基于CDIO的通信原理實驗信號源研制

王千春 馬立憲

摘要：CDIO工程教育模式強調(diào)工程教育必須回歸工程，地方二本院校的培養(yǎng)目標是應(yīng)用型人才，課程實驗注重應(yīng)用型是培養(yǎng)應(yīng)用型人才的方式之一，通信原理是理論性較強的課程，信號源是通信原理實驗的重要組成部分，針對通信原理實驗的特點，自主研制適合通信原理實驗的信號源，為通信原理實驗提供保障同時，極大的提高學生的動手能力和創(chuàng)新能力，提高教學效果。

關(guān)鍵詞：CDIO;通信原理實驗;信號源;DDS

中圖分類號：TP391.6 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）11-0068-02

0 緒論

CDIO工程教育模式是由美國麻省理工學院會同瑞典三所著名大學倡導(dǎo)，與工業(yè)界共同合作創(chuàng)建的工程教育模式，并獲得2011年度美國國家工程院頒布的“戈登獎”。該模式強調(diào)工程教育必須回歸工程，堅持工程人才“知識、能力、素質(zhì)”的協(xié)調(diào)發(fā)展，著重基礎(chǔ)知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統(tǒng)能力等四個層面的能力培養(yǎng)，突破了傳統(tǒng)的以學科知識傳授為主的人才培養(yǎng)模式，更加適應(yīng)產(chǎn)業(yè)界對工程人才的需求。通信原理是通信工程等專業(yè)的專業(yè)核心課，通信原理實驗更是理論與實踐相結(jié)合的重要途徑，如何使通信原理實驗符合應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標，是一個需要解決的問題。目前通信原理實驗箱的很多驗證性實驗，對提高學生的動手能力有一定的局限性，因此如何更好的提高學生的動手能力，也是一個需要解決的問題。通信原理實驗箱的信號源是通信原理實驗的重要組成部分，是使用頻率最高的模塊。因此，通信原理實驗過程中制作一款適合通信原理實驗的信號源是迫切需要的。

1 信號源的分析

針對我校開設(shè)的通信原理實驗，需要如下信號源：

PCM編譯碼實驗需要幀同步信號、時鐘信號、頻率介于300-3400KHz的語音信號、頻率小于300Hz和大于3400KHz的正弦波;數(shù)字調(diào)制及解調(diào)實驗需要PN信號，頻率是128KHz和256KHz的正弦載波信號;HDB3碼型變換實驗需要PN信號和時鐘信號等。

（1）數(shù)字信號源：

數(shù)字基帶信號采用單極性不歸零碼（NRZ）。

單極性不歸零碼可以表示為：

其中為單極性不歸零脈沖，

在數(shù)字通信系統(tǒng)中，常用碼組發(fā)生器代替數(shù)字信號源，m序列是一種重要的偽隨機序列，具有較理想的偽隨機性，自相關(guān)函數(shù)尖銳，電路比較容易實現(xiàn)。

（2）模擬信號源：

模擬基帶信號采用音頻信號，可以用內(nèi)部產(chǎn)生1KHz正弦信號或由A/D采集外部信號源作為模擬基帶信號。為了使模擬基帶信號的頻率可變，采用DDS的方式生成模擬基帶信號[1]。

DDS的工作原理框圖[2]如圖1所示，給出了基本結(jié)構(gòu)和工作波形。DDS由四部分組成：相位累加器、相位幅度轉(zhuǎn)換器、D/A變換器和低通濾波器LPF。DDS的實質(zhì)是以參考頻率源對相位進行可控間隔采樣[3]。

正弦波信號可以表示為：，在振幅A和初始相位確定的情況下，頻率可由相位唯一確定，即。DDS就是利用相位和時間t呈線性關(guān)系來進行頻率合成。對上式兩邊微分得。得到，其中采樣周期，故上式可改寫成?？梢钥闯?，若可以控制，那么可以控制不同的頻率輸出。受頻率控制字的控制，即，帶入上式，得到DDS調(diào)諧方程：，其中L為相位累加器的位數(shù)。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，DDS允許輸出的最高頻率為，即。在實際工程中，由于低通濾波器的限制，輸出最大頻率一般約。

為說明DDS相位量化原理，將正弦波的一個周期的相位用相位圓圖表示，圓圖上的每一個點均對應(yīng)輸出一個特定的幅度值。一個L位的累加器對應(yīng)圓圖上個相位點，最低相位分辨率為。幅度值存儲在相位幅度轉(zhuǎn)換器中，在頻率字的控制下，相位累加器給出不同的相位碼，用相位碼的高位去尋址相位幅度轉(zhuǎn)換器，完成相位幅度變換[4]。

2 信號源的設(shè)計

針對所需要的信號源進行設(shè)計。采用DDS芯片AD9854，在程序中對輸出幅度寄存器進行相應(yīng)的設(shè)置，對輸出信號進行處理，使得變得正弦波變得更加平滑，再把輸出峰峰值為200mV的信號放大6倍到1.2V，電路如圖2所示。

教師在上課之前，提前準備好信號源電路所需要的相關(guān)元件器，課上給出原理圖學生自己焊接，讓學生自行分組進行制作，對學有余力的同學自行設(shè)計電路并焊接，這樣既提高了學生的實際動手能力、創(chuàng)新能力，又培養(yǎng)了學生的團隊合作意識，提高學習的主動性和參與度，同時也能保證實驗設(shè)備的供給。

上面只是針對信號源模塊，其他模塊也是如此，采用“通信積木”式的模塊化的架構(gòu)，從通信系統(tǒng)的角度出發(fā)，將各知識點分割至各個獨立的模塊。各模塊均有標準的結(jié)構(gòu)、信號輸入輸出接口和時鐘總線、通訊總線接口，不僅可以讓學生對模塊功能進行靈活配置，而且可以按照自己的構(gòu)思用這些標準的模塊“積木”搭建出自己想要的通信系統(tǒng)。讓學生在創(chuàng)新之前，利用這些模塊“積木”對各知識點和各種通信系統(tǒng)進行深入地學習。

這種“軟核硬架構(gòu)”的開放式設(shè)計方式還可以很好地支持學生進行創(chuàng)新設(shè)計，由于各功能“積木”在硬件架構(gòu)的設(shè)計上，對“積木”所搭載的同類功能的集合均做了較為完備的考慮，學生完全可以通過對其軟核的定制和開發(fā)，在同類功能范圍內(nèi)，按照自己的構(gòu)思對“積木”進行重新定義，為了充分調(diào)動學生創(chuàng)新開發(fā)的興趣和積極性，該平臺支持學生將其所設(shè)計的功能與其他既有的功能“積木”進行連接調(diào)試，從而將學生設(shè)計的能融入到整個通信系統(tǒng)中進行驗證。

3 結(jié)語

CDIO工程教育模式強調(diào)工程教育必須回歸工程，地方二本院校的培養(yǎng)目標是應(yīng)用型人才，課程實驗注重應(yīng)用型是培養(yǎng)應(yīng)用型人才的方式之一，通信原理是理論性較強的課程，信號源是通信原理實驗的重要組成部分，針對通信原理實驗的特點，自主研制適合通信原理實驗的信號源，為通信原理實驗提供保障同時，極大的提高學生的動手能力和創(chuàng)新能力，提高教學效果。

參考文獻

[1]Chris Kelly.DDS在函數(shù)發(fā)生器應(yīng)用中的優(yōu)點[J].電子設(shè)計應(yīng)用，2016（4）：101.

[2]李富麗.基于FPGA通信原理實驗系統(tǒng)的研究[D].北京化工大學，2009.

[3]楊建華.基于FPGA和DDS技術(shù)的多通道信號源設(shè)計[J].計算機與數(shù)字工程，2017，45（08）：1656-1659.

[4]劉陽.基于FPGA和DDS技術(shù)的雙通道正交信號源的設(shè)計與實現(xiàn)[D].中北大學，2017.

Research of Signal Source for Communication Principle Experiment Based on CDIO

WANG Qian-chun，MA Li-xian

（School of Electronic Engineering， Huainan Normal University， Huainan Anhui 232038）

Abstract：CDIO engineering education mode emphasizes that engineering education must return to engineering. The training objectives of the two local colleges are applied talents. The course experiment focuses on application is one of the ways to cultivate applied talents. The communication principle course is a theoretically strong course. The signal source is an important part of the communication principle experiment. According to the characteristics of the communication principle experiment， the signal source suitable for the communication principle experiment is independently developed to provide guarantee for the communication principle experiment， and the student's hands-on ability and innovation ability are greatly improved， and the teaching effect is improved.

Key words：CDIO;communication principle experiment;signal source;DDS