开放式通信原理实验平台制造技术

开放式通信原理实验平台，基于“ＰＣ＋ＭＣＵ＋ＦＰＧＡ”架构，ＰＣ机通过串口和调试接口与实验板相连接，它主要由核心电路和外围电路两大部分组成，核心电路主要包括ＭＣＵ、ＦＰＧＡ、ＮＶＲＡＭ存储器；外围电路包括串口通信模块、ＭＣＵ　　ＪＴＡＧ接口电路，ＦＰＧＡ配置接口电路，语音输入模块、语音输出模块、多路ＡＤ输入模块、多路ＤＡ输出模块、无线传输模块，ＰＡＭ调制模块，ＨＤＢ３编译码模块、数字解调模块、ＤＤＳ数字调制与频率合成模块、锁相环模块，ＬＥＤ与拨码开关模块等。本实用新型专利技术除能够完成通信原理课程的绝大部分实验外，还可用于其他多门课程实验以及课程设计、毕业设计和电子竞赛，可以根据不同的教学要求及学生兴趣和能力安排实验内容。（*该技术在2015年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种通信原理实验平台，尤其是能够让学生充分自主地设计和探索的开放式实验平台。
技术介绍
通信原理实验是为了配合《通信原理》课程的学习而开设的教学实验。通信原理课的教学大纲规定，要求学生掌握典型通信系统的组成、工作原理和性能特点，尤其是数字通信的基本理论；掌握基本分析方法、工程设计方法和必要的实验技能；为使学生深入研究和设计开发现代通信系统及其关键部件打下基础。《通信原理》作为电子工程、通信和计算机类专业学生必修的一门专业基础课，其理论性和工程实践性都很强，许多课程内容需要通过实验才能扎实地理解和掌握。我国高校现在开设的《通信原理》课程一般包括模拟调制、脉冲调制、多路与多址传输、数字传输、同步原理、差错控制编码等部分。其中模拟调制部分主要包括模拟线性调制和模拟角度调制；脉冲调制部分的重点是抽样定理与语音编码，包括脉冲编码调制(PCM)、自适应差分脉冲编码调制(DPCM)、增量调制(ΔM)；多路与多址传输部分包括正交分割原理，频分(FDM)、时分(TDM)、码分(CDM)、空分(SDM)等复用方式；数字传输部分主要包括基带传输和载波传输，而载波传输以多种数字调制技术为重点；同步原理部分主要包括载波同步、码同步、帧同步和数字复接；差错控制编码部分主要包括线性分组码和卷积码。目前国内外通信原理课程实验既有采用纯软件实验平台，也有采用硬件实验平台，还有少量采用软硬件相结合的实验平台的。软件实验平台多是以Elanix公司的SystemView或Mathworks公司的MatIab系统仿真软件为基础，在软件平台上用数学模型搭建通信系统，进行通信系统的仿真设计和分析。硬件实验平台多是通过各种专用集成电路搭建相应实验的实现电路，学生只能做一些简单的测量验证工作，很难开展有自我创意真正的设计；并且实验项目和内容的增加常常伴随着实验模板和费用的成比例增加。也有部分平台在硬件验证性实验的基础上引入了少量基于FPGA技术的二次开发型实验，但基本是作为整个平台的一个单独的附加部分，其外围配套电路单一，设计空间很小，因此所能实现的实验相当有限。新一代通信原理实验平台应能够跟踪当前通信系统设计的一些主流技术，提供足够的设计资源，开展丰富的实验项目，涵盖通信原理课程的大部分知识点，同时还要在实验内容的先进性和作为学生实验的经济性、可行性之间进行折衷考虑。随着技术的发展，将EDA、单片机和计算机技术适当引入通信原理实验平台，将在节省成本的同时极大地改善教学效果，开设出软硬件相结合的综合性和探索性实验。PC机可提供友好的人机界面、强大的分析工具和丰富的设计资源。目前的高性能单片机已具有较高的数据处理功能、较大的存储数据的空间以及丰富的IO口，可以实现运算量大或需要高速传输的实验，如无线通信、CDMA实验；还可以通过嵌入式操作系统等屏蔽掉课程大纲以外的对硬件知识的要求而着重于系统性设计。与传统实验教学相比，基于FPGA并结合EDA技术的通信原理实验灵活性非常高，学生利用先进的EDA软件可以自主进行实验设计输入、逻辑仿真、编程，再将其下载至可编程器件完成硬件实现。例如在QUARTUS II平台上输入实验原理图，或采用VHDL或verilog HDL语言来书写电路，然后由计算机自动进行编译、检错和逻辑综合，可有效避免电路设计中可能存在的错误。电路通过编译后即可借助仿真器进行逻辑仿真(QUARTUS II非常方便的提供了仿真所需的时钟和信号源)，观察电路各节点的仿真波形是否与理论波形一致，进一步对设计进行验证。最后将编译完成的工程文件通过电缆下载到FPGA，用示波器和逻辑分析仪对FPGA各输出点波形进测试，并与计算机仿真波形进行比较，从而验证硬件电路的正确与否。这种实验方式免去了检查集成块好坏和检查线路的繁琐性。而且学生只需拥有一台电脑和QUARTUS II软件，则课余时间也可自由进行自己的设计。不仅可以使学生适应快速发展的电子技术和通信技术需要，而且还可以有效培养学生的实验能力、动手能力、创新能力和工程实践能力。本
技术实现思路
本技术解决的技术问题是克服现有的国内目前通信原理硬件实验平台开放性差，能够让学生自己动手设计的实验较少，实验项目固定，无法满足学生开展独立创新实验和综合性实验的问题，而提供一种实现的新型开放式通信原理实验平台，它能使学生在深入理解实验原理、熟练掌握实验技巧的基础上充分开拓创造性思维，探索并开发新的实验项目，加强学生对相关课程基础理论的理解和运用，大大增加了学生自主设计的条件和机会，锻炼了学生的研发能力和实际动手能力。本技术的技术解决方案是开放式通信原理实验平台，其特点在于基于开放型的设计原则(是使学生能够最大限度地发挥其创造性的基础)，采用“PC+MCU+FPGA”的总体架构，PC机通过串口和调试接口与实验板相连接，实验板主要由核心电路和外围电路两大部分组成。核心电路作为主控单元，主要包括高性能单片机(MCU)C8051F020、FPGA、NVRAM存储器，其中MCU 2、FPGA 3与NVRAM 4之间两两相连进行通信；外围电路包括连接PC与MCU的串口通信模块、MCU JTAG接口电路，连接PC与FPGA的FPGA配置接口电路，直接与MCU相连的语音输入模块、语音输出模块、PAM调制模块、多路AD输入模块、多路DA输出模块、无线传输模块，直接与FPGA相连的HDB3编译码模块、数字解调模块、DDS数字调制与频率合成模块、锁相环模块，LED与拨码开关模块，由以上多个模块引出的扩展接口模块，以及为各模块供电的电源控制模块等，其中语音输入模块和多路AD模块与单片机的AD输入管脚相连，语音输出模块和DA输出模块与单片机的DA管脚相连，单片机串口2与无线传输模块相连，单片机串口1与计算机相连，接收来自计算机的指令，并根据需要输出数字信号和数据，PAM调制模块分别与语音输入及输出模块相连，而其采样时钟由FPGA提供。本技术的工作原理是新型开放式通信原理实验平台以“通信原理”等课程的配套教学实验为主，兼顾通用的软硬件实现手段，密切结合课程要求和实际应用研发而成，实现通信基础功能单元和典型通信系统的实验。实验平台包含一个独特的指令系统，根据计算机发送给平台的指令来执行相应的操作。这些指令操作包括波形发生器、PCM传输实验、语音实验、锁相环实验的FPGA移相器、锁相频率合成器、PAM采样时钟选择、温度传感器测温实验、DDS频率合成与数字调制等，这些指令分别与相应的部分实验相对应。另有一些实验不需要指令控制，可以完全由FPGA控制或本部分电路单独完成的，如M序列生成实验、数字锁相环即帧同步提取实验等，这些实验可以在相应的电路模块上直接进行或将自己编写、修改的FPGA程序下载到FPGA内验证执行。对于开放性实验，学生在不改变原先电路设计的基础上，根据实验或课题要求设计实验方案，编写相应的FPGA程序或单片机程序，并且将平台上的各个开关拨到相应的位置，从而对外围电路资源进行控制，实现各项功能和指标。本技术与现有技术相比具有如下优点(1)以“PC+MCU+FPGA”为核心的模块化设计、外围丰富的硬件资源、大量的硬件开关，大大提高了平台的开放性，可以在不改变硬件电路的情况下进行功能扩展和学生的二次本文档来自技高网...

【技术保护点】
开放式通信原理实验平台，其特征在于：基于“ＰＣ＋ＭＣＵ＋ＦＰＧＡ”架构，ＰＣ（１）通过串口和调试接口与实验板相连接，实验板主要由核心电路和外围电路两大部分组成，核心电路作为主控单元，主要包括ＭＣＵ单片机（２）、ＦＰＧＡ（３）和非易失性ＲＡＭ存储器ＮＶＲＡＭ（４），其中ＭＣＵ单片机（２）、ＦＰＧＡ（３）与ＮＶＲＡＭ（４）之间两两相连进行通信；外围电路包括连接ＰＣ（１）与ＭＣＵ（２）的串口通信模块（５）、ＭＣＵＪＴＡＧ接口电路（６），连接ＰＣ（１）与ＦＰＧＡ（３）的ＦＰＧＡ配置接口电路（７），直接与ＭＣＵ（２）相连的语音输入模块（８）、语音输出模块（９）、多路ＡＤ输入模块（１１）、多路ＤＡ输出模块（１２）、无线传输模块（１３），分别与语音输入模块（８）和语音输出模块（９）相连的ＰＡＭ调制模块（１０），直接与ＦＰＧＡ相连的ＨＤＢ３编译码模块（１４）、数字解调模块（１５）、ＤＤＳ数字调制与频率合成模块（１６）、锁相环模块（１７），ＬＥＤ与拨码开关模块（１８），由以上多个模块引出的扩展接口模块（１９），以及为各模块供电的电源控制模块（２０）。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：寇艳红，张其善，苗强，杨枫，常青，王力军，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：实用新型
国别省市：11[中国|北京]