无线光通信系统设计与实践

实验题目：无线光通信系统设计与实践

课程简要信息

课程名称：基础工程设计

课程学时：16学时

项目学时：16学时

适用专业：通信、电子信息、光通信、电子科学与技术、测控、自动化、物联网等专业

学生年级：大二下学期

实验内容与任务（限500字，可与“实验过程及要求”合并）

项目需要完成的任务（如需要观察的现象，分析某种现象的成因、需要解决的问题等）；是否设计有不同层次的任务。

基本要求：

1. 学习无线光通信基本理论，无线光通信发展及应用。了解无线光通信系统基本组成和工作过程，无线光通信系统电路实现与设计，能够了解光/电转换以及电/光过程，熟悉无线光视频传输系统工作原理。理解调制、解调等基本概念。

2. 通过示波器观察发射端的信号与接收端的信号，判断信号是否正常传输；利用障碍物阻挡无线光传输后，接收效果如何。能够增强学生们对测向原理的感性认识，在实际动手过程中提升学生对工程问题的分析和解决能力。

3. 结合无线光通信设备，体验实际无线光通信项目，提升知识实践运用的能力；当信道中可见光被阻挡时，是否可以有解决通信问题的办法。能够基于科学原理，以科学方法为指导，在实际工程和实践当中进行应用。

4. 基于模块集成光信号传输系统，测量传输波形和传输性能，传输距离不小于0.5米，发射功率不超过1W。

提升要求：

1. 设计光放大、恒流源、直交流耦合电路、跨阻放大和低噪声信号放大电路。

2. 设计并实现与恒流源阻抗匹配的驱动电路，通过晶体管和分立元件设计完成，使LED 发光处于稳定工作状态，以满足信号的光调制及保证系统的可靠传输。

3. 选用调制方式传输不同业务,传输距离不小于0.5米，速率不低于1Mbps，发射功率不超过1W。

实验过程及要求（限300字）

如对学生在实验过程中在需求分析、资料查询、自学预习、思考讨论、方法设计、进程规划、软件仿真、平台构建、器件选择、表格设计、现象观察、数据测试、问题分析、总结报告、验收答辩、演讲交流等各方面的要求。

1. 深入了解当前无线光通信领域对于大容量视频传输的实际需求，包括传输速率、视频分辨率、帧率、延迟要求等关键指标。分析不同应用场景（如室内安防监控、户外远程直播等）对视频传输系统的特殊需求；

2. 广泛查阅国内外关于无线光通信技术的文献资料，重点关注大容量视频传输相关的研究成果；自主学习无线光通信的基本原理，包括光信号的产生、传输、接收以及信号处理等知识；

3. 针对无线光通信大容量视频传输中可能出现的信号衰落、干扰等问题，思考有效的解决方案，并与同学进行讨论。探讨不同调制解调方式对视频传输质量的影响，分析在不同环境下哪种方式更具优势；

4. 根据设计方案搭建实际的无线光通信大容量视频传输实验平台。选择合适的微控制器、光发射模块、光接收模块以及视频采集和显示设备等硬件组件；

5. 挑选满足系统性能要求的光发射器件，如高功率的发光二极管（LED）或激光二极管（LD），确保其发射功率和调制带宽能够支持大容量视频的传输。选择高灵敏度、低噪声的光接收器件，如雪崩光电二极管（APD）或光电倍增管（PMT），以保证在弱光条件下准确接收光信号；

6. 在实验过程中仔细观察光信号的传输现象，如光信号的强度变化、光斑的形状和稳定性等。观察视频传输过程中的图像质量，包括是否存在卡顿、马赛克、丢帧等现象。

7. 撰写详细的设计总结报告，包括项目背景、需求分析、设计方案、实验过程、测试结果、问题分析与解决以及总结展望等内容。报告应条理清晰、内容详实，准确反映项目的实施过程和成果，并进行分组讨论。

相关知识及背景（限150字）

项目涉及所需的知识方法、实践技能、应用背景、工程案例。

随着人们对宽带移动通信需求的日益增长和全光通信技术的发展，无线光通信技术(Wireless Optical Communication)因其无需频带申请、信息容量大、造价低、灵活方便、易于维护等特点受到人们的极大关注。无线光通信大容量视频传输系统设计涉及光学、通信等多领域知识。它利用激光在自由空间传输光信号实现大容量视频数据传输。相关背景意义重大，在安防监控、高清视频直播等场景有广泛应用，能满足对高分辨率视频实时传输的需求，同时具有频谱资源丰富、抗电磁干扰等优势，对推动视频通信技术发展有重要作用。同时，无线光通信技术能够有效解决传统电磁波在水下衰减大和水声通信中传输容量小、时延长等问题，成为水下通信研究的热门领域。

实验环境条件

项目实施需要实验资源，包括实验装置功能、实验仪器设备、设计软件工具、主要电子元器件等。

发光二极管及PIN、APD等光电转化器件，面包板、单片机、FPGA等实验器件；

实验仪器包括信号源、示波器、稳压源、EDA设计软件。

教学目标与目的（限150字）

如学习、运用知识、技术、方法等；培养、提升技能、能力、素质等。

本课程集科技制作、国防安全、思政教育于一体，通过设计无线光通信大容量视频传输系统、体验无线光通信视频传输，掌握无线光通信系统的光信号传输原理，培养学生的专注力，促进德智体美全面发展，使学生了解光波传播的基本规律，训练学生逻辑思维能力和解决问题能力，了解无线光通信系统的基本构成、信息编码传输的基本过程、无线光通信视频传输系统的基本工作原理，为以后学习电子电路、电磁波与微波技术、通信原理、信源与信道编码等电子信息类相关专业课程奠定基础。

教学设计与实施进程

课堂知识讲解、方法引导、背景解释；实验中的方法指导，问题设置、思路引导等。教学模式、实验渠道、研讨主题、观察节点、验收重点、质询问题等方面设计等。实验实施进程的各个环节（如任务安排、预习自学、现场教学、分组研讨、现场操作、结果验收、总结演讲、报告批改等）中教学设计的思路、目的，教师、学生各自需要完成的工作任务，需要关注的重点与细节。

图（1） 三层次进阶式实验任务实验内容与实施过程

如上图（1）所示，本实验的过程构成一个完整的工程实践项目，学生需历经学习资料查阅、方案论证、系统设计、实现调试、测试分析以及设计总结等流程。在实验教学中，着重从以下几个方面对学生加以引导：

（1）预习检查

通过课堂测试，对学生课前理论预习进行检查，并对课堂中提及系统进行强调学习。

（2）整体检查

检查各项接口是否连接正确，确保无误后通电测试，观察LD是否点亮、FPGA是否正常运行，并确保光路之间无障碍。

（3）光接收调试

调节光发射和接收模块的对准角度，打开误码测试，不断调整光路，达到误码率最小时，固定发射端与接收端。

（4）无线光通信链路的调试

在理想的通信距离内，通过改变发射端和接收端之间的距离、遮挡部分光路等方式模拟实际通信环境中的干扰情况，观察系统对干扰的抵抗能力和视频传输的稳定性。若存在阻光性障碍物，可调整发射端或接收端位置或者增加中继设备，以确保在复杂环境下仍能实现稳定的大容量视频传输。

（5）视频质量评估及系统性能测试

在不同的传输速率、通信距离和干扰条件下进行多次测试，观测实时视频传输效果。

（6）实验总结

实验结束后，请同学们进行交流讨论，简述自己对该实验的了解与收获。

教学设计实施：通过本次无线光通信大容量视频传输系统设计与实践实验，培养学生具备整体规划和创新的设计思维，使其能够熟练掌握无线光通信领域的关键技术以及对应的实验方法。教师需清晰布置实验任务，对系统设计中的关键技术，如调制解调技术、信道编码技术等，以及实验操作中的注意事项，像光发射与接收模块的调试要点、实验环境光线干扰的排除等进行详细讲解，引导学生自主组队，严格按照实验要求设计并搭建无线光通信大容量视频传输系统。学生首先要深入理解无线光通信实现大容量视频传输的原理，在已掌握的通信原理、信号与系统、光电子技术等相关实验知识的基础上，从系统设计的宏观角度开展实验工作，结合实验方法论对系统进行设计、调试、验证与分析，最终实现无线光通信大容量视频传输系统从理论到实践的有效提升与应用，达到提升学生实践能力与创新思维的教学目标。

实验原理及方案

实验的基本原理、设计依据、完成任务的思路方法，可能采用的方法、技术、电路、器件。

(一)实验原理

无线光通信系统是利用可见光做为传输媒介进行的一种无线通信系统，其传输容量大、时延低和速率快等有点，能够在自由空间或者跨空水介质间进行实时视频传输，为无线光通信后续学习奠定坚实基础。

无线光通信是一种利用激光束作为载波在自由空间中进行信息传输的通信方式。其基本原理基于光的调制与解调过程。在发送端，电信号通过调制器对光源（如激光二极管）进行调制，使得光源发出的光信号强度、频率或相位等参数随电信号变化。常用的调制方式有强度调制 / 直接检测（IM/DD），例如脉冲位置调制（PPM）、正交幅度调制（QAM）等。在接收端，光信号通过光电探测器（如雪崩光电二极管 APD）转换为电信号，再经过解调恢复出原始的信息。

(二)实验方案

1.系统总体架构设计

如图（2）所示无线光通信系统主要由视频采集模块、视频编码模块、光发射模块、光接收模块、视频解码模块和显示模块组成。视频采集模块获取原始视频信号，经编码模块压缩后送入光发射模块进行光调制并发射；光接收模块接收光信号并转换为电信号，经视频解码模块解码后在显示模块播放。

图（2）无线光通信系统框图

2.模块设计

光发送机：通过上位机进行视频采集，经过FPGA进行调制后将电信号转化为光信号，与恒流源在Bias-T中耦合，由激光LD将光信号发送出去。光接收机：通过PMT探测光信号，将光信号转化为电信号后输入FPGA中进行解调，于PC上位机中显示实时视频传输效果。

3.性能评估指标

视频质量：视频延迟低，画面清晰。

传输误码率：根据发送数据数与接收数据数，计算误码率，评估传输的可靠性。

传输速率：对不同速率下视频传输质量进行观察。

教学现场 现场调试图

实操无线光视频传输系统 交流验收

实验报告要求

需要学生在实验报告中反映的工作（如：实验需求分析、实现方案论证、理论推导计算、设计仿真分析、电路参数选择、实验过程设计、数据测量记录、数据处理分析、实验结果总结等等），如：

（1）无线光通信视频传输需求剖析：明确视频传输的速率、延迟等性能指标要求，分析不同场景下对传输容量的需求。

（2）传输实现方案研讨：对比多种无线光通信传输方案，如基于不同调制方式、编码策略的方案，论证其可行性与优劣。

（3）通信链路理论推算：依据无线光通信原理，对传输距离、功率、误码率等进行理论推导与计算。

（4）系统设计模拟分析：利用专业软件对系统架构、光路传播、信号传输等进行仿真模拟与分析。

（5）光路与电路参数选定：确定光源功率、波长，光学器件参数以及电路中的关键参数等。

（6）实验流程规划：设计全面且合理的实验步骤，涵盖系统搭建、调试、测试等环节。

（7）实验数据测量与记录：精准测量传输过程中的各项数据，如信号强度、误码数等，并详细记录。

（8）实验数据处理与解析：运用合适的数据处理方法，分析数据规律，评估系统性能。

（9）实验成果归纳总结：总结系统设计与实践中的经验教训，给出最终的实验结论与优化方向。

考核要求与方法（限300字）

考核的节点、时间、标准及考核方法。

（1）实物验收：功能与性能指标的完成程度（如视频传输的流畅性、清晰度以及传输容量的达标程度）。

（2）实验质量：电路设计简洁高效，组装无松动、连接可靠，LD亮灯正常。

（3）自主创新：功能构思、电路设计的创新性，自主思考与独立实践能力。

（4）实验成本：是否充分利用实验室现有光学与电子设备，合理选择光电器件与材料，精准进行成本核算与损耗控制。

（5）实验数据：传输性能测试数据的准确性，数据记录详尽完整，包含对传输误码率、延迟等关键指标的结果分析及误差探讨。

（6）实验报告：项目报告内容完整、条理清晰，包含系统设计原理、实现过程、测试结果等，图表制作规范、易于理解。

（7）实验态度：学生在项目中的积极性、主动性，是否按时完成所负责的任务。依据指导教师观察、小组互评以及任务完成进度记录考核，贯穿项目开展的全过程。

（8）实验质量：光路与电路设计方案合理，在保证性能的同时成本较低，布线整齐有序，焊接牢固且无虚焊、短路等问题。

项目特色或创新（可空缺，限150字）

项目的特色在于：项目背景的工程性，知识应用的综合性，实现方法的多样性。

本项目着手于通信的无线光通信这一研究热点，具有较强的前瞻性、工程性且实现方法多样，且具有考核评价的最低标准，学生可自由发挥，能够全面考查学生综合运用所学知识的能力，培养学生问题溯源、知识发散迁移等创新思维。实验案例设计融入系统架构理念，并进行系统性进阶任务，分层次培养多维度能力，能灵活拓展光信号传输系统，满足不同场景需求，实现大容量视频数据的高效传输。