光纖通信視頻傳輸實(shí)驗(yàn)?zāi)K的設(shè)計(jì)及教學(xué)應(yīng)用

耿 濤， 賈英輝， 楊 瑩， 戴基明， 陳萬(wàn)志， 徐光憲

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院， 遼寧 葫蘆島 125105)

0 引 言

目前光纖通信已經(jīng)成為有線通信網(wǎng)的首選通信方式[1]，《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020年)》中明確提出推動(dòng)現(xiàn)有工科專業(yè)的改革創(chuàng)新[2-3]，強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)[4]，培養(yǎng)大批勝任行業(yè)發(fā)展需求的應(yīng)用型和技術(shù)技能型人才[5]。目前各高校光纖通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備普遍以實(shí)驗(yàn)箱或工程設(shè)備為主，存在封裝性強(qiáng)、集成度高、擴(kuò)展性差的弊端，實(shí)驗(yàn)教學(xué)完全照搬廠家產(chǎn)品，出于廠家對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的技術(shù)保密，沒有吸收、改進(jìn)和升級(jí)，實(shí)驗(yàn)層次淺顯化和表面化的現(xiàn)象十分突出，對(duì)學(xué)生應(yīng)用設(shè)計(jì)能力的提高造成一定的阻礙[6]。雖然部分高校在原實(shí)驗(yàn)設(shè)備的基礎(chǔ)之上進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)[7-9]，但也沒有突破工程訓(xùn)練與設(shè)計(jì)研發(fā)相融合、課程與課程相融合的創(chuàng)新型、綜合化的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和項(xiàng)目，不利于培養(yǎng)勝任行業(yè)發(fā)展需求的工程應(yīng)用和技術(shù)研發(fā)型人才。

1 光纖通信視頻傳輸實(shí)驗(yàn)?zāi)K的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

1.1 硬件設(shè)計(jì)

如圖1所示，視頻傳輸實(shí)驗(yàn)?zāi)K分為發(fā)送和接收兩部分，發(fā)送部分的主要功能是視頻信號(hào)采集、信號(hào)處理和電光轉(zhuǎn)換，接收部分的主要功能是光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理和恢復(fù)。

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

視頻光發(fā)送機(jī)實(shí)驗(yàn)?zāi)K和視頻光接收機(jī)實(shí)驗(yàn)?zāi)K如圖2、3所示，其中左側(cè)的可調(diào)電位器可以調(diào)節(jié)視頻信號(hào)的幅度、相位和失真度，視頻信號(hào)處理全過程均保留示波器測(cè)試接口，JTAG下載接口可進(jìn)行針對(duì)該設(shè)備的二次開發(fā)，開設(shè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，訓(xùn)練學(xué)生的設(shè)計(jì)研發(fā)能力。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件使用 Verilog HDL語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，發(fā)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(zhuǎn)換器和并串轉(zhuǎn)換器正常工作，為其必須的時(shí)鐘、數(shù)據(jù)及使能控制信號(hào)。

圖1 硬件原理框圖

圖2 視頻光發(fā)送機(jī)模塊

圖3 視頻光接收機(jī)模塊

圖4 發(fā)射模塊軟件流程圖

1.3 模塊調(diào)試

如圖5所示，經(jīng)過焊接、編程、下載和測(cè)試后，攝像頭采集的視頻信號(hào)經(jīng)過光發(fā)送機(jī)一系列的信號(hào)處理后轉(zhuǎn)成光信號(hào)，通過光纖傳輸至接收機(jī)經(jīng)過逆處理后送至顯示器顯示圖像信息，圖像清晰、質(zhì)量穩(wěn)定，為學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供測(cè)試對(duì)比模型。

圖5 實(shí)驗(yàn)效果圖

1.4 應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

該視頻光纖實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是從實(shí)際產(chǎn)品開發(fā)的角度從硬件和軟件兩方面訓(xùn)練學(xué)生設(shè)計(jì)、研發(fā)能力和工程實(shí)踐能力，目標(biāo)性和針對(duì)性極強(qiáng)，從視頻圖像的角度闡述光纖傳輸原理，實(shí)驗(yàn)效果明顯，這種以學(xué)生為中心，參與式和全過程體驗(yàn)式的實(shí)驗(yàn)方式極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)的積極性，從設(shè)計(jì)、研發(fā)能力達(dá)成和多課程知識(shí)綜合應(yīng)用最終考核目標(biāo)，克服了以往實(shí)驗(yàn)主要以考核學(xué)生某個(gè)知識(shí)點(diǎn)為主的方式，極易引起學(xué)生實(shí)驗(yàn)的興趣。開放式的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不但克服了工程設(shè)備封裝性過強(qiáng)，設(shè)備不可開發(fā)的缺點(diǎn)，而且克服了眾多高校在光纖通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)中完全照搬封裝性較強(qiáng)的光纖通信實(shí)驗(yàn)箱，沒有突破實(shí)驗(yàn)設(shè)備以驗(yàn)證知識(shí)點(diǎn)為中心的設(shè)計(jì)理念。實(shí)驗(yàn)深度和廣度密切支撐設(shè)計(jì)、研發(fā)人才的培養(yǎng)目標(biāo)，學(xué)生可通過焊接、設(shè)計(jì)、仿真、編程和調(diào)試多個(gè)實(shí)驗(yàn)階段的訓(xùn)練，實(shí)驗(yàn)方式豐富、過程有趣，學(xué)生始終處于主動(dòng)參與的地位，克服了只能按照廠家提供的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，按部就班地完成實(shí)驗(yàn)，不僅難以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性，反而對(duì)學(xué)生應(yīng)用設(shè)計(jì)能力的提高造成一定的阻礙。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用

2.1 課程設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)相融合

開展深層次的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要較多的學(xué)時(shí)保障，但目前存在巨大的現(xiàn)實(shí)矛盾。一方面實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)不足，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)淺顯化和表面化現(xiàn)象十分突出，另一方面課程設(shè)計(jì)缺少相關(guān)可開發(fā)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備的支撐，多采用仿真軟件或者商用設(shè)備來進(jìn)行，為保障設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的開展和教學(xué)效果，光纖通信實(shí)驗(yàn)課程采用了課程設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)相融合，使實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)達(dá)到了32學(xué)時(shí)，既保障了課程設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量，又解決了兩者在實(shí)驗(yàn)設(shè)備和教學(xué)內(nèi)容等方面的沖突，提升了教學(xué)層次，同時(shí)使實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)和理論學(xué)時(shí)達(dá)到了1∶1的比例。

2.2 深入開展實(shí)驗(yàn)室開放

個(gè)性化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)促使實(shí)驗(yàn)教學(xué)必須在時(shí)間、空間、設(shè)備和項(xiàng)目上采取多種開放形式，以項(xiàng)目式的方式積極引導(dǎo)學(xué)生在課余時(shí)間進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室[10]。但由于高校實(shí)驗(yàn)室經(jīng)費(fèi)投入不足、硬件資源和師資力量有限的原因[11-12]，傳統(tǒng)的以實(shí)驗(yàn)預(yù)約為主的方式并沒有真正解決實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)不足和教學(xué)內(nèi)容眾多的矛盾，限制了培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)研發(fā)能力和應(yīng)用創(chuàng)新能力。光纖通信實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了空間、時(shí)間、項(xiàng)目和設(shè)備全方位的開放，依托專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，建立了融合光纖通信實(shí)驗(yàn)室的“光維工作室”大學(xué)生創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，選拔優(yōu)秀學(xué)生開展系統(tǒng)的培訓(xùn)，建立了一支跨年級(jí)、跨專業(yè)的高素質(zhì)學(xué)生團(tuán)隊(duì)。在實(shí)驗(yàn)室開放的過程中充分發(fā)揮了實(shí)驗(yàn)室?guī)熒鷪F(tuán)隊(duì)在人力、技術(shù)和管理方面的優(yōu)勢(shì)，課上由實(shí)驗(yàn)教師負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，實(shí)驗(yàn)室開放則主要由大學(xué)生創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)并對(duì)學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)所需的基本能力進(jìn)行指導(dǎo)，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(xué)生提供了不同層次的實(shí)驗(yàn)需求，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的利用效率得到極大的提升。

2.3 以能力為導(dǎo)向建立過程實(shí)驗(yàn)考核體系

為適應(yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與發(fā)展的需要，實(shí)驗(yàn)考核方法也需要不斷改革[13-15]。建立基于能力為導(dǎo)向的實(shí)驗(yàn)考核方式需要破除重結(jié)果、輕過程，重知識(shí)，輕能力的弊端，把考核重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到能力達(dá)成和實(shí)驗(yàn)過程中來，以此給出合理的成績(jī)。如表2所示，設(shè)計(jì)了視頻光端機(jī)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)考核指標(biāo)點(diǎn)。

為充分調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)參與實(shí)驗(yàn)的積極性，完善了實(shí)驗(yàn)過程考核，以答辯的方式詳細(xì)地記錄學(xué)生在每一個(gè)實(shí)驗(yàn)階段是否達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求，未通過考核的學(xué)生不允許進(jìn)入下一個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，根除實(shí)驗(yàn)坐車和實(shí)驗(yàn)報(bào)告抄襲的現(xiàn)象，最大程度地掌握每一個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)過程和效果，最后根據(jù)學(xué)生的過程考核和實(shí)驗(yàn)結(jié)果綜合給出能反應(yīng)學(xué)生能力達(dá)成的實(shí)驗(yàn)成績(jī)。

表2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目2級(jí)指標(biāo)考核點(diǎn)

2.4 教學(xué)團(tuán)隊(duì)全過程遞進(jìn)式保障實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

為了完成大量的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)指導(dǎo)工作量，保證教學(xué)效果，光纖通信實(shí)驗(yàn)課程的指導(dǎo)根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的內(nèi)容進(jìn)行了細(xì)化，采用了“1+1+3”教學(xué)團(tuán)隊(duì)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(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)教師分別主要負(fù)責(zé)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的硬件設(shè)計(jì)階段和軟件設(shè)計(jì)階段，另一名教師負(fù)責(zé)協(xié)助指導(dǎo)，而在實(shí)驗(yàn)室開放和基本技能指導(dǎo)方面則由3名學(xué)生團(tuán)隊(duì)的優(yōu)秀學(xué)生承擔(dān)，使實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師可以在課程中有更多的時(shí)間和精力指導(dǎo)學(xué)生關(guān)于實(shí)驗(yàn)方法、設(shè)計(jì)內(nèi)容、設(shè)計(jì)方法、實(shí)驗(yàn)調(diào)試等方面的內(nèi)容，這種模式一方面使最強(qiáng)的師資保障了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，另一方面對(duì)于學(xué)生和年輕教師的培養(yǎng)提供了很好的環(huán)境和條件，保障了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的持續(xù)性和連貫性。

3 結(jié) 語(yǔ)

隨著社會(huì)和企業(yè)越來越需求大量具有設(shè)計(jì)、研發(fā)和工程實(shí)踐能力的復(fù)合型光纖通信領(lǐng)域人才，光纖通信已經(jīng)成為通信類專業(yè)的必修專業(yè)課，因此研發(fā)基于實(shí)際產(chǎn)品的開放式的新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備，深入開展實(shí)驗(yàn)室開放，建立以能力達(dá)成為目標(biāo)基于過程的實(shí)驗(yàn)考核體系和保障措施就顯得尤為重要，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和參考價(jià)值。