劉 洋, 鄭傳濤, 王兆丹

(1. 吉林大學 a. 通信工程學院； b. 電子科學與工程學院, 長春 130012； 2. 空軍航空大學 航空基礎學院, 長春 130021)

0 引 言

新工科是相對于傳統(tǒng)工科而言的, 新工科更強調(diào)學科的實用性、 交叉性和綜合性, 具有引領性、 跨界性、 創(chuàng)新性和交融性等多個特征[1-6]。學科交叉融合正是新工科創(chuàng)新性和交融性的體現(xiàn)。學科交叉融合不斷打破學科邊界, 將多個學科知識體系相互融會貫通, 促進學科間相互滲透, 并且根據(jù)技術(shù)發(fā)展不斷引入新的知識[7]。

模擬電路實驗作為新工科建設的基礎, 具有很強的專業(yè)性、 技術(shù)性和實踐性, 在新工科人才培養(yǎng)方案中處于核心地位?，F(xiàn)存的教學方式無法滿足新工科人才培養(yǎng)要求[8], 如何使課程跟上新工科背景下的專業(yè)需求成為亟待解決的問題。筆者以新工科人才培養(yǎng)為目標, 以科學研究為支撐, 深度加強多學科的融合, 創(chuàng)新性地將模擬電路實驗與光通信等學科進行交叉融合, 提出了一個基于紅綠藍的發(fā)光二極管的可見光通信 (VLC: Visible Light Communication)系統(tǒng)的學科交叉實驗案例, 使學生在學習知識和技能的同時, 提高學生的知識應用和分析解決問題的能力, 培養(yǎng)學生的創(chuàng)造力以及快速學習新事物的能力, 以更好地適應新工科理念下的創(chuàng)新人才培養(yǎng)的要求。

1 多學科交叉創(chuàng)新實驗設計

1.1 設計目的

傳統(tǒng)的模擬電路實驗教學內(nèi)容依附理論知識, 以驗證性實驗為主, 很少涉及設計性實驗、 多學科交叉融合實驗和創(chuàng)新型實驗。教學內(nèi)容與實際工程問題脫節(jié), 難以適應當前電子學發(fā)展及學科交叉的實際需求[8]。針對以上問題, 筆者將傳統(tǒng)的模擬電路實驗融合多學科的知識, 不斷更新教學內(nèi)容, 整合模擬電子技術(shù)知識, 使學生能從不同的角度分析問題, 用不同學科的知識解決工程上、 科研中遇到的問題。

1.2 設計思路

在教學內(nèi)容的設置上, 緊跟學科發(fā)展, 融合多學科的知識, 不斷更新教學內(nèi)容, 整合模擬電子技術(shù)知識, 設置厚基礎、 活模塊、 多學科、 主題式和創(chuàng)新型實驗內(nèi)容。首先確定實驗主題, 在每個主題下打破傳統(tǒng)的章節(jié)界線, 將教學內(nèi)容分解和綜合, 使其模塊化, 將實驗內(nèi)容分為驗證性、 設計性、 研究性、 探索性和創(chuàng)新性等多個模塊, 每個實驗主題可靈活選用實驗模塊, 每一模塊的內(nèi)容與實驗主題密切相關(guān)。模擬電子技術(shù)實驗內(nèi)容設計圖如圖1所示。實驗內(nèi)容的設置由淺入深, 層層遞進, 學生在掌握基礎理論知識的基礎上, 分析、 解決、 探究問題, 真正地內(nèi)化、 生成和完成實驗主題。

圖1 模擬電子技術(shù)實驗內(nèi)容設計圖 圖2 TBL-RBL雙軌教學法設計圖 Fig.1 Diagram of analog electronic technology Fig.2 Diagram of TBL-RBL two track experiment content teaching method

在教學方法的選擇上, 主要采用TBL-RBL(Team Based Learning-Research Based Learning)雙軌教學法, 其設計圖如圖2所示。TBL是以團隊為基礎的教學法, RBL是以探究為基礎的教學法。

2 模擬電路實驗多學科交叉創(chuàng)新實驗案例

2.1 實驗主題

根據(jù)學生的興趣點、 教師團隊的科研方向和實際工程需求, 模擬電路實驗設置了4個實驗主題(見圖1)。這4個實驗主題分別為可見光通信、 汽車電子、 智慧醫(yī)療和仿生智能機器人, 基本融合了光學、 信號與信息處理等多學科知識, 每個主題都有明確的實驗任務。下面就以其中的VLC主題為例進行詳細闡述。

2.2 實驗模塊

VLC主題的最終任務是要求同學們自主設計VLC系統(tǒng), 分析系統(tǒng)性能。在VLC主題的背景下設置驗證性、 設計性和研究性3個模塊, 如圖3所示。其中驗證性實驗為設計性實驗打基礎, 設計性實驗為研究性實驗提供素材。

圖3 VLC主題實驗設計圖Fig.3 Diagram of thematic experiment

2.3 具體案例

在VLC系統(tǒng)設計中, 發(fā)送端通過白光LED(Light Emitting Diode)發(fā)送信號, 接收端通過光電檢測模塊接收信號。接收的信號非常微弱, 為此, 首先要對接收的電信號進行放大。同學們利用驗證性實驗中基本放大電路和集成運放的知識設計了VLC光電檢測模塊接收信號的多級放大電路, 如圖4所示。其中P1兩端為探測器輸出端的兩個引腳, 前面的放大器(OP37)的作用是將電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘柌⒎糯? 后面的放大器(OP37)將電壓信號進行2級放大。探測器接收信號波形圖如圖5所示, 經(jīng)過2級放大后的波形如圖6所示。從實驗結(jié)果可見, 設計的2級放大電路不失真地放大了交流信號, 可滿足后續(xù)電路需求。

圖4 信號放大電路設計圖Fig.4 Design of signal amplification circuit

圖5 探測器接收信號波形圖 圖6 2級放大后的波形 Fig.5 Waveform of received signal of detector Fig.6 Waveform after secondary amplification

3 基于RGB-LED的VLC系統(tǒng)設計實驗

在教師的指導下, 同學們小組合作, 自主探究, 在完成3個模塊實驗內(nèi)容的基礎上完成實驗主題, 撰寫論文。每個小組完成主題實驗的側(cè)重點不同, 如基于熒光LED通信的后均衡系統(tǒng)設計實驗、 基于正交頻分復用的VLC系統(tǒng)設計實驗、 基于RGB-LED的VLC系統(tǒng)設計實驗等。下面就以基于RGB-LED的VLC系統(tǒng)設計為例進行詳細闡述。

3.1 系統(tǒng)方案設計

VLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)含有光發(fā)送和接收模塊以及自由空間光通信信道。RGB-LED的VLC系統(tǒng)模型如圖7所示。發(fā)送部分采用隨機信息發(fā)生器生成隨機脈沖信號, 發(fā)送到調(diào)制模塊, 而后傳輸至RGB-LED驅(qū)動電路, 調(diào)制電路的發(fā)送端連接至RGB-LED照明設備。該方法是對調(diào)制的光信號進行發(fā)送, 并將其視為光電轉(zhuǎn)換, 最終將3波長光信號(復合生成白光)發(fā)送到自由空間[9-10]。

圖7 基于RGB-LED的VLC系統(tǒng)模型圖Fig.7 Diagram of VLC system model based on RGB-LED

3.2 系統(tǒng)實物圖

系統(tǒng)以ARM7-LPC2148為主控芯片, 通過改進的OOK (On-Off Keying)編碼調(diào)制將3路信號與3路LED驅(qū)動電壓分別進行耦合, 加載到RGB-LED上進行信息發(fā)送。在系統(tǒng)的接收端, 使用4種光電探測器對光信號進行接收, 然后通過選擇模塊對4路信號中的1路信號進行放大、 濾波、 整形處理, 并通過接收端的主控芯片LPC2148進行解調(diào)解碼, 將數(shù)據(jù)發(fā)送到液晶屏OLCD12864上顯示。系統(tǒng)發(fā)送端電路如圖8所示, 接收端電路如圖9所示。

圖8 系統(tǒng)發(fā)送端實物圖 圖9 系統(tǒng)接收端實物圖 Fig.8 Image of the transmitter Fig.9 Image of the receiving terminal

3.3 通信試驗與性能測試

3.3.1 信息傳輸速率測試

由接收端接收的波形如圖10所示。由圖10可見, 示波器一個格代表40 μs, 平均周期為3個格, 即120 μs, 所以信號頻率為8.4 kHz。

圖10 傳輸波形圖 圖11 光強與誤碼率折線圖 Fig.10 Transmission oscillogram Fig.11 Line chart of light intensity and bit error rate

3.3.2 誤碼率測試

通過實驗測試得藍色LED在不同距離下的壓強與誤碼率的關(guān)系數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 距離-光強-誤碼率的關(guān)系

為觀察方便, 將以上數(shù)據(jù)中光強與誤碼率的關(guān)系繪成折線圖(見圖11)。

由圖11可見, 發(fā)送端的光強為3 370 lux時, 誤碼率最低, 而大于和小于此光強時誤碼率均高于0.049%。綜上, 此系統(tǒng)的最佳通信狀態(tài)： 傳輸距離為1.5 cm, 光強為3 370 lux。

4 結(jié) 語

筆者從新工科人才培養(yǎng)的目標和任務出發(fā), 結(jié)合模擬電子技術(shù)實驗課程的特點, 在模擬電子技術(shù)實驗課程中深度融合多學科的知識, 提出了多學科交叉創(chuàng)新型模擬電路實驗設計方案, 詳細闡述了VLC主題下基于RGB-LED的VLC系統(tǒng)設計實驗案例。既滿足了新工科人才培養(yǎng)要求, 又充分調(diào)動了學生學習的積極性, 使學生具體了解可見光通信等前沿技術(shù), 培養(yǎng)了學生的創(chuàng)造力、 應用多學科的知識分析和解決問題的能力。