測試接口，JTAG下載接口可進行針對該設備的二次開發，開設設計性實驗，訓練學生的設計研發能力。

1.2 軟件設計

軟件使用 Verilog HDL語言進行程序設計，發射模塊主要程序流程圖如圖4所示，軟件主要使用FPGA分頻控制AD轉換器和并串轉換器正常工作，為其必須的時鐘、數據及使能控制信號。

圖1 硬件原理框圖

圖2 視頻光發送機模塊

圖3 視頻光接收機模塊

圖4 發射模塊軟件流程圖

1.3 模塊調試

如圖5所示，經過焊接、編程、下載和測試后，攝像頭采集的視頻信號經過光發送機一系列的信號處理后轉成光信號，通過光纖傳輸至接收機經過逆處理后送至顯示器顯示圖像信息，圖像清晰、質量穩定，為學生開展實驗設計提供測試對比模型。

圖5 實驗效果圖

1.4 應用優勢

該視頻光纖實驗系統是從實際產品開發的角度從硬件和軟件兩方面訓練學生設計、研發能力和工程實踐能力，目標性和針對性極強，從視頻圖像的角度闡述光纖傳輸原理，實驗效果明顯，這種以學生為中心，參與式和全過程體驗式的實驗方式極大地調動了學生開展實驗的積極性，從設計、研發能力達成和多課程知識綜合應用最終考核目標，克服了以往實驗主要以考核學生某個知識點為主的方式，極易引起學生實驗的興趣。開放式的實驗系統不但克服了工程設備封裝性過強，設備不可開發的缺點，而且克服了眾多高校在光纖通信實驗教學中完全照搬封裝性較強的光纖通信實驗箱，沒有突破實驗設備以驗證知識點為中心的設計理念。實驗深度和廣度密切支撐設計、研發人才的培養目標，學生可通過焊接、設計、仿真、編程和調試多個實驗階段的訓練，實驗方式豐富、過程有趣，學生始終處于主動參與的地位，克服了只能按照廠家提供的實驗指導書，按部就班地完成實驗，不僅難以充分調動學生的積極性和創造性，反而對學生應用設計能力的提高造成一定的阻礙。

2 實驗教學應用

2.1 課程設計與實驗相融合

開展深層次的設計性實驗教學需要較多的學時保障，但目前存在巨大的現實矛盾。一方面實驗學時不足，導致實驗淺顯化和表面化現象十分突出，另一方面課程設計缺少相關可開發的實驗設備的支撐，多采用仿真軟件或者商用設備來進行，為保障設計性實驗的開展和教學效果，光纖通信實驗課程采用了課程設計與實驗相融合，使實驗學時達到了32學時，既保障了課程設計和實驗的教學質量，又解決了兩者在實驗設備和教學內容等方面的沖突，提升了教學層次，同時使實驗學時和理論學時達到了1∶1的比例。

2.2 深入開展實驗室開放

個性化的實驗教學促使實驗教學必須在時間、空間、設備和項目上采取多種開放形式，以項目式的方式積極引導學生在課余時間進入實驗室[10]。但由于高校實驗室經費投入不足、硬件資源和師資力量有限的原因[11-12]，傳統的以實驗預約為主的方式并沒有真正解決實驗學時不足和教學內容眾多的矛盾，限制了培養學生設計研發能力和應用創新能力。光纖通信實驗室實現了空間、時間、項目和設備全方位的開放，依托專業實驗室，建立了融合光纖通信實驗室的“光維工作室”大學生創新團隊，選拔優秀學生開展系統的培訓，建立了一支跨年級、跨專業的高素質學生團隊。在實驗室開放的過程中充分發揮了實驗室師生團隊在人力、技術和管理方面的優勢，課上由實驗教師負責實驗指導，實驗室開放則主要由大學生創新團隊負責并對學生開展實驗所需的基本能力進行指導，如焊接、軟件安裝、儀器使用等，這種資源配置模式為每一位學生提供了不同層次的實驗需求，使實驗教學資源的利用效率得到極大的提升。

2.3 以能力為導向建立過程實驗考核體系

為適應實驗教學改革與發展的需要，實驗考核方法也需要不斷改革[13-15]。建立基于能力為導向的實驗考核方式需要破除重結果、輕過程，重知識，輕能力的弊端，把考核重點轉移到能力達成和實驗過程中來，以此給出合理的成績。如表2所示，設計了視頻光端機設計性實驗考核指標點。

為充分調動學生主動參與實驗的積極性，完善了實驗過程考核，以答辯的方式詳細地記錄學生在每一個實驗階段是否達到實驗要求，未通過考核的學生不允許進入下一個實驗環節，根除實驗坐車和實驗報告抄襲的現象，最大程度地掌握每一個學生的學習過程和效果，最后根據學生的過程考核和實驗結果綜合給出能反應學生能力達成的實驗成績。

表2 實驗項目2級指標考核點

2.4 教學團隊全過程遞進式保障實驗教學效果

為了完成大量的設計性實驗教學指導工作量，保證教學效果，光纖通信實驗課程的指導根據實驗項目的內容進行了細化，采用了“1+1+3”教學團隊模式，即由1名在硬件方面和1名在軟件方面具有不同特長的實驗教師分別主要負責指導實驗的硬件設計階段和軟件設計階段，另一名教師負責協助指導，而在實驗室開放和基本技能指導方面則由3名學生團隊的優秀學生承擔，使實驗指導教師可以在課程中有更多的時間和精力指導學生關于實驗方法、設計內容、設計方法、實驗調試等方面的內容，這種模式一方面使最強的師資保障了實驗教學效果，另一方面對于學生和年輕教師的培養提供了很好的環境和條件，保障了實驗教學質量的持續性和連貫性。

3 結 語

隨著社會和企業越來越需求大量具有設計、研發和工程實踐能力的復合型光纖通信領域人才，光纖通信已經成為通信類專業的必修專業課，因此研發基于實際產品的開放式的新型實驗教學設備，深入開展實驗室開放，建立以能力達成為目標基于過程的實驗考核體系和保障措施就顯得尤為重要，具有十分重要的現實意義和參考價值。