基于FPGA的數(shù)字通信實訓(xùn)平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

王 俊 ， 徐宏慶

（正德職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江 蘇 南 京 2 11106）

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(xué)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(jìn)行原理的驗證，學(xué)生無法在實驗中建立系統(tǒng)的概念，嚴(yán)重影響了后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)。

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(shè)計藍(lán)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(biāo)，難以推動學(xué)生的專業(yè)技能的提升。

本實訓(xùn)平臺采用了模塊化設(shè)計，只需更換相應(yīng)模塊，就可以完成不同的實驗。同時充分考慮到構(gòu)建系統(tǒng)概念的重要性，在設(shè)計系統(tǒng)實驗時，學(xué)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(xué)生的系統(tǒng)概念，起到了很大的作用。

1 平臺設(shè)計方案

本數(shù)字通信實訓(xùn)平臺將各個單元實驗?zāi)K與數(shù)字通信系統(tǒng)的模型有機的結(jié)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(shè)計了如圖1（a）所示的平臺結(jié)構(gòu)。實訓(xùn)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(shè)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(xué)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(biāo)，又可以通過各單元模塊組成數(shù)字通信系統(tǒng)，熟悉構(gòu)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(xué)生可以通過VHDL語言編程實現(xiàn)各個實驗?zāi)K的功能。在軟件實驗區(qū)，還設(shè)計了功能測試區(qū)，學(xué)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(guān)實驗。最終，以FPGA開放模塊為核心，利用軟硬件平臺把相關(guān)模塊進(jìn)行整合，將數(shù)字通信系統(tǒng)構(gòu)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(xué)生初步建立SOC的基本概念并了解通信系統(tǒng)設(shè)計流程，有助于他們的職業(yè)發(fā)展。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

圖1 實訓(xùn)平臺與FPGA開發(fā)板結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of platform and FPGA development board

實訓(xùn)平臺的硬件設(shè)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(jié)合度，并結(jié)合高職教育特點，采用了6+2的設(shè)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?！?”是兩個擴(kuò)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(jié)果更加直觀；

3）開展電子設(shè)計開發(fā)和驗證，提升學(xué)生的綜合軟硬件設(shè)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(kuò)展接口電路以及測試區(qū)電路。結(jié)構(gòu)框圖如圖1（b）所示。

2.2 主芯片電路

本設(shè)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(yīng)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(shè)計采用標(biāo)準(zhǔn)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(xué)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(shè)計在開發(fā)板上。學(xué)生通過程序，將輸出信號設(shè)定在預(yù)留的I/O口，然后以導(dǎo)線連接的方法，將信號送至相關(guān)模塊的電路中。實物照片如圖2（c）所示。

2.5 擴(kuò)展接口電路

擴(kuò)展接口有2組15×2的排針，除了引出其余的I/O口，還將VCC、GND以及CLOCK等也設(shè)計在擴(kuò)展接口。這為后續(xù)擴(kuò)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(shè)計

軟件設(shè)計采用QuartusⅡ9.0進(jìn)行開發(fā)，設(shè)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(shè)計思路，通過Quartus自帶的SOPC Builder設(shè)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?zāi)K提供必要的時鐘信號，學(xué)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(shè)計軟件模塊時，還充分考慮相關(guān)模塊在通信系統(tǒng)中邏輯關(guān)系，通過軟件可將基本模塊進(jìn)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(shè)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(jìn)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(yīng)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(shè)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。

圖2 FPGA核心開發(fā)板電路圖及實物圖Fig.2 Circuit diagrams and picture of FPGA development board

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(shè)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(shè)計思路是分別對已調(diào)信號和clk分頻信號進(jìn)行計數(shù)，然后對兩個計數(shù)值進(jìn)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(shè)計流程，仿真波形如圖3（a）所示。

圖3 數(shù)字通信系統(tǒng)FPGA軟件實現(xiàn)Fig.3 Digital communication system with FPGA software design

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(shè)計

利用QuartusⅡ自帶的SOPC Builder可以較為簡單的設(shè)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(zhǔn)時鐘，通過片內(nèi)PLL可以進(jìn)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(zhǔn)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(gòu)如圖4（b）所示。

圖4 片上數(shù)字通信系統(tǒng)Fig.4 Digital communication system on a chip

4 系統(tǒng)實測

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

4.1 采用硬件模塊搭接的方式構(gòu)建系統(tǒng)

通過實訓(xùn)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(jìn)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(xué)生在構(gòu)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(chǔ)知識，另一方面也鍛煉了學(xué)生FPGA軟件基本使用能力，為后續(xù)復(fù)雜程序編寫提供技術(shù)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(jìn)行分模塊設(shè)計以及頂層連接。在設(shè)計軟件模塊時，對關(guān)鍵測試點進(jìn)行芯片引腳設(shè)置，通過對核心開發(fā)板相關(guān)測試點進(jìn)行實測，強化了學(xué)生對數(shù)字通信系統(tǒng)基本架構(gòu)的認(rèn)知，讓學(xué)生掌握測試儀器的基本使用方法。同時，進(jìn)一步提升學(xué)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(shè)計

隨著技術(shù)發(fā)展，當(dāng)前數(shù)字通信系統(tǒng)已全部采用了片上系統(tǒng)的設(shè)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(shù)難度，在具體教學(xué)實施中，選擇部分基礎(chǔ)扎實、動手能力強的學(xué)生進(jìn)行SOPC片上系統(tǒng)設(shè)計實驗，強化實踐技能，提高他們的職業(yè)競爭力。

5 結(jié)束語

本實訓(xùn)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(biāo)，把握數(shù)字通信系統(tǒng)中最核心的技術(shù)概念。采用硬件實測與軟件仿真相結(jié)合的實驗?zāi)Ｊ剑褥柟虒W(xué)生對核心技術(shù)的理解，又強化學(xué)生對通信系統(tǒng)基本構(gòu)成要素的認(rèn)知，同時也讓學(xué)生熟悉了現(xiàn)代通信系統(tǒng)典型的實現(xiàn)方法。

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