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通信原理实验平台研究与运用论文
为方便观察电路输出波形及调节电路状态,在电路的关键处理环节引出测量探针,在压控振荡器和鉴相器电路上添加电位器(图3中W1、W2和W3)。为保证实验平台电路的稳定性,提高FPGA芯片长期运行的可靠性,在芯片工作电源的设计上采用AC-DC开关隔离、DC-DC开关稳压和LDO线性稳压相结合的供电方式[11]。220V交流电,经过AC-DC隔离开关电源得到一组约为16V的直流低压,然后经过降压型DC-DC开关稳压电路得到5V和8V的电压对母板电路供电,再经过LDO线性稳压电路得到3.3V及1.2V的电压对子板FPGA芯片进行供电。采用这种供电方式,可以大幅度降低电网尖峰脉冲对实验平台电路的干扰,保证实验平台的稳定工作。
1实验平台的特点
开放性设计平台具有通用性强、功能强大等优点,传统验证性实验箱具有成本低、性能稳定等优点,实验平台综合了两者的优点,具体特点如下。(1)通用性强,用途广泛。实验平台支持硬件电路及软件系统设计,同时满足开设传统电子电路实验及基于FPGA的大型综合设计性实验的要求。目前,该实验平台主要应用在通信原理、数字系统设计、数字电子设计、模拟电子设计等课程的实验教学中。同时,还广泛应用在学生课外创新实践活动中。(2)系统功能强大,支持二次开发。FPGA子板逻辑资源丰富,扩展接口众多,核心芯片全面支持NiosII处理器,不仅满足当前综合设计性实验的要求,而且基于FPGA的开放性可对实验平台进行二次开发,满足新技术、新实验的要求。(3)成本低,易于维护及升级。首先,当前商品化的通信实验平台价格昂贵,基本在万元价格,而该实验平台的成本大概为600元左右,大大节约了实验经费。其次,该实验平台的面板结构采用母板和子板相结合的形式,当核心处理芯片损坏或者需要升级换代时只需更换子板即可,避免了传统实验箱更换微处理器必须更换整个实验箱的弊病。(4)性能稳定,安全可靠,便于携带。实验平台采用220V标准电源供电,且配备箱式外壳,在实验室资源配置紧张时,学生可携带实验平台回宿舍等地实施实验,灵活方便。该实验平台已在本院实验教学中使用多年,故障率低,无安全事故发生。
2实验平台的应用案例
基于该实验平台设计了众多通信相关综合设计性实验,如“扩频通信收发系统设计”[12]、“DPSK调制解调系统设计”、“HDB3线路编译码系统设计”、“(7,4)汉明码编译码传输系统设计”等。基于扩频通信在移动通信中的重要地位,近年来常以“扩频通信收发系统设计”作为通信原理的课程设计题目。该实验不仅覆盖了通信原理众多重要的基础知识点,而且重在锻炼学生的电路分析设计及硬件系统软件化设计等实用的工程应用能力,是基于该实验平台典型的应用案例。下面以该实验为例,讲述实验的设计以及实验平台在实验过程中的应用。
2.1扩频通信收发系统设计
“扩频通信收发系统设计”实验的功能及实现要求如下(见图4):在实验平台上设计实现扩频通信收发系统,发送端将多路信息源信号复接后通过扩频调制、DPSK数字调制处理后发送出去,接收端从接收信号中准确提取位时钟信号和帧同步信号,经过扩频解调并拆分出多路信号,还原出与发送端信息源一致的数字信号。实验要求DPSK解调在实验平台母板上以硬件的方式实现,发送端以及接收端中的数字信号处理部分功能采用软件设计并分别固化到FPGA子板的收发子系统上,最后通过整机联调完成实验任务。
2.2实验平台在扩频通信收发系统设计实验中的应用及效果
实验的基本流程如图5所示。在实验准备阶段,给学生发放实验指导书及提供实验平台,学生通过查阅相关资料,熟悉软硬件平台并根据实验要求确定可行的实验方案。在实验设计阶段,强调学生的自主创新设计及实验动手能力锻炼。学生在ALTERA公司提供的QUARTUSII设计平台上,应用原理图的方法或者采用VHDL等硬件描述语言按实验要求编程设计扩频通信收发系统发送端及接收端的信号处理部分功能,或者利用MATLAB中提供的动态系统模拟、交互式仿真分析软件Simulink对扩频通信收发系统进行建模设计。软件设计完毕并仿真通过后,通过FPGA子板上的JTAG接口把设计程序下载到实验平台的收发子系统中,配合BPSK解调电路及自行设计的归零码电路进行软硬件综合调试以验证整个扩频通信收发系统是否满足实验要求。调试完毕后,通过FPGA子板上的AS接口固化设计程序。在实验验收阶段,采取现场实物验收方法,验收通过后撰写相关实验报告,实验完毕。“扩频通信收发系统设计”作为通信原理的课程设计题目实施多年,教学效果显着。学生普遍反映,该实验平台性能稳定,接口齐全,使用方便;利用该实验平台完成“扩频通信收发系统设计”实验的过程中,不仅系统地掌握了扩频通信相关知识和FPGA设计技术,学习了电路设计、故障定位及排查的方法,而且培养了发现问题、解决问题和综合运用知识的能力,提高了创新设计及实验动手能力。
3结语
为国家卓越工程师培养背景下的通信原理实验课教学改革提供硬件支持,采用ALTERA公司CY-CLONEII系列的芯片研制了基于FPGA的通信原理实验平台。该实验平台涵盖了传统电子电路设计及基于FPGA技术的硬件系统软件化设计内容,充分体现了综合性和设计性的思想,广泛应用在实验教学及学生课外创新实践中。在实验教学方面,该实验平台作为本校电子与信息学院通信原理的课程设计硬件平台实施了三年,作为自动化学院数字电子技术的课程设计应用平台实施了两年,得到教师和学生的一致好评,收到良好的教学效果。在学生课外创新实践方面,该实验平台作为大学生电子设计竞赛、国家大学生创新实验项目以及校级创新项目的支持平台获得了包括2011年全国大学生电子设计竞赛国家二等奖2项,广东省一等奖3项,华南理工大学SRP创新项目开展1项。实践证明,该实验平台具有通用性强、功能强大、性能稳定、操作简便等优点,基于该实验平台开设的综合设计性实验覆盖知识面广、先进的FPGA设计技术以及软硬件相结合的实验模式能激发学生的实验兴趣及创新意识,显着提高学生对专业知识的综合运用能力、创新能力和工程实践能力,值得在高校中推广应用。
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