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1、收稿日期:2004210215 修改日期:2005204225作者简介:寇艳红(1969),女,河南许昌人,博士,副教授 1通信原理开放性实验项目设计寇艳红,杨 枫,陈 雁(北京航空航天大学电子信息工程学院,北京 100083)摘 要:本文在北京航空航天大学202教研室研制出的一套开放性的软硬件相结合的通信原理实验平台基础上,以MCU+FPGA主控单元为核心,结合外部相对独立的功能电路,给出了PCM编译码系统和(7,4)汉明码编译码传输系统等几个实验项目范例的设计实现,为引导学生完成综合性、开放性和探索性的实验打下基础。关键词:通信原理,开放性,教学实验,单片机,FPGA中图分类号:TN911
2、 文献标识码:B 文章编号:100224956(2005)1120105203通信技术的快速发展,要求通信专业的学生和科技人员不但要掌握扎实的理论基础,还应具有较强的工程概念和动手能力及开拓创新和快速适应工作的综合能力。传统的本科通信原理课程着重于经典通信理论,而课程实验大多以软件仿真为主,辅以少量验证性的硬件实验,使得学生的实践动手能力得不到充分的锻炼。由北京航空航天大学电子信息工程学院202教研室研制的通信原理开放性实验平台,将通信理论与电路系统设计结合在一起,让学生把通信系统的理论应用到实际的设计、构造和实验过程中去。本文首先介绍了此实验平台的系统架构和开放性的特点,然后以PCM信号变换
3、过程的液晶显示及A率压扩、(7,4)汉明码编译码传输系统为例阐述了具体实验项目的设计思想和实现方法,并给出了相应的实验结果。1 实验平台的系统架构本通信原理开放性实验平台基于“PC+单片机+FPGA”架构,同时设置了许多相对独立的外部功能电路,其结构框图如图1所示。单片机采用Cygnal公司的高速(22M IPS)中央控制器C8051F022,FPGA器件采用Al2tera公司的FLEX 10K50A。实验板上设置了大量的可以自由配置的基本功能器件和模块、多种总线和扩展接口包括与上位机通信的串口,在电路上设置了足够的测试脚,学生可以利用短路线完成一些需要的连接,为开展丰富的软硬件实验项目提供了
4、余地。2 实验项目设计实例2.1PCM采编器PCM采编器是通信原理课程教学中的基本实验项目之一。国内已有的通信原理实501中国科技论文统计源期刊 实 验 技 术 与 管 理 Vol.22No.112005图1 通信原理开放性实验平台结构框图验系统中大多包含了PC M采编器,但是大都使用专用的集成芯片来实现PC M实验中的图2PCM采编器的采样量化编码过程的液晶显示采样、量化和编码等一系列过程,无法使学生深入了解PCM的原理和实现过程。本试验平台采用由单片机控制下的LCM240128ZK液晶显示模块进行实验数据的显示和对比,较之示波器或逻辑分析仪观察波形更为方便灵活。通过外部功能电路实现采样量化
5、,在FPGA上实现编码的A率压扩,清楚地展示了对数PCM的实现过程13。图2示出了采样量化编码过程的液晶显示效果。图2中液晶各行的显示说明如下:031行:96ksps采样的240个点的波形,代表原始信号。幅度值进行8倍的压缩。3263行:每4行为一个量化单位,共8级量化。每12列输出对应点代表采样、量化后的幅度的线段(并显示相应刻度标线)。6495行:相应幅度(3bit)的NRZ码(即非归零的三位二进制码)。96127行:相应的曼彻斯特(manchester)码。PCM采编器实验中A率压扩部分设计为独立的FPGA程序模块,在实验时可以提供给学生下载,结合其它功能电路来实现学生自己的实验系统。图
6、3,图4示出了A率压扩的仿真结果,与文献4 中给出的A律PCM和线性PCM的变换关系表相符。这里采用线性13位与A率8位相对应是因为其误差级相同。图3A率PCM编码仿真结果601实 验 技 术 与 管 理图4A率PCM解码仿真结果通过电路板上的按键可以进行数据采样和显示屏的翻屏操作。结合FPGA的模块设计,使学生做实验的时候自己连接电路,下载并修改相应的单片机与FPGA软件包,根据需要选用不同的信号源、采样率和量化标准,不同的传输信道以及不同的编译码方式,通过观察液晶显示结果来加深对PCM基带编码理论的理解。2.2(7,4)汉明码编译码传输系统(7,4)汉明码是通信系统传输过程中重要的纠错编码
7、方式,本文在FPGA上实现了(7,4)汉明码编译码传输系统的全部过程。首先用m序列发生器产生伪随机序列,4位一截取,作为信息码元进入(7,4)汉明码编码器,产生监督位,组成许用码组。然后模拟信道特性加入误码,送入译码器,纠错,译码,得到信息码。将m序列发生器的串行输出和译码器输出进行并串转换后的波形进行比较,可以分析汉明码的纠错能力。电路原理框图如图5所示:图5 汉明码编译码传输系统原理框图系统的仿真结果如图6所示。图6 系统仿真结果图由图6可以看出,当传输信道中没有误码(即STB的七位都为0)时,OUTPUT与SE2R I AL的数据一致,此时没有报警(即ALARM为低电平);当信道中有一位
8、误码(即STB有一位为1)时,无论误码在哪一位,OUTPUT与SER I AL的数据仍相一致,但此时有报警(即ALARM为高电平),表示信道中有误码;当信道中有两位误码(即STB有两位为1)时,仍有报警,但OUTPUT与SER I AL的数据不一致,因为(7,4)汉明码的最小码距为d=3,只能纠一位错误,在超出纠错能力的情况下,反而会因“乱纠”而产生新的误码。本实验系统完全在FPGA上实现,系统的6个组成部分均可作为彼此独立的功能模块供学生选择下载,使用于所需要的其它实验中。学生可以在程序中改变m序列的周期来产生不同的伪随机序列,还可以在信道模拟的模块中改变误码的位置和位数,来观察汉明码的纠错
9、结果,通过对比深入理解差错控制编码和分组码的原理和应用。(下转第114页)701寇艳红,等:通信原理开放性实验项目设计了解生产实际、技术应用和革新情况。(6)制订严格的带鼓励性的实验成绩管理办法 大学生的自主自立意识要求我们充分放开,让他们自主实验,但实验室必须制订具体措施确保开放实验教学有条不紊高效地进行。要加强对开放实验教学过程的监督管理,特别是要制订一套严格又具有鼓励性的实验成绩考核办法,促使学生重视实验。考核的范围是本学期所有与实验相关的内容,考核1人1题,内容随机抽定,重点是仪器的使用、常用电路性能指标的测试、自行设计和搭接电路的能力,考核的形式是实验理论和动手操作相结合,考核的最终
10、成绩由平时实验成绩、考核成绩综合而定。另外我们规定,平时实验成绩不合格的,不能参加实验考核。凡实验成绩不合格的不能参加课程设计。电子技术的日新月异迅猛发展给电气信息类学科基础课程实验教学提出了更高更全面的要求,作为实验技术人员,应充分认识到形势喜人、形势逼人,以高度的责任感和主人翁意识投入到开放实验教学工作中去,为培养优秀的电子技术人才,推动祖国电子事业的发展,艰苦奋斗、顽强拼搏,不断地探索,不断地实践。参考文献:1中国电子学会教育分会.中国电子高等教育国际化M.北京:机械工业出版社,2004年.2陈大鹏,吴丽芳.实验室开放的实践与探索J.实验技术与管理,2003,20(6):159161.3
11、张立平,等.必须建立与开放式研究型大学相适应的实验室J.实验技术与管理,2003,20(6):57.4涂庭亚.创新能力培养是实验室建设和管理工作的重点 J.实验室研究与探索,2003,22(2):810.(上接第107页)3 结束语在通信原理开放性实验平台上系统控制、逻辑转换和高速数据处理是由MCU+FP2GA核心模块来完成的。本文用Keil C语言编写MCU的控制及液晶显示模块程序,用VHDL硬件描述语言编写所需逻辑电路的FPGA程序,在实验平台上实现了PCM采编器以及(7,4)汉明码编译码传输系统。通过在液晶上显示实验系统中不同兴趣点的数据波形,使学生能够清楚地理解实验系统中各个环节的功能及整个实验的数据流程,方便地进行波形的检验和对比。FPGA实现的技术途径使得学生可以很容易地修改实验系统的搭接和参数的选择,从而观察不同设计下的硬件信号真实效果。参考文献:1潘琢金.C8051F020/1/2/3混合信号ISP FLASH微控制器数据手册 S.沈阳:沈阳新华龙电子有限公司,2002.2宋万杰,罗 丰,吴顺君.CPLD技术及其应用M.西安:西安电子科技大学出版社,1999.3带中文字库图形液晶显示模块LCM240128ZK使用说明书 S.北京青云创新科技发展有限公司,2003.4曹志刚,钱亚生.现代通信原理M.北京:清华大学出版社,1992.411实 验 技 术 与 管 理