實踐課程“軟件無線電系統(tǒng)設(shè)計與驗證”研究

段 銳，陳祝明，鄒 林

（電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，四川 成都 611731）

實踐課程“軟件無線電系統(tǒng)設(shè)計與驗證”研究

段 銳，陳祝明，鄒 林

（電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，四川 成都 611731）

實踐課程教學(xué)是培養(yǎng)專業(yè)學(xué)位研究生（專碩）知識應(yīng)用能力，增長工作經(jīng)驗，提高專業(yè)素養(yǎng)及就業(yè)、創(chuàng)業(yè)能力的重要環(huán)節(jié)。該文從實驗平臺建設(shè)、實驗項目、實驗環(huán)節(jié)和考核方式等方面，介紹了專業(yè)學(xué)位碩士實踐課程軟件無線電系統(tǒng)設(shè)計與驗證的建設(shè)思路和教學(xué)經(jīng)驗。以無線電系統(tǒng)中重要的數(shù)字下變頻（DDC）器設(shè)計實驗為例，詳細(xì)展示了課程教學(xué)過程與實驗實施方法。實際教學(xué)效果表明，通過課程學(xué)習(xí)，學(xué)生掌握了現(xiàn)代無線電系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計的一般方法和過程，提高了在實際工作中發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。

實踐課程；專業(yè)學(xué)位研究生；實驗教學(xué)；數(shù)字下變頻器

當(dāng)前，我國正處于全面建成小康社會和建設(shè)創(chuàng)新型國家的關(guān)鍵時期，信息科學(xué)和技術(shù)同傳統(tǒng)行業(yè)不斷地加速滲透、融合，已經(jīng)成為促進(jìn)我國經(jīng)濟社會持續(xù)發(fā)展的新主導(dǎo)力量［1］。國家和社會需要一大批實用型、創(chuàng)新型的電子信息人才，期望他們是既掌握了從事本行業(yè)的相關(guān)理論知識，還具有較強解決實際問題能力和良好職業(yè)素養(yǎng)的高層次應(yīng)用型專門人才［2］。因此，大力發(fā)展專業(yè)學(xué)位研究生教育，是推進(jìn)研究生教育體系改革的必然舉措，也是滿足國家和社會經(jīng)濟發(fā)展需要的迫切要求。

專業(yè)學(xué)位研究生在培養(yǎng)目標(biāo)、課程設(shè)置、教學(xué)理念、培養(yǎng)模式、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和師資隊伍建設(shè)等方面，均與學(xué)術(shù)學(xué)位研究生有所不同。在課程設(shè)置上，要求充分結(jié)合行業(yè)需求，以實際應(yīng)用和職業(yè)需求為導(dǎo)向，提高專業(yè)學(xué)位研究生的綜合素養(yǎng)和應(yīng)用知識與能力，這突出了課程的實用性和綜合性。因此，在課程教學(xué)上，應(yīng)采用更加多樣化的教學(xué)方法，探索新的實踐教學(xué)模式；在實驗過程中，應(yīng)鼓勵學(xué)生積極、主動參與教學(xué)活動，以培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、研究問題和解決問題的意識和能力，加強實踐能力的培養(yǎng)。

“軟件無線電系統(tǒng)設(shè)計與驗證”是電子科技大學(xué)電子與通信工程領(lǐng)域全日制專業(yè)學(xué)位碩士研究生實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的必修課程之一［3］。課程通過綜合性設(shè)計實驗，鍛煉學(xué)生的理論知識應(yīng)用能力，使學(xué)生掌握現(xiàn)代電子系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計的一般方法和過程，并培養(yǎng)他們在實際中發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，提高創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，為其將來成為電子信息行業(yè)的骨干和創(chuàng)新人才奠定堅實的基礎(chǔ)。

本文根據(jù)專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)的要求和目標(biāo)，介紹了“軟件無線電系統(tǒng)設(shè)計與驗證”在實驗平臺建設(shè)、實驗設(shè)計、實驗環(huán)節(jié)和考核方式等方面的考慮與探索，以期為提高專業(yè)學(xué)位研究生的培養(yǎng)質(zhì)量，突出電子信息人才培養(yǎng)特色，滿足國家對高層次應(yīng)用型人才需求，提供有益的參考與經(jīng)驗。

1 課程建設(shè)

隨著通信、計算機、大規(guī)模集成電路和信號處理技術(shù)的迅速發(fā)展，軟件無線電技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在各種無線電系統(tǒng)和產(chǎn)品中，如無線通信、導(dǎo)航、定位、測向、雷達(dá)、遙控、遙測、廣播和電視等［4－7］。軟件無線電系統(tǒng)設(shè)計與驗證是一門實用性和通用性很強的實踐課程，涉及豐富的基礎(chǔ)理論知識，對培養(yǎng)高級的無線電系統(tǒng)設(shè)計和產(chǎn)品研發(fā)人才具有良好的現(xiàn)實意義。

課程的目的是使學(xué)生掌握軟件無線電系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)流程，實踐專業(yè)理論知識，提高學(xué)生對實際電子系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)、驗證和應(yīng)用能力，并通過開放性的綜合實驗任務(wù)，鼓勵學(xué)生在教學(xué)過程中積極探索、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造思維和創(chuàng)新能力。

圖1 實驗平臺示意圖

課程建設(shè)包括實驗平臺、實驗項目設(shè)計和實驗教材等。實驗平臺主要由軟件無線電系統(tǒng)開發(fā)儀器、射頻信號源、數(shù)字示波器、頻譜分析儀和計算機系統(tǒng)組成，如圖1所示。所設(shè)計的實驗流程同電子系統(tǒng)的典型開發(fā)流程相一致，可對軟件無線電系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計、實現(xiàn)、仿真和驗證等。開發(fā)儀器是實驗平臺的核心，它采用了先進(jìn)的數(shù)字信號處理器件，具有很強的數(shù)據(jù)采集、回放、硬件編程與控制能力，以及通信與信號處理能力。圖2給出了儀器的主要硬件模塊和其連接關(guān)系，其主處理芯片為Altera高速高性能FPGA芯片StratixII EP2S90F和TI高速浮點型DSP處理器TMS320C6713B，因此，適用于完成高速數(shù)字前端信號處理和各種基帶信號的處理任務(wù)。

課程設(shè)置了兩個綜合性實驗任務(wù)，即數(shù)字下變頻器（DDC，實驗一）和數(shù)字上變頻器（DUC，實驗二）的設(shè)計與驗證。DDC系統(tǒng)是無線電接收機的數(shù)字前端，其功能為數(shù)字下變頻和降低抽樣樣本速率；而DUC是發(fā)射機的數(shù)字前端，主要進(jìn)行數(shù)字上變頻和提升數(shù)據(jù)采樣率［8－10］。涉及的實驗原理包括數(shù)字正交調(diào)制／解調(diào)、帶通采樣、多速率信號處理和數(shù)字濾波等基本理論。以實驗一為例，其任務(wù)為：根據(jù)給定技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計與實現(xiàn)一個DDC系統(tǒng)，要求采用高效的硬件結(jié)構(gòu)，設(shè)計系統(tǒng)必須先通過Matlab仿真驗證，再對其進(jìn)行FPGA編程實現(xiàn)，最后在軟件無線電實驗平臺上對系統(tǒng)功能進(jìn)行仿真、調(diào)試、測試和驗證。

圖2 硬件模塊及其連接關(guān)系

2 實驗環(huán)節(jié)與實施過程

每個實驗分為教學(xué)、系統(tǒng)設(shè)計、硬件編程和平臺驗證四個實施環(huán)節(jié)，如圖3所示。教學(xué)環(huán)節(jié)由教師向?qū)W生講授基本實驗原理、方法、實驗過程和注意事項；而系統(tǒng)設(shè)計、硬件編程和平臺驗證環(huán)節(jié)則由學(xué)生主導(dǎo)進(jìn)行，教師監(jiān)督和評估學(xué)生在各個環(huán)節(jié)的執(zhí)行情況和結(jié)果。下面以DDC系統(tǒng)的設(shè)計與驗證為例，介紹各實驗環(huán)節(jié)的實施過程。

圖3 實驗環(huán)節(jié)設(shè)置

系統(tǒng)設(shè)計環(huán)節(jié)主要設(shè)計系統(tǒng)的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)和進(jìn)行Matlab仿真驗證，如圖4所示。DDC系統(tǒng)由數(shù)字正交解調(diào)電路和多速率處理電路組成。高效的DDC結(jié)構(gòu)通常包括級聯(lián)積分梳狀（CIC）濾波器、半帶（HB）濾波器和多相濾波器等處理模塊。實際應(yīng)用中，通過分級處理與合理選擇各種處理模塊，可有效地減少數(shù)字信號處理運算量和降低對硬件資源的要求，即簡化設(shè)計和降低成本。Matlab仿真用來輔助系統(tǒng)設(shè)計和驗證設(shè)計指標(biāo)與功能的正確性，以加速產(chǎn)品開發(fā)過程和降低開發(fā)成本。

圖4 系統(tǒng)設(shè)計環(huán)節(jié)流程

硬件編程環(huán)節(jié)把系統(tǒng)映射為FPGA寄存器傳輸級（RTL）代碼。實驗使用Altera QuartusII作為開發(fā)工具，其開發(fā)流程如圖5所示。

圖5 硬件編程環(huán)節(jié)流程

代碼文件可選擇任意類型HDL語言（Verilog、VHDL或AHDL等）和設(shè)計輸入方式（文本、原理圖、IP核及宏功能模塊等）實現(xiàn)。完成自動綜合和布局布線后，進(jìn)行時序分析檢查和仿真驗證。激勵波形和測試平臺文件可以在QuartusII內(nèi)部產(chǎn)生，也可以調(diào)用第三方仿真工具M(jìn)odelSim產(chǎn)生。在分配器件引腳和進(jìn)行器件編程前，設(shè)計代碼必須能夠通過邏輯、時序以及硬件在線仿真。

平臺驗證環(huán)節(jié)主要分為模塊功能驗證和系統(tǒng)功能驗證兩種。模塊驗證主要對ADC／DAC、數(shù)控振蕩器（NCO）、變頻器以及各種抽取濾波模塊進(jìn)行功能測試；系統(tǒng)驗證對整個系統(tǒng)的實現(xiàn)功能進(jìn)行測試與驗證。測試信號由多功能信號源產(chǎn)生，用示波器觀察系統(tǒng)各處理環(huán)節(jié)的輸出波形，并將其與Matlab仿真結(jié)果相對比，比較工程實現(xiàn)結(jié)果和理論設(shè)計的差距，從而驗證軟件無線電系統(tǒng)的實現(xiàn)性能。

3 考核方式

課程考核不是僅以實驗結(jié)果和實驗報告水平作為簡單的評價標(biāo)準(zhǔn)，而是更加強調(diào)對實驗過程的考核。與實驗的實施環(huán)節(jié)相對應(yīng)，將考核分成系統(tǒng)設(shè)計環(huán)節(jié)考核、硬件編程環(huán)節(jié)考核和平臺驗證環(huán)節(jié)考核。過程考核的優(yōu)點是既可以直接反映出實驗過程的完成質(zhì)量，分階段地評價學(xué)生成績，又能夠幫助學(xué)生及時地發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，增長實際工程經(jīng)驗，培養(yǎng)學(xué)生獨立思考的意識和獨立工作能力。

4 實驗內(nèi)容舉例

以一個簡單的DDC系統(tǒng)的設(shè)計為例對實驗過程進(jìn)行介紹。系統(tǒng)功能是將一個載頻為10.1 MHz，帶寬為200 kHz的中頻模擬信號，經(jīng)過ADC采樣后，下變頻到0.1 MHz，并將輸出信號的數(shù)據(jù)率降為400 kb／s。這里為了方便顯示處理結(jié)果，選擇中頻輸入信號為無調(diào)制的單頻正弦波。

基于數(shù)字正交解調(diào)理論可知，DDC系統(tǒng)為正交雙通道結(jié)構(gòu)，即包含同相（I路）和正交（Q路）通道，每個通道由變頻模塊、數(shù)字低通濾波器（LPF）和抽取器組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 DDC系統(tǒng)的正交解調(diào)結(jié)構(gòu)

根據(jù)帶通采樣定理，實際的采樣頻率fs并非必須為信號最高頻率的兩倍，只要其滿足以下關(guān)系式：

式中，f0為載頻，ΔB為信號帶寬，M取滿足M≥2ΔB的正整數(shù)。因此，若令fs＝3.2 MHz，則取M＝6，即可滿足抽樣要求。為使信號中心頻率移到0.1 MHz，將NCO頻率設(shè)置為ω＝π／4。根據(jù)抽取器前后的樣本速率，得到抽取倍數(shù)D＝3.2 Mbps／400 kbps＝8。我們選擇2級HB濾波器加上1級2倍抽取FIR濾波器結(jié)構(gòu)進(jìn)行抽取濾波。利用窗函數(shù)法和Kaiser窗，通帶和阻帶紋波系數(shù)設(shè)為δp＝δs＝60 dB，可得到第一級和第二級HB濾波器階數(shù)分別為14和22。最后一級FIR濾波器要求具有良好的通帶截止特性，其過渡帶應(yīng)該盡量窄，利用等紋波逼近法和將歸一化過渡帶寬設(shè)為0.025，得到FIR濾波器的階數(shù)為185。最終，實現(xiàn)的DDC系統(tǒng)如圖7所示，I路通道上各處理環(huán)節(jié)的Matlab仿真輸出波形如圖8所示。

圖7 設(shè)計實現(xiàn)的DDC系統(tǒng)

圖8 I路通道各處理環(huán)節(jié)的輸出信號波形

調(diào)用QuartusII自帶的IP核輔助實現(xiàn)設(shè)計，所用IP核包含鎖相環(huán)ALTPLL、數(shù)控振蕩器NCO、乘法器LPM_MULT和FIR濾波器FIR_Compiler。用工具軟件SignalTap II可仿真觀察各個模塊的輸出波形和功能，圖9給出了最后一級FIR濾波器的輸出波形，此時，DDC系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)率已經(jīng)降為400 kb／s。

最后，將通過了功能仿真和時序仿真的編程文件寫入器件中，在軟件無線電平臺上對設(shè)計的DDC系統(tǒng)進(jìn)行驗證與測試。為節(jié)省篇幅，這里僅給出混頻后和最終的系統(tǒng)輸出波形，如圖10所示。圖10（a）為混頻后提供給第一級HB濾波器的0.1 MHz正弦波輸入，其速率為3.2Mb／s；圖10（b）為最后一級FIR濾波器的輸出波形，其中心頻率仍為0.1 MHz，從圖中可看出波形的每個周期由4個抽樣臺階波形組成，直觀地說明了波形的樣本速率已經(jīng)降為400 kb／s，系統(tǒng)基本功能達(dá)到了設(shè)計要求。

圖9 SignalTap II仿真的DDC系統(tǒng)輸出信號波形

圖10 SignalTapII仿真的DDC系統(tǒng)輸出信號波形

5 結(jié)束語

本文從實驗平臺建設(shè)、實驗項目、實驗環(huán)節(jié)和考核方式等方面，介紹了專業(yè)學(xué)位碩士實踐課程“軟件無線電系統(tǒng)設(shè)計與驗證”的建設(shè)思路和教學(xué)經(jīng)驗。最后以軟件無線電系統(tǒng)DDC設(shè)計實驗為例，詳細(xì)展示了實驗過程和教學(xué)方法。本課程的專業(yè)應(yīng)用背景明確，緊密聯(lián)系行業(yè)需求，對于開闊學(xué)生視野，培養(yǎng)學(xué)生的綜合知識應(yīng)用能力，提高學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力具有良好促進(jìn)作用，為學(xué)生將來成為高層次應(yīng)用型人才打下了堅實基礎(chǔ)。

［1］中華人民共和國國務(wù)院.國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006－2020）［EB／OL］.（2006－02－09）.http：／／www.gov.cn／jrzg／2006－02／09／content_183787.htm.

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［3］電子科技大學(xué).電子科技大學(xué)專業(yè)學(xué)位碩士培養(yǎng)方案［EB／OL］.［2011－05－20］.http：／／yz.uestc.edu.cn／.

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表1 重構(gòu)時間測試結(jié)果

可以看出本文提出的柔性可重構(gòu)方法能夠在極少的時間內(nèi)，根據(jù)系統(tǒng)任務(wù)要求對飛行器一體化綜合信息處理載荷系統(tǒng)內(nèi)各功能模塊的功能和參數(shù)進(jìn)行在線配置，快速實現(xiàn)通信、導(dǎo)航、測控、目標(biāo)探測與識別、飛行控制和信息支持等綜合任務(wù)。

5 結(jié)束語

本文基于一體化綜合信息處理載荷系統(tǒng)架構(gòu)，提出了一種面向通信、導(dǎo)航、測控、目標(biāo)探測與識別、飛行控制和信息支持等綜合任務(wù)的在線實時柔性系統(tǒng)重構(gòu)方法，有效解決了高速空間飛行器承載能力與綜合任務(wù)需求之間的矛盾。該方法可以在實現(xiàn)一體化綜合任務(wù)協(xié)同處理的同時，有效節(jié)約系統(tǒng)資源，并利用動態(tài)冗余備份提高系統(tǒng)可靠性?？蓮V泛應(yīng)用于綜合航電系統(tǒng)的設(shè)計中，并對航空航天飛行器的一體化設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。

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Researches on the Practical Course Design and Validation of Software Defined Radio System

DUAN Rui，CHEN Zhuming，ZOU Lin
（School of Electronic Engineering，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China）

The primary purpose of practical course offered for professional degree graduate students（master）is to cultivate their capability of applying the knowledge in practice，to acquire the working experiences，to make them more professional and to promote the abilities suiting their employment and startup.The paper introduces the researches and experiences of the practical course，Design and Validation of Software Defined Radio System，based on the building of experimental platform，the design of experiment projects，the main links of training procedure，and the testing pattern.Moreover，the realistic teaching procedures and methods are illustrated by an example of designing a digital down converter（DDC）of radio system.The results of teaching manifest that the course could make the students obtain the basis procedures and methods of development and design for the modern wireless radio system，improve their capabilities on analyzing and resolving the engineering problem met in work.

practical course；professional degree graduate students；experimental teaching；digital down converter

TN914.3

A

10.3969／j.issn.1672－4550.2016.06.025

2015－11－18；修改日期：2015－12－15

電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院教研項目（DGJY2015009）。

段銳（1979－），男，博士，副教授，主要從事雷達(dá)系統(tǒng)與雷達(dá)信號處理的研究工作。