基于FPGA的數(shù)字通信實訓平臺的設計與實現(xiàn)

摘要：本實訓平臺著眼于提升高職層次學生的職業(yè)能力，圍繞典型的數(shù)字通信系統(tǒng)模型，設計了擴展性強、可測性好的FPGA核心板，并開發(fā)了多個配套的功能模塊。憑借著FPGA強大的硬件可編程能力，創(chuàng)設了分層遞進的實驗模式。學生通過逐步深入的實驗項目，牢牢掌握數(shù)字通信系統(tǒng)構成的基本要素，同時初步掌握實現(xiàn)現(xiàn)代通信產(chǎn)品的典型技術手段。

通信系統(tǒng)的全面數(shù)字化是通信發(fā)展的必然趨勢。高職院校以《數(shù)字通信系統(tǒng)》替代《通信原理》符合行業(yè)的發(fā)展和企業(yè)對人才素質(zhì)需求。作為電子信息類專業(yè)核心課程，由于課程內(nèi)容抽象，理論較深，必須借助實驗環(huán)節(jié)來幫助學生理解。而傳統(tǒng)的通信原理實驗僅僅是對系統(tǒng)中單元模塊進行原理的驗證，學生無法在實驗中建立系統(tǒng)的概念，嚴重影響了后續(xù)專業(yè)課程的學習。

目前市場上的通信原理實驗箱大多以本科《通信原理》課程為設計藍本，主要開展單元電路的驗證性實驗。這顯然不能滿足高職層次的培養(yǎng)目標，難以推動學生的專業(yè)技能的提升。

本實訓平臺采用了模塊化設計，只需更換相應模塊，就可以完成不同的實驗。同時充分考慮到構建系統(tǒng)概念的重要性，在設計系統(tǒng)實驗時，學生需要掌握了最基本的通信系統(tǒng)組成要素，才能完成實驗，這對于強化學生的系統(tǒng)概念，起到了很大的作用。

1 平臺設計方案

本數(shù)字通信實訓平臺將各個單元實驗模塊與數(shù)字通信系統(tǒng)的模型有機的結合到一起，并充分考慮到實際通信電路與傳統(tǒng)通信實驗電路的差別，設計了如圖1(a)所示的平臺結構。實訓平臺分為兩個部分：硬件實驗區(qū)和軟件實驗區(qū)。

1.1 硬件實驗區(qū)

根據(jù)數(shù)字通信系統(tǒng)模型，設計制作了FPGA核心開發(fā)板、信號源模塊、信源編碼模塊、信道編碼模塊、數(shù)字調(diào)制模塊、數(shù)字解調(diào)模塊、同步模塊、信源譯碼模塊、信道譯碼模塊。學生既可以通過完成各個單元電路的實驗，了解通信中重要的性能指標，又可以通過各單元模塊組成數(shù)字通信系統(tǒng)，熟悉構建通信系統(tǒng)的基本要素，強化系統(tǒng)概念。

1.2 軟件實驗區(qū)

基于FPGA核心開發(fā)板，首先為硬件區(qū)電路提供各種工作時鐘信號，其次學生可以通過VHDL語言編程實現(xiàn)各個實驗模塊的功能。在軟件實驗區(qū)，還設計了功能測試區(qū)，學生將軟件下載至核心開發(fā)板中，可以開展信號測試與軟件調(diào)試等相關實驗。最終，以FPGA開放模塊為核心，利用軟硬件平臺把相關模塊進行整合，將數(shù)字通信系統(tǒng)構建在一個芯片的內(nèi)部。SOC(片上系統(tǒng))是目前通信系統(tǒng)的最佳實現(xiàn)方案，讓學生初步建立SOC的基本概念并了解通信系統(tǒng)設計流程，有助于他們的職業(yè)發(fā)展。

2 系統(tǒng)硬件設計

實訓平臺的硬件設計充分考慮其實用性，易操作性以及與實際通信系統(tǒng)的結合度，并結合高職教育特點，采用了6+2的設計模式。其中“6”是實現(xiàn)數(shù)字通信的基本模塊：FPGA核心開發(fā)板、模擬信號發(fā)生模塊、信源編解碼模塊、信道編解碼模塊、數(shù)字調(diào)制與解調(diào)模塊、信號輸出模塊。“2”是兩個擴展模塊：無線數(shù)字通信發(fā)射模塊和無線數(shù)字通信接收模塊。限于篇幅原因，本文主要介紹FPGA核心開發(fā)板。

2.1 核心開發(fā)板功能

1)為硬件實驗區(qū)模塊提供時鐘信號、偽隨機序列等各種工作信號;

2)為軟件實驗提供開放的硬件平臺.使得實驗結果更加直觀;

3)開展電子設計開發(fā)和驗證.提升學生的綜合軟硬件設計創(chuàng)新能力。

開發(fā)板電路包括：主芯片電路、晶振電路、電源電路、下載接口電路、擴展接口電路以及測試區(qū)電路。結構框圖如圖1(b)所示。

2.2 主芯片電路

本設計選用Altera公司的Cyclone系列芯片，型號為EP1C3T144C8，該芯片是Altera公司推出的低價格、高容量的FPGA，在實際應用中被廣泛的采用。電路圖如圖2(a)所示。

2.3 FLASH存儲電路

由于FPGA芯片掉電后程序丟失，為保存程序數(shù)據(jù)，要在硬件上增添存儲電路。本設計采用標準串行配置器件EPCS1，存儲容量為1Mbit的FLASH存儲芯片。電路圖如圖2(b)所示。

2.4 I/O接口電路

為了加深學生對通信系統(tǒng)硬件電路工作過程的理解，將部分I/O口通過獨立測試孔的方式設計在開發(fā)板上。學生通過程序，將輸出信號設定在預留的I/O口，然后以導線連接的方法，將信號送至相關模塊的電路中。實物照片如圖2(c)所示。

2.5 擴展接口電路

擴展接口有2組15x2的排針，除了引出其余的I/O口，還將VCC、GND以及CLOCK等也設計在擴展接口。這為后續(xù)擴展外圍電路提供了極大的方便。其中VCC具有多種電壓，可以滿足不同器件的使用。電路圖如2(c)所示。

3 系統(tǒng)軟件設計

軟件設計采用QuartusⅡ9.0進行開發(fā)，設計分為兩個層次：一是主要實現(xiàn)時鐘信號產(chǎn)生、信源編譯碼模塊、信道編譯碼模塊以及數(shù)字調(diào)制解調(diào)等數(shù)字通信系統(tǒng)中單元電路的軟件功能;二是基于軟件無線電設計思路，通過Quartus自帶的SOPC Builder設計出貼合實際產(chǎn)品功能的可編程片上系統(tǒng)。

3.1 基本功能

以分頻模塊為核心，為基本實驗模塊提供必要的時鐘信號，學生可以通過編程改變時鐘信號頻率，改變電路工作狀態(tài)，從而加深對電路原理的理解以及實際電路調(diào)試步驟。

在設計軟件模塊時，還充分考慮相關模塊在通信系統(tǒng)中邏輯關系，通過軟件可將基本模塊進行連接，實現(xiàn)最簡化的數(shù)字通信系統(tǒng)。

3.2 系統(tǒng)模型設計

頂層連接圖如圖3(b)所示。FPGA開發(fā)板上的20 MHz有源晶振作為總的時鐘信號輸入，經(jīng)過分頻模塊t分頻后可以產(chǎn)生多種頻率的時鐘信號，其中2 kHz作為輸入時鐘送入m序列模塊(pn2k)，產(chǎn)生2n-1位PN序列，該序列作為數(shù)字基帶信號用于系統(tǒng)的信源輸入。

信道編譯碼選用HDB3碼編碼方式，將PN序列送至hdb1模塊中進行編碼，由于HDB3碼是一種雙極性碼，而QuartusⅡ軟件它無法識別-1，在它的波形仿真中只有1和0，因此這里采用了雙路輸出，其中datap中的高電平代表的是HDB3碼中的+1，datan的高電平代表HDB3碼中的-1，將兩路信號相減即可得到相應的HDB3碼。編碼模塊的時鐘信號為32 kHz，由分頻模塊提供。

兩路信道編碼信號datap和datan分別送入兩個數(shù)字調(diào)制模塊PL_FSK，本設計中采用了2FSK的調(diào)制方式，兩個載波由分頻模塊提供的1.024 MHz信號，分別經(jīng)過12分頻和6分頻得到。其兩路已調(diào)信號輸出端口為fskp和fskn。

上述為發(fā)送端模塊的分析，下面簡單介紹接收端模塊的設計流程。

兩路已調(diào)信號fskp和fskn分別送入數(shù)字解調(diào)模塊PL_FSK2，設計思路是分別對已調(diào)信號和clk分頻信號進行計數(shù)，然后對兩個計數(shù)值進行判決，從而還原出兩路基帶信號fskdatap和fskdatan。

將fskdatap和fskdatan送入信道譯碼模塊hdb3_decode，根據(jù)HDB3碼的特點首先檢測出極性破壞點，即找出4連零碼中添加V碼的位置(破壞點位置)，其次去掉添加的V碼，最后去掉4連零碼中添加的B碼以將其還原成NRZ碼PN序列dataout。

以上就是通過軟件實現(xiàn)基本數(shù)字通信系統(tǒng)的整個設計流程，仿真波形如圖3(a)所示。

其中，clk為系統(tǒng)輸入總時鐘，pn2k為數(shù)字基帶信號(偽隨機碼)，start1為數(shù)字調(diào)制解調(diào)模塊使能信號，datap代表HDB3碼中+1的波形，datan代表HDB3碼中-1的波形，fskp為datap的FSK已調(diào)信號，fskn為datan的FSK已調(diào)信號，dataout為譯碼后的數(shù)字基帶信號(與pn2k一致，但有延遲)。

3.3 片上通信系統(tǒng)的設計

利用QuartusⅡ自帶的SOPC Builder可以較為簡單的設計出符合要求的可編程片上系統(tǒng)，以核心開發(fā)板上的晶振為基準時鐘，通過片內(nèi)PLL可以進行分頻或倍頻操作。將編譯碼模塊與位同步模塊以及調(diào)制與解調(diào)模塊連通后，片上系統(tǒng)基本可以實現(xiàn)對高速數(shù)據(jù)準確、安全的發(fā)送和接收，片上系統(tǒng)CPU內(nèi)核如圖4(a)所示，系統(tǒng)總體架構如圖4(b)所示。

4 系統(tǒng)實測

為保證高職層次的學生能夠更加直觀的了解掌握數(shù)字通信系統(tǒng)的相關概念，為后續(xù)專業(yè)技能培養(yǎng)奠定堅實的基礎。整個實訓平臺的實現(xiàn)圍繞著FPGA核心開發(fā)板，采用了分層遞進的實驗模式，逐步培養(yǎng)學生的相關專業(yè)技能。

4.1 采用硬件模塊搭接的方式構建系統(tǒng)

通過實訓平臺中各個單元模塊，按照數(shù)字通信系統(tǒng)的基本模型，進行輸入輸出信號的連接。FPGA核心開發(fā)板主要為各個模塊提供所需的時鐘信號、偽隨機碼等工作信號。學生在構建最簡化的數(shù)字通信系統(tǒng)過程中，一方面鞏固了通信系統(tǒng)的基礎知識，另一方面也鍛煉了學生FPGA軟件基本使用能力，為后續(xù)復雜程序編寫提供技術保障。

4.2 通過FPGA軟件實現(xiàn)通信系統(tǒng)模型

采用QuartusⅡ軟件，運用VHDL語言及圖形化編寫方式，按照通信系統(tǒng)模型及總體程序的需求，進行分模塊設計以及頂層連接。在設計軟件模塊時，對關鍵測試點進行芯片引腳設置，通過對核心開發(fā)板相關測試點進行實測，強化了學生對數(shù)字通信系統(tǒng)基本架構的認知，讓學生掌握測試儀器的基本使用方法。同時，進一步提升學生對于FPGA軟件編寫的能力。實測波形如圖5(a)(b)所示。

4.3 完成片上通信系統(tǒng)初步設計

隨著技術發(fā)展，當前數(shù)字通信系統(tǒng)已全部采用了片上系統(tǒng)的設計方式，以可編程的硬件為平臺，搭載特定的系統(tǒng)軟件，從而實現(xiàn)可靠高效的通信。由于該部分實驗具有一定的理論深度和技術難度，在具體教學實施中，選擇部分基礎扎實、動手能力強的學生進行SOPC片上系統(tǒng)設計實驗，強化實踐技能，提高他們的職業(yè)競爭力。

5 結束語

本實訓平臺從實際技能需求入手，貼合高職層次通信專業(yè)能力培養(yǎng)目標，把握數(shù)字通信系統(tǒng)中最核心的技術概念。采用硬件實測與軟件仿真相結合的實驗模式，既鞏固學生對核心技術的理解，又強化學生對通信系統(tǒng)基本構成要素的認知，同時也讓學生熟悉了現(xiàn)代通信系統(tǒng)典型的實現(xiàn)方法。