基于FPGA的通信技術(shù)綜合實驗課程教學(xué)模式設(shè)計

張延彬 高向川

[摘 要] 通信技術(shù)綜合實驗是通信工程專業(yè)必修的一門綜合性實驗課程，對提升學(xué)生的工程實踐能力和解決復(fù)雜工程問題能力具有重要意義。以通信技術(shù)綜合實驗課程的培養(yǎng)目標(biāo)為依據(jù)，設(shè)計了由學(xué)生團隊半自主命題并完成實驗任務(wù)的教學(xué)模式，采用軟件無線電硬件實驗平臺，設(shè)計并驗證基于FPGA的編碼、調(diào)制、解調(diào)、解碼和同步等通信收發(fā)電路。整個課程教學(xué)貫徹以學(xué)生為中心的教育理念，注重過程管理，全方位多角度進行考核，對學(xué)生和老師均提出了較高要求，確保了課程的含金量。

[關(guān)鍵詞] FPGA;以學(xué)生為中心;過程管理;教學(xué)模式

[基金項目] 2019年度河南省高等教育教學(xué)改革研究與實踐項目“新工科牽引下信息類專業(yè)‘一體多維’式工程教育模式研究與實踐”（2019SJGLX034）

[作者簡介] 張延彬（1980—），男，河南南陽人，博士，鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院講師，主要從事高速實時信號處理、嵌入式系統(tǒng)等研究;高向川（1981—），男，河南南陽人，博士，鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院教授，主要從事無線通信與信號處理等研究。

[中圖分類號] G642.41 [文獻標(biāo)識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）20-0137-04 [收稿日期] 2021-07-19

引言

在通信工程專業(yè)的培養(yǎng)方案中，通信技術(shù)綜合實驗是一門必修的綜合性實驗課程，該課程要求學(xué)生綜合運用數(shù)字電路、信號處理、通信原理、電磁場、計算機和系統(tǒng)建模仿真等工程基礎(chǔ)知識和專業(yè)理論知識，根據(jù)特定的功能和技術(shù)指標(biāo)要求，設(shè)計一個完整的通信收發(fā)電路。該課程的目標(biāo)是通過較為系統(tǒng)的工程實踐訓(xùn)練，理論與實踐相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，提高學(xué)生進行工程設(shè)計、開發(fā)和測試驗證的能力，增強學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，為畢業(yè)后從事專業(yè)工作打下堅實基礎(chǔ)[1]。

FPGA（現(xiàn)場可編程邏輯器件）作為處理器具有很好的靈活性和高度并行性，其在實際的通信系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[2]。同時，近年來軟件無線電技術(shù)（SDR）也得到了快速發(fā)展[3]。因此該實驗基于FPGA和SDR技術(shù)相結(jié)合的硬件平臺[4-6]，要求學(xué)生完成編碼、調(diào)制、解調(diào)、解碼、校驗和同步等通信系統(tǒng)中關(guān)鍵電路模塊的設(shè)計和開發(fā)，并構(gòu)成一個完整的通信收發(fā)鏈路，對于提高學(xué)生綜合運用專業(yè)知識能力和解決復(fù)雜工程問題能力具有重要意義。

一、實驗硬件平臺

該實驗項目的硬件平臺基于軟件無線電的設(shè)計思想，由FPGA開發(fā)板和雙通道DAC電路板構(gòu)成通信鏈路的發(fā)送端，由FPGA開發(fā)板和雙通道ADC電路板構(gòu)成通信鏈路的接收端[7-9]。FPGA開發(fā)板主要包括FPGA芯片EP4CE15F17C8N、配置芯片、存儲器、實時時鐘芯片、數(shù)碼管、語音芯片、攝像頭、LCD顯示屏、USB接口、按鍵和指示燈等基本電路。雙通道DAC電路板主要包括14bit/125MHz的雙通道DAC芯片AD9767、運算放大器、濾波器、并行數(shù)字輸入接口和BNC模擬輸出接口。雙通道ADC電路板主要包括12bit/65MHz的雙通道ADC芯片AD9238、運算放大器、濾波器、并行數(shù)字輸出接口和SMA模擬輸入接口。DAC輸出和ADC輸入之間通過一根BNC轉(zhuǎn)SMA線連接，用于模擬信道。

應(yīng)用該硬件實驗平臺，通信鏈路中的多數(shù)電路均要求基于FPGA通過編程實現(xiàn)，數(shù)據(jù)源、編碼方式、調(diào)制方式、解調(diào)方式、解碼方式、同步等功能及相關(guān)參數(shù)均可以自由選擇，具有很大的靈活性。同時考慮到實驗室中大量設(shè)備同時使用，為避免設(shè)備間互相干擾影響實驗開展，該實驗方案采用了有線連接，可通過自主可控的方式通過編程在通信鏈路中添加一定信噪比的噪聲和特定類型的干擾來測試電路性能。

二、實驗方案設(shè)計

結(jié)合實驗硬件平臺，該實驗基于FPGA通過硬件編程完成數(shù)字通信系統(tǒng)中的加密、編碼、調(diào)制、解調(diào)、解碼、解密等電路模塊，在中頻實現(xiàn)通信收發(fā)鏈路?；竟δ芎椭笜?biāo)要求如下：發(fā)送端數(shù)據(jù)可以為當(dāng)前時間/語音/圖像;編碼方式自定義;調(diào)制方式從ASK、FSK、PSK中選擇/FSK/QPSK/16QAM;碼率不低于100K波特;載波頻率不低于2MHz;其他功能自由發(fā)揮。該實驗要求具有很大的靈活性，要求學(xué)生充分理解通信系統(tǒng)中各種技術(shù)的選擇依據(jù)和相關(guān)參數(shù)設(shè)計方法，根據(jù)自身對通信系統(tǒng)基礎(chǔ)知識、FPGA開發(fā)工具和硬件描述語言的掌握情況，自由選擇與自身能力相適應(yīng)的具體設(shè)計功能、指標(biāo)和實現(xiàn)方法。

基于該硬件實驗平臺，可以完成數(shù)據(jù)、語音和圖像的傳輸。以實現(xiàn)時間同步的數(shù)據(jù)通信功能為例，該功能最終達到的效果是使收發(fā)兩端FPGA開發(fā)板上數(shù)據(jù)管顯示的時間一致。數(shù)據(jù)源來自實時時鐘芯片DS1302的輸出，編碼采用曼徹斯特編碼，調(diào)制采用ASK，碼元速率500KHz、載波頻率5MHz。發(fā)送端需要基于FPGA設(shè)計時鐘數(shù)據(jù)讀取、曼徹斯特編碼、ASK調(diào)制和數(shù)模轉(zhuǎn)換等模塊。接收端需要基于FPGA設(shè)計模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)讀取、整流、低通濾波、碼元同步、抽樣判決、曼徹斯特解碼、接收數(shù)據(jù)顯示等模塊。發(fā)送端和接收端一起構(gòu)成完整的收發(fā)鏈路，其中發(fā)送端編碼方式、調(diào)制方式和相關(guān)參數(shù)的選擇，對接收端的解調(diào)、解碼和同步等處理方法具有決定性影響，應(yīng)在綜合考慮硬件資源、實現(xiàn)復(fù)雜度、小組成員專業(yè)能力和時間限制等因素后評估確定。

基于FPGA的電路設(shè)計，應(yīng)按照自上而下的層次化設(shè)計思想，合理規(guī)劃每個模塊的功能、接口和時序。接收端的載波同步、位同步和幀同步等功能，是整個通信鏈路設(shè)計的重點和難點，也有較多經(jīng)典和成熟的技術(shù)方案可供選擇，對于這些關(guān)鍵電路模塊，應(yīng)統(tǒng)籌考慮解決方案，借助現(xiàn)代仿真工具進行充分的技術(shù)方案驗證，確保方法的正確性，評估FPGA實現(xiàn)的可行性，然后再進行硬件描述語言的編碼。時鐘的選擇和變換也是FPGA開發(fā)過程中的一個重點，發(fā)送端和接收端都存在不同模塊間時鐘頻率不一樣的情況，需要關(guān)注跨時鐘域問題?；贔PGA進行具體電路模塊設(shè)計時，存儲器、邏輯單元、觸發(fā)器和乘法器等資源的優(yōu)化使用是體現(xiàn)設(shè)計能力和水平的重要方面，在設(shè)計過程中應(yīng)時刻關(guān)注各種資源的占用情況，適時采用資源共享、邏輯優(yōu)化和串行化等技術(shù)提高資源使用效率，采用流水線、乒乓操作法、寄存器配平法和關(guān)鍵路徑法等技術(shù)提高電路工作速度。

三、實驗過程管理

該實驗安排兩周的時間來完成，其中第一天進行集中講解，明確設(shè)計任務(wù)和要求，提供相關(guān)設(shè)計資料，說明基本設(shè)計思路，完成以四人為一個小組自由組隊，最后一天進行考核，對每個小組的設(shè)計結(jié)果進行驗收，查看結(jié)果，詢問問題，充分掌握每個小組的實際完成情況。

（一）實驗過程

具體的實驗過程基本分為四個階段：學(xué)習(xí)階段、方案設(shè)計階段、單元模塊設(shè)計階段和集成測試階段。

1.在學(xué)習(xí)階段，要求學(xué)生根據(jù)自身情況安排1～2天時間，進一步熟悉FPGA開發(fā)環(huán)境、仿真工具和硬件測試工具的使用，讓學(xué)生明白工欲善其事、必先利其器的道理，為后續(xù)的高效率設(shè)計開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

2.在方案設(shè)計階段，要求學(xué)生在復(fù)習(xí)通信系統(tǒng)設(shè)計的基本原理基礎(chǔ)上，制定明確的設(shè)計方案，給出具體的功能和指標(biāo)要求，劃分系統(tǒng)的模塊組成，定義模塊之間的接口，確定每個模塊的設(shè)計方法，并對整個設(shè)計方案采用Matlab仿真的方式快速進行正確性驗證，并制定合理的時間任務(wù)計劃和人員分工。方案設(shè)計階段非常關(guān)鍵，是對整個設(shè)計任務(wù)的統(tǒng)籌安排，要充分發(fā)揮學(xué)生的自主能動性，同時也需要老師對每一組的設(shè)計方案進行把關(guān)和指導(dǎo)，給出合理可行的建議，確保方向不走偏。

3.在單元模塊設(shè)計階段，主要由學(xué)生自主完成設(shè)計和驗證，確保每個單元模塊滿足功能要求和接口時序，這是整個系統(tǒng)能夠正常工作的基礎(chǔ)，任何一個模塊有問題都會導(dǎo)致最終整個系統(tǒng)無法正常工作。

4.在集成測試階段，由學(xué)生將各單元模塊以元件例化的方式連接起來，構(gòu)成完整的系統(tǒng)，要求學(xué)生具有綜合調(diào)試能力，在發(fā)現(xiàn)問題時能夠冷靜分析問題，嘗試多種調(diào)試方法定位問題根源，然后有針對性解決問題。在該階段，應(yīng)避免一次性將所有單元模塊放在一起進行整體測試，應(yīng)該首先根據(jù)模塊之間的關(guān)系進行2～3個模塊的集成測試，逐步增加單元模塊數(shù)量，直至構(gòu)成完整的系統(tǒng)。同樣，當(dāng)測試出現(xiàn)問題時，也要及時化繁為簡，分級確定問題根源，分離問題模塊，測試通過后再整體測試。集成測試階段是學(xué)生在完成實驗過程中難度較大的地方，對學(xué)生要求較高，經(jīng)常出現(xiàn)單個模塊沒有問題但多個模塊有很多問題的情況，也容易遇到一些沒有解決思路的問題，在鼓勵學(xué)生認真分析問題解決問題的同時，也需要老師及時與學(xué)生交流，樹立問題一定能夠解決的信心，開拓學(xué)生解決問題的思路和方法。

（二）教師指導(dǎo)

實驗過程中老師的及時指導(dǎo)，對學(xué)生順利完成整個實驗，具有重要作用。教師指導(dǎo)方法指導(dǎo)、技術(shù)指導(dǎo)和心理引導(dǎo)三個方面。方法指導(dǎo)方面，要讓學(xué)生樹立整體和系統(tǒng)觀念，明白總體方案設(shè)計的重要性，指導(dǎo)學(xué)生進行合理有效分工和協(xié)作，強調(diào)現(xiàn)代開發(fā)工具對高效開發(fā)的重要意義，注重細節(jié)，對設(shè)計的每一步充分驗證。技術(shù)指導(dǎo)方面，并不是直接告訴學(xué)生具體問題的正確答案，而是從思路上開導(dǎo)學(xué)生，提示學(xué)生定位問題原因的途徑和解決問題的可能方法與步驟，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)過思考分析最終自主解決問題。心理引導(dǎo)方面，要鼓勵學(xué)生在完成綜合實驗的過程中要有信心、恒心和耐心，讓每位同學(xué)相信經(jīng)過自己的努力，一定可以完成實驗任務(wù)，遇到問題時不急不躁，心平氣和，理論聯(lián)系實際，經(jīng)過查閱資料和討論交流，逐步解決實驗過程中的各種問題。

（三）學(xué)生培養(yǎng)

該實驗鼓勵同學(xué)們之間的互相學(xué)習(xí)和交流，同一個小組共同確定一個設(shè)計方案，分工協(xié)作去完成。在實驗過程中，充分體現(xiàn)以學(xué)生為中心的教育理念，充分發(fā)揮學(xué)生的主動性和積極性，由學(xué)生自主管理，互相配合，自主完成項目任務(wù)書設(shè)計、項目方案設(shè)計、單元模塊設(shè)計與驗證、系統(tǒng)集成與聯(lián)調(diào)聯(lián)測，從而使學(xué)生通過完整的實驗設(shè)計進一步掌握和應(yīng)用通信系統(tǒng)的理論知識，掌握通信電路的設(shè)計和驗證方法，掌握開發(fā)工具和調(diào)試儀器的使用方法，提高學(xué)生的工程實踐能力，培養(yǎng)團隊精神，樹立創(chuàng)新意識。

四、實驗考核方法

合理的實驗考核方法是課程質(zhì)量的重要保證。實驗考核分為過程表現(xiàn)、驗收情況和實驗報告三個部分，課程的最終成績由三個部分按照4∶3∶3的比例構(gòu)成，既重視最終結(jié)果，也重視實驗過程，既重視實踐能力，也重視報告撰寫能力，全方位多角度科學(xué)地評價學(xué)生。

（一）過程表現(xiàn)

該部分重點考察各小組在試驗過程中的時間利用情況、學(xué)習(xí)態(tài)度、克服困難的精神面貌。由于每個小組的功能、指標(biāo)要求和技術(shù)方案都有差異，指導(dǎo)老師需要在整個實驗過程中投入足夠精力，關(guān)注每個小組每天的實驗進展情況和遇到的問題，并與各小組進行交流和及時指導(dǎo)。

（二）驗收情況

該部分重點考察每個小組的實驗完成質(zhì)量、技術(shù)方案的合理性、對實驗現(xiàn)象的解釋能力和對實驗結(jié)果的分析能力，驗收時逐個小組進行，查看源代碼、測試方法和實驗結(jié)果，并對每位同學(xué)現(xiàn)場提問，充分了解每個小組的實驗完成情況和每位學(xué)生的任務(wù)完成情況。

（三）實驗報告

實驗報告包括實驗?zāi)康?、實驗?nèi)容、總體設(shè)計方案、單元模塊設(shè)計、綜合測試結(jié)果及分析、實驗中遇到的問題及解決方法、心得體會和自我評價等八個部分，要求學(xué)生根據(jù)個人及小組的實驗實際完成情況進行撰寫。實驗報告中，文字、段落、圖、表和公式的格式應(yīng)滿足基本規(guī)范，表述應(yīng)清晰合理。除了關(guān)注實驗報告中總體方案的設(shè)計合理性，單元模塊的正確設(shè)計與驗證，系統(tǒng)綜合測試的完整性，最終設(shè)計結(jié)果與預(yù)期設(shè)計指標(biāo)的一致性，還要關(guān)注學(xué)生對實驗過程中遇到問題的認識和解決方法，實驗過程的收獲。學(xué)生在完成綜合實驗的過程中，通常會經(jīng)歷從一頭霧水到柳暗花明的過程，實驗過程中廢寢忘食的努力和付出，會在得到預(yù)期結(jié)果時帶來深深的滿足感和成就感，這對于激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和深入研究的興趣和信心具有重要意義，多數(shù)認真完成實驗的同學(xué)會在實驗報告的心得體會部分有深刻生動的描述，指導(dǎo)老師應(yīng)認真閱讀每一份實驗報告的心得體會部分，這是了解學(xué)生完成實驗心路歷程的重要渠道，也對老師更好地安排和指導(dǎo)實驗具有重要的參考意義。學(xué)生的自我評價也是實驗報告的一個重要組成部分，要求學(xué)生根據(jù)自己擬定的系統(tǒng)設(shè)計方案，逐條對照功能和技術(shù)指標(biāo)要求，結(jié)合實際的實驗完成情況和完成質(zhì)量，對小組和個人分別給出適當(dāng)?shù)脑u價和合理的成績，這是體現(xiàn)學(xué)生自主管理能力的重要環(huán)節(jié)，也是指導(dǎo)老師評定學(xué)生課程成績的重要參考。

結(jié)語

該綜合實驗課程從設(shè)計內(nèi)容、過程管理到考核驗收，是對學(xué)生的專業(yè)知識、動手能力和團隊精神的一次綜合檢驗和提升，對老師的專業(yè)能力、敬業(yè)精神也提出了較高的要求，符合高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的課程標(biāo)準(zhǔn)。課程的教學(xué)模式，給學(xué)生提供了自主實踐的平臺，自由發(fā)揮的空間，可以很好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，增強多學(xué)科知識的綜合運用能力，鍛煉系統(tǒng)思維能力，提高工程實踐能力，學(xué)生普遍反映課程有難度，但更有收獲，有困難，但更有信心，達到了預(yù)期的課程目標(biāo)，也為學(xué)生參與設(shè)計更為復(fù)雜的滿足實際應(yīng)用要求的通信系統(tǒng)打下了良好基礎(chǔ)。

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Design of Teaching Mode of Communication Technology Comprehensive Experiment Course Based

on FPGA

ZHANG Yan-bin， GAO Xiang-chuan

（School of Information Engineering， Zhengzhou University， Zhengzhou， Henan 450001， China）

Abstract： Communication Technology Comprehensive Experiment is a compulsory comprehensive experimental course for communication engineering specialty. It is of great significance to improve students’ engineering practice ability and ability to solve complex engineering problems. Based on the training objectives of the comprehensive experimental course of communication technology， a teaching mode of semi-independent proposition and completion of experimental tasks by the student team is designed. Using the hardware experimental platform of software defined radio， the communication transceiver circuits such as coding， modulation， demodulation， decoding and synchronization based on FPGA are designed and verified. In the whole course teaching， the student-centered education concept is implemented. In addition， we pay attention to process management， carry out assessment from all aspects and angles， put forward higher requirements for students and teachers， and ensure the gold content of the course.

Key words： FPGA; student-centered; process management; teaching mode