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通信原理實驗平臺研究與運用論文
為方便觀察電路輸出波形及調(diào)節(jié)電路狀態(tài),在電路的關(guān)鍵處理環(huán)節(jié)引出測量探針,在壓控振蕩器和鑒相器電路上添加電位器(圖3中W1、W2和W3)。為保證實驗平臺電路的穩(wěn)定性,提高FPGA芯片長期運行的可靠性,在芯片工作電源的設(shè)計上采用AC-DC開關(guān)隔離、DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓和LDO線性穩(wěn)壓相結(jié)合的供電方式[11]。220V交流電,經(jīng)過AC-DC隔離開關(guān)電源得到一組約為16V的直流低壓,然后經(jīng)過降壓型DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓電路得到5V和8V的電壓對母板電路供電,再經(jīng)過LDO線性穩(wěn)壓電路得到3.3V及1.2V的電壓對子板FPGA芯片進行供電。采用這種供電方式,可以大幅度降低電網(wǎng)尖峰脈沖對實驗平臺電路的干擾,保證實驗平臺的穩(wěn)定工作。
1實驗平臺的特點
開放性設(shè)計平臺具有通用性強、功能強大等優(yōu)點,傳統(tǒng)驗證性實驗箱具有成本低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點,實驗平臺綜合了兩者的優(yōu)點,具體特點如下。(1)通用性強,用途廣泛。實驗平臺支持硬件電路及軟件系統(tǒng)設(shè)計,同時滿足開設(shè)傳統(tǒng)電子電路實驗及基于FPGA的大型綜合設(shè)計性實驗的要求。目前,該實驗平臺主要應(yīng)用在通信原理、數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計、數(shù)字電子設(shè)計、模擬電子設(shè)計等課程的實驗教學(xué)中。同時,還廣泛應(yīng)用在學(xué)生課外創(chuàng)新實踐活動中。(2)系統(tǒng)功能強大,支持二次開發(fā)。FPGA子板邏輯資源豐富,擴展接口眾多,核心芯片全面支持NiosII處理器,不僅滿足當(dāng)前綜合設(shè)計性實驗的要求,而且基于FPGA的開放性可對實驗平臺進行二次開發(fā),滿足新技術(shù)、新實驗的要求。(3)成本低,易于維護及升級。首先,當(dāng)前商品化的通信實驗平臺價格昂貴,基本在萬元價格,而該實驗平臺的成本大概為600元左右,大大節(jié)約了實驗經(jīng)費。其次,該實驗平臺的面板結(jié)構(gòu)采用母板和子板相結(jié)合的形式,當(dāng)核心處理芯片損壞或者需要升級換代時只需更換子板即可,避免了傳統(tǒng)實驗箱更換微處理器必須更換整個實驗箱的弊病。(4)性能穩(wěn)定,安全可靠,便于攜帶。實驗平臺采用220V標(biāo)準(zhǔn)電源供電,且配備箱式外殼,在實驗室資源配置緊張時,學(xué)生可攜帶實驗平臺回宿舍等地實施實驗,靈活方便。該實驗平臺已在本院實驗教學(xué)中使用多年,故障率低,無安全事故發(fā)生。
2實驗平臺的應(yīng)用案例
基于該實驗平臺設(shè)計了眾多通信相關(guān)綜合設(shè)計性實驗,如“擴頻通信收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計”[12]、“DPSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計”、“HDB3線路編譯碼系統(tǒng)設(shè)計”、“(7,4)漢明碼編譯碼傳輸系統(tǒng)設(shè)計”等�；跀U頻通信在移動通信中的重要地位,近年來常以“擴頻通信收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計”作為通信原理的課程設(shè)計題目。該實驗不僅覆蓋了通信原理眾多重要的基礎(chǔ)知識點,而且重在鍛煉學(xué)生的電路分析設(shè)計及硬件系統(tǒng)軟件化設(shè)計等實用的工程應(yīng)用能力,是基于該實驗平臺典型的應(yīng)用案例。下面以該實驗為例,講述實驗的設(shè)計以及實驗平臺在實驗過程中的應(yīng)用。
2.1擴頻通信收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計
“擴頻通信收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計”實驗的功能及實現(xiàn)要求如下(見圖4):在實驗平臺上設(shè)計實現(xiàn)擴頻通信收發(fā)系統(tǒng),發(fā)送端將多路信息源信號復(fù)接后通過擴頻調(diào)制、DPSK數(shù)字調(diào)制處理后發(fā)送出去,接收端從接收信號中準(zhǔn)確提取位時鐘信號和幀同步信號,經(jīng)過擴頻解調(diào)并拆分出多路信號,還原出與發(fā)送端信息源一致的數(shù)字信號。實驗要求DPSK解調(diào)在實驗平臺母板上以硬件的方式實現(xiàn),發(fā)送端以及接收端中的數(shù)字信號處理部分功能采用軟件設(shè)計并分別固化到FPGA子板的收發(fā)子系統(tǒng)上,最后通過整機聯(lián)調(diào)完成實驗任務(wù)。
2.2實驗平臺在擴頻通信收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計實驗中的應(yīng)用及效果
實驗的基本流程如圖5所示。在實驗準(zhǔn)備階段,給學(xué)生發(fā)放實驗指導(dǎo)書及提供實驗平臺,學(xué)生通過查閱相關(guān)資料,熟悉軟硬件平臺并根據(jù)實驗要求確定可行的實驗方案。在實驗設(shè)計階段,強調(diào)學(xué)生的自主創(chuàng)新設(shè)計及實驗動手能力鍛煉。學(xué)生在ALTERA公司提供的QUARTUSII設(shè)計平臺上,應(yīng)用原理圖的方法或者采用VHDL等硬件描述語言按實驗要求編程設(shè)計擴頻通信收發(fā)系統(tǒng)發(fā)送端及接收端的信號處理部分功能,或者利用MATLAB中提供的動態(tài)系統(tǒng)模擬、交互式仿真分析軟件Simulink對擴頻通信收發(fā)系統(tǒng)進行建模設(shè)計。軟件設(shè)計完畢并仿真通過后,通過FPGA子板上的JTAG接口把設(shè)計程序下載到實驗平臺的收發(fā)子系統(tǒng)中,配合BPSK解調(diào)電路及自行設(shè)計的歸零碼電路進行軟硬件綜合調(diào)試以驗證整個擴頻通信收發(fā)系統(tǒng)是否滿足實驗要求。調(diào)試完畢后,通過FPGA子板上的AS接口固化設(shè)計程序。在實驗驗收階段,采取現(xiàn)場實物驗收方法,驗收通過后撰寫相關(guān)實驗報告,實驗完畢。“擴頻通信收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計”作為通信原理的課程設(shè)計題目實施多年,教學(xué)效果顯著。學(xué)生普遍反映,該實驗平臺性能穩(wěn)定,接口齊全,使用方便;利用該實驗平臺完成“擴頻通信收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計”實驗的過程中,不僅系統(tǒng)地掌握了擴頻通信相關(guān)知識和FPGA設(shè)計技術(shù),學(xué)習(xí)了電路設(shè)計、故障定位及排查的方法,而且培養(yǎng)了發(fā)現(xiàn)問題、解決問題和綜合運用知識的能力,提高了創(chuàng)新設(shè)計及實驗動手能力。
3結(jié)語
為國家卓越工程師培養(yǎng)背景下的通信原理實驗課教學(xué)改革提供硬件支持,采用ALTERA公司CY-CLONEII系列的芯片研制了基于FPGA的通信原理實驗平臺。該實驗平臺涵蓋了傳統(tǒng)電子電路設(shè)計及基于FPGA技術(shù)的硬件系統(tǒng)軟件化設(shè)計內(nèi)容,充分體現(xiàn)了綜合性和設(shè)計性的思想,廣泛應(yīng)用在實驗教學(xué)及學(xué)生課外創(chuàng)新實踐中。在實驗教學(xué)方面,該實驗平臺作為本校電子與信息學(xué)院通信原理的課程設(shè)計硬件平臺實施了三年,作為自動化學(xué)院數(shù)字電子技術(shù)的課程設(shè)計應(yīng)用平臺實施了兩年,得到教師和學(xué)生的一致好評,收到良好的教學(xué)效果。在學(xué)生課外創(chuàng)新實踐方面,該實驗平臺作為大學(xué)生電子設(shè)計競賽、國家大學(xué)生創(chuàng)新實驗項目以及校級創(chuàng)新項目的支持平臺獲得了包括2011年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽國家二等獎2項,廣東省一等獎3項,華南理工大學(xué)SRP創(chuàng)新項目開展1項。實踐證明,該實驗平臺具有通用性強、功能強大、性能穩(wěn)定、操作簡便等優(yōu)點,基于該實驗平臺開設(shè)的綜合設(shè)計性實驗覆蓋知識面廣、先進的FPGA設(shè)計技術(shù)以及軟硬件相結(jié)合的實驗?zāi)Ｊ侥芗ぐl(fā)學(xué)生的實驗興趣及創(chuàng)新意識,顯著提高學(xué)生對專業(yè)知識的綜合運用能力、創(chuàng)新能力和工程實踐能力,值得在高校中推廣應(yīng)用。
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