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虛實(shí)結(jié)合的通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法研究論文
本文介紹了一種虛實(shí)結(jié)合的通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法,使用xilinx公司的system generator工具,在simulink環(huán)境中搭建虛擬的通信模型,完成仿真后生成可下載文件,在FPGA中運(yùn)行,在實(shí)際的硬件電路上進(jìn)行實(shí)驗(yàn),為通信原理的實(shí)驗(yàn)方法提供了一條新的思路。
1.引言
通信原理課程是通信工程專業(yè)一門重要的專業(yè)課程,由于課程內(nèi)容理論要求高,知識背景廣,同時(shí)又具有很強(qiáng)的工程背景,需要大量的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)對其知識體系進(jìn)行補(bǔ)充。良好的實(shí)驗(yàn)設(shè)置不僅僅需要幫助學(xué)生鞏固課堂上的理論知識,培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力,同時(shí)還需要引入工程的思想引導(dǎo)學(xué)生解決實(shí)際通信電路的設(shè)計(jì)、分析、調(diào)試等種種問題。
本文提出了一種新的實(shí)驗(yàn)思路,利用xilinx公司提供的system generator工具,可以在simulink的庫中搭建開發(fā)好的模塊,組成通信模型,進(jìn)行仿真并可以使用虛擬器進(jìn)行觀測。同時(shí),可以生成HDL文件,編譯后下載到FPGA中執(zhí)行,運(yùn)行在實(shí)際的硬件電路上。
2.虛擬實(shí)驗(yàn)仿真
實(shí)驗(yàn)的第一步是在虛擬的環(huán)境中進(jìn)行,其設(shè)計(jì)是在simulink的環(huán)境下完成的,實(shí)現(xiàn)的方式完全和在simulink中一樣,通過拖拽模塊和連線,就能完成系統(tǒng)的搭建。學(xué)生可以自己構(gòu)建多種通信系統(tǒng),完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試工作,通過虛擬儀器分析信號的波形和頻譜,理解通信原理中的理論知識。圖 1是在simulink環(huán)境下搭建的一個(gè)基本的QPSK調(diào)制系統(tǒng),調(diào)用了xilinx公司的DDS、乘法器、加法器模塊,整個(gè)設(shè)計(jì)過程和通用的虛擬環(huán)境基本一致,通過simulink中提供的示波器,頻譜儀等模塊,可以觀測到整個(gè)調(diào)制的過程。
可以看出使用system generator工具所搭建的通信系統(tǒng)完全可以基于虛擬環(huán)境使用,豐富的虛擬設(shè)備可以讓學(xué)生清晰而直觀地觀察信號,不受硬件設(shè)備的限制,不需擔(dān)心設(shè)備損壞的問題,降低學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的畏難情緒,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。
3.硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)
在學(xué)生通過自己動(dòng)手完成虛擬系統(tǒng)的搭建,掌握了基本系統(tǒng)原理,觀測了相關(guān)信號的波形,調(diào)試成功后,就可以直接在simulink環(huán)境中生成 NGC或HDL文件,生成可下載文件,在硬件中運(yùn)行。硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)需要考慮以下幾個(gè)因素:(1)必須要滿足通信原理課程的要求,鞏固學(xué)生的理論知識。(2)能夠進(jìn)行綜合性及設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn),滿足二次開發(fā)的要求。(3)便于故障排除和維護(hù),減輕日常實(shí)驗(yàn)室工作強(qiáng)度。
基于以上的考慮,系統(tǒng)的硬件采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法,使用了母板+子板的設(shè)計(jì)方案。母板上使用了一片Xilinx公司的spartan 6系列FPGA,子板設(shè)計(jì)了AD、DA、音頻、放大器等常用的模塊。兩者通過digilent公司的PMOD接口連接。母板可以通過板子周邊的PMOD接口連接DA子板,將調(diào)制好的信號轉(zhuǎn)為模擬信號,由子板接口輸出,通過示波器進(jìn)行觀測。
結(jié)論
采用虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)方式可以結(jié)合虛擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)際硬件實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢,虛擬實(shí)驗(yàn)的方式實(shí)驗(yàn)形式靈活,虛擬模塊和設(shè)備齊全,實(shí)驗(yàn)成本低,效率高,便于學(xué)生理解通信系統(tǒng)的基本原理。而實(shí)際硬件上的實(shí)驗(yàn)?zāi)茏寣W(xué)生切實(shí)地感受真實(shí)的電路、元件、測量儀器,真正地提高學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力。因此,讓學(xué)生首先在虛擬環(huán)境中自己動(dòng)手搭建系統(tǒng),掌握了基本的原理之后,在通過system generator提供的工具直接生成可下載文件在硬件電路中運(yùn)行,在真實(shí)的電路板上調(diào)試,使用真實(shí)的儀器進(jìn)行觀測,給予學(xué)生直觀的認(rèn)識。通過這樣既加強(qiáng)了學(xué)生對基本原理的理解,有培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力,使之成為既具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ),又有很強(qiáng)動(dòng)手能力的創(chuàng)新型人才。
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