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通信原理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究與運(yùn)用論文
為方便觀(guān)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(cè)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)電路的穩(wěn)定性,提高FPGA芯片長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性,在芯片工作電源的設(shè)計(jì)上采用AC-DC開(kāi)關(guān)隔離、DC-DC開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓和LDO線(xiàn)性穩(wěn)壓相結(jié)合的供電方式[11]。220V交流電,經(jīng)過(guò)AC-DC隔離開(kāi)關(guān)電源得到一組約為16V的直流低壓,然后經(jīng)過(guò)降壓型DC-DC開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電路得到5V和8V的電壓對(duì)母板電路供電,再經(jīng)過(guò)LDO線(xiàn)性穩(wěn)壓電路得到3.3V及1.2V的電壓對(duì)子板FPGA芯片進(jìn)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(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)電路的干擾,保證實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的穩(wěn)定工作。
1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的特點(diǎn)
開(kāi)放性設(shè)計(jì)平臺(tái)具有通用性強(qiáng)、功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn),傳統(tǒng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)箱具有成本低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),實(shí)驗(yàn)平臺(tái)綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn),具體特點(diǎn)如下。(1)通用性強(qiáng),用途廣泛。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)支持硬件電路及軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì),同時(shí)滿(mǎn)足開(kāi)設(shè)傳統(tǒng)電子電路實(shí)驗(yàn)及基于FPGA的大型綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的要求。目前,該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要應(yīng)用在通信原理、數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)、數(shù)字電子設(shè)計(jì)、模擬電子設(shè)計(jì)等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。同時(shí),還廣泛應(yīng)用在學(xué)生課外創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)中。(2)系統(tǒng)功能強(qiáng)大,支持二次開(kāi)發(fā)。FPGA子板邏輯資源豐富,擴(kuò)展接口眾多,核心芯片全面支持NiosII處理器,不僅滿(mǎn)足當(dāng)前綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的要求,而且基于FPGA的開(kāi)放性可對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),滿(mǎn)足新技術(shù)、新實(shí)驗(yàn)的要求。(3)成本低,易于維護(hù)及升級(jí)。首先,當(dāng)前商品化的通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)價(jià)格昂貴,基本在萬(wàn)元價(jià)格,而該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的成本大概為600元左右,大大節(jié)約了實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)。其次,該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(jí)換代時(shí)只需更換子板即可,避免了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱更換微處理器必須更換整個(gè)實(shí)驗(yàn)箱的弊病。(4)性能穩(wěn)定,安全可靠,便于攜帶。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用220V標(biāo)準(zhǔn)電源供電,且配備箱式外殼,在實(shí)驗(yàn)室資源配置緊張時(shí),學(xué)生可攜帶實(shí)驗(yàn)平臺(tái)回宿舍等地實(shí)施實(shí)驗(yàn),靈活方便。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已在本院實(shí)驗(yàn)教學(xué)中使用多年,故障率低,無(wú)安全事故發(fā)生。
2實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用案例
基于該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)了眾多通信相關(guān)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn),如“擴(kuò)頻通信收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)”[12]、“DPSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)”、“HDB3線(xiàn)路編譯碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)”、“(7,4)漢明碼編譯碼傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)”等�；跀U(kuò)頻通信在移動(dòng)通信中的重要地位,近年來(lái)常以“擴(kuò)頻通信收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)”作為通信原理的課程設(shè)計(jì)題目。該實(shí)驗(yàn)不僅覆蓋了通信原理眾多重要的基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn),而且重在鍛煉學(xué)生的電路分析設(shè)計(jì)及硬件系統(tǒng)軟件化設(shè)計(jì)等實(shí)用的工程應(yīng)用能力,是基于該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)典型的應(yīng)用案例。下面以該實(shí)驗(yàn)為例,講述實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的應(yīng)用。
2.1擴(kuò)頻通信收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
“擴(kuò)頻通信收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)”實(shí)驗(yàn)的功能及實(shí)現(xiàn)要求如下(見(jiàn)圖4):在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻通信收發(fā)系統(tǒng),發(fā)送端將多路信息源信號(hào)復(fù)接后通過(guò)擴(kuò)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(hào)中準(zhǔn)確提取位時(shí)鐘信號(hào)和幀同步信號(hào),經(jīng)過(guò)擴(kuò)頻解調(diào)并拆分出多路信號(hào),還原出與發(fā)送端信息源一致的數(shù)字信號(hào)。實(shí)驗(yàn)要求DPSK解調(diào)在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)母板上以硬件的方式實(shí)現(xiàn),發(fā)送端以及接收端中的數(shù)字信號(hào)處理部分功能采用軟件設(shè)計(jì)并分別固化到FPGA子板的收發(fā)子系統(tǒng)上,最后通過(guò)整機(jī)聯(lián)調(diào)完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。
2.2實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在擴(kuò)頻通信收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用及效果
實(shí)驗(yàn)的基本流程如圖5所示。在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段,給學(xué)生發(fā)放實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)及提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái),學(xué)生通過(guò)查閱相關(guān)資料,熟悉軟硬件平臺(tái)并根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求確定可行的實(shí)驗(yàn)方案。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段,強(qiáng)調(diào)學(xué)生的自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力鍛煉。學(xué)生在A(yíng)LTERA公司提供的QUARTUSII設(shè)計(jì)平臺(tái)上,應(yīng)用原理圖的方法或者采用VHDL等硬件描述語(yǔ)言按實(shí)驗(yàn)要求編程設(shè)計(jì)擴(kuò)頻通信收發(fā)系統(tǒng)發(fā)送端及接收端的信號(hào)處理部分功能,或者利用MATLAB中提供的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模擬、交互式仿真分析軟件Simulink對(duì)擴(kuò)頻通信收發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行建模設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)完畢并仿真通過(guò)后,通過(guò)FPGA子板上的JTAG接口把設(shè)計(jì)程序下載到實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的收發(fā)子系統(tǒng)中,配合BPSK解調(diào)電路及自行設(shè)計(jì)的歸零碼電路進(jìn)行軟硬件綜合調(diào)試以驗(yàn)證整個(gè)擴(kuò)頻通信收發(fā)系統(tǒng)是否滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求。調(diào)試完畢后,通過(guò)FPGA子板上的AS接口固化設(shè)計(jì)程序。在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)收階段,采取現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物驗(yàn)收方法,驗(yàn)收通過(guò)后撰寫(xiě)相關(guān)實(shí)驗(yàn)報(bào)告,實(shí)驗(yàn)完畢�！皵U(kuò)頻通信收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)”作為通信原理的課程設(shè)計(jì)題目實(shí)施多年,教學(xué)效果顯著。學(xué)生普遍反映,該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)性能穩(wěn)定,接口齊全,使用方便;利用該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成“擴(kuò)頻通信收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)”實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中,不僅系統(tǒng)地掌握了擴(kuò)頻通信相關(guān)知識(shí)和FPGA設(shè)計(jì)技術(shù),學(xué)習(xí)了電路設(shè)計(jì)、故障定位及排查的方法,而且培養(yǎng)了發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題和綜合運(yùn)用知識(shí)的能力,提高了創(chuàng)新設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力。
3結(jié)語(yǔ)
為國(guó)家卓越工程師培養(yǎng)背景下的通信原理實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)涵蓋了傳統(tǒng)電子電路設(shè)計(jì)及基于FPGA技術(shù)的硬件系統(tǒng)軟件化設(shè)計(jì)內(nèi)容,充分體現(xiàn)了綜合性和設(shè)計(jì)性的思想,廣泛應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)教學(xué)及學(xué)生課外創(chuàng)新實(shí)踐中。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面,該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)作為本校電子與信息學(xué)院通信原理的課程設(shè)計(jì)硬件平臺(tái)實(shí)施了三年,作為自動(dòng)化學(xué)院數(shù)字電子技術(shù)的課程設(shè)計(jì)應(yīng)用平臺(tái)實(shí)施了兩年,得到教師和學(xué)生的一致好評(píng),收到良好的教學(xué)效果。在學(xué)生課外創(chuàng)新實(shí)踐方面,該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)作為大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽、國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以及校級(jí)創(chuàng)新項(xiàng)目的支持平臺(tái)獲得了包括2011年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽國(guó)家二等獎(jiǎng)2項(xiàng),廣東省一等獎(jiǎng)3項(xiàng),華南理工大學(xué)SRP創(chuàng)新項(xiàng)目開(kāi)展1項(xiàng)。實(shí)踐證明,該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有通用性強(qiáng)、功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn),基于該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)設(shè)的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)覆蓋知識(shí)面廣、先進(jìn)的FPGA設(shè)計(jì)技術(shù)以及軟硬件相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ侥芗ぐl(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣及創(chuàng)新意識(shí),顯著提高學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的綜合運(yùn)用能力、創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力,值得在高校中推廣應(yīng)用。
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