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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節電路狀態,在電路的關鍵處理環節引出測量探針,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定性,提高FPGA芯片長期運行的可靠性,在芯片工作電源的設計上采用AC-DC開關隔離、DC-DC開關穩壓和LDO線性穩壓相結合的供電方式[11]。220V交流電,經過AC-DC隔離開關電源得到一組約為16V的直流低壓,然后經過降壓型DC-DC開關穩壓電路得到5V和8V的電壓對母板電路供電,再經過LDO線性穩壓電路得到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尖峰脈沖對實驗平臺電路的干擾,保證實驗平臺的穩定工作。
1實驗平臺的特點
開放性設計平臺具有通用性強、功能強大等優點,傳統驗證性實驗箱具有成本低、性能穩定等優點,實驗平臺綜合了兩者的優點,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設計,同時滿足開設傳統電子電路實驗及基于FPGA的大型綜合設計性實驗的要求。目前,該實驗平臺主要應用在通信原理、數字系統設計、數字電子設計、模擬電子設計等課程的實驗教學中。同時,還廣泛應用在學生課外創新實踐活動中。(2)系統功能強大,支持二次開發。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,不僅滿足當前綜合設計性實驗的要求,而且基于FPGA的開放性可對實驗平臺進行二次開發,滿足新技術、新實驗的要求。(3)成本低,易于維護及升級。首先,當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,大大節約了實驗經費。其次,該實驗平臺的面板結構采用母板和子板相結合的形式,當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)性能穩定,安全可靠,便于攜帶。實驗平臺采用220V標準電源供電,且配備箱式外殼,在實驗室資源配置緊張時,學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中使用多年,故障率低,無安全事故發生。
2實驗平臺的應用案例
基于該實驗平臺設計了眾多通信相關綜合設計性實驗,如“擴頻通信收發系統設計”[12]、“DPSK調制解調系統設計”、“HDB3線路編譯碼系統設計”、“(7,4)漢明碼編譯碼傳輸系統設計”等。基于擴頻通信在移動通信中的重要地位,近年來常以“擴頻通信收發系統設計”作為通信原理的課程設計題目。該實驗不僅覆蓋了通信原理眾多重要的基礎知識點,而且重在鍛煉學生的電路分析設計及硬件系統軟件化設計等實用的工程應用能力,是基于該實驗平臺典型的應用案例。下面以該實驗為例,講述實驗的設計以及實驗平臺在實驗過程中的應用。
2.1擴頻通信收發系統設計
“擴頻通信收發系統設計”實驗的功能及實現要求如下(見圖4):在實驗平臺上設計實現擴頻通信收發系統,發送端將多路信息源信號復接后通過擴頻調制、DPSK數字調制處理后發送出去,接收端從接收信號中準確提取位時鐘信號和幀同步信號,經過擴頻解調并拆分出多路信號,還原出與發送端信息源一致的數字信號。實驗要求DPSK解調在實驗平臺母板上以硬件的方式實現,發送端以及接收端中的數字信號處理部分功能采用軟件設計并分別固化到FPGA子板的收發子系統上,最后通過整機聯調完成實驗任務。
2.2實驗平臺在擴頻通信收發系統設計實驗中的應用及效果
實驗的基本流程如圖5所示。在實驗準備階段,給學生發放實驗指導書及提供實驗平臺,學生通過查閱相關資料,熟悉軟硬件平臺并根據實驗要求確定可行的實驗方案。在實驗設計階段,強調學生的自主創新設計及實驗動手能力鍛煉。學生在ALTERA公司提供的QUARTUSII設計平臺上,應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計擴頻通信收發系統發送端及接收端的信號處理部分功能,或者利用MATLAB中提供的動態系統模擬、交互式仿真分析軟件Simulink對擴頻通信收發系統進行建模設計。軟件設計完畢并仿真通過后,通過FPGA子板上的JTAG接口把設計程序下載到實驗平臺的收發子系統中,配合BPSK解調電路及自行設計的歸零碼電路進行軟硬件綜合調試以驗證整個擴頻通信收發系統是否滿足實驗要求。調試完畢后,通過FPGA子板上的AS接口固化設計程序。在實驗驗收階段,采取現場實物驗收方法,驗收通過后撰寫相關實驗報告,實驗完畢。“擴頻通信收發系統設計”作為通信原理的課程設計題目實施多年,教學效果顯著。學生普遍反映,該實驗平臺性能穩定,接口齊全,使用方便;利用該實驗平臺完成“擴頻通信收發系統設計”實驗的過程中,不僅系統地掌握了擴頻通信相關知識和FPGA設計技術,學習了電路設計、故障定位及排查的方法,而且培養了發現問題、解決問題和綜合運用知識的能力,提高了創新設計及實驗動手能力。
3結語
為國家卓越工程師培養背景下的通信原理實驗課教學改革提供硬件支持,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電子電路設計及基于FPGA技術的硬件系統軟件化設計內容,充分體現了綜合性和設計性的思想,廣泛應用在實驗教學及學生課外創新實踐中。在實驗教學方面,該實驗平臺作為本校電子與信息學院通信原理的課程設計硬件平臺實施了三年,作為自動化學院數字電子技術的課程設計應用平臺實施了兩年,得到教師和學生的一致好評,收到良好的教學效果。在學生課外創新實踐方面,該實驗平臺作為大學生電子設計競賽、國家大學生創新實驗項目以及校級創新項目的支持平臺獲得了包括2011年全國大學生電子設計競賽國家二等獎2項,廣東省一等獎3項,華南理工大學SRP創新項目開展1項。實踐證明,該實驗平臺具有通用性強、功能強大、性能穩定、操作簡便等優點,基于該實驗平臺開設的綜合設計性實驗覆蓋知識面廣、先進的FPGA設計技術以及軟硬件相結合的實驗模式能激發學生的實驗興趣及創新意識,顯著提高學生對專業知識的綜合運用能力、創新能力和工程實踐能力,值得在高校中推廣應用。
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