基于ARM与FPGA的数字通信实验系统设计与实现

2014-05-14唐吉卓林水生

实验科学与技术 2014年2期

周亮，唐吉卓，林水生

(电子科技大学通信与信息工程学院，成都 611731)

高等教育发展的重要目标之一就是培养高素质创新型人才［1］，而提供高质量的实验平台，开发优质的实验项目是提高学生科学素养、培养创新人才的重要手段。《教育部关于实施高等学校本科教学质量与教学改革工程的意见》重点之一是考查学生的创新培养体系与效果，当前很多高校正在进行本科生创新实践培养体系改革［2］。通信集成电路、通信嵌入式系统设计技术是我校“通信与信息系统”“信号与信息处理”“电路与系统”“计算机科学”及“微电子学与固体电子学”等国家重点学科相互融合的关键技术领域之一。通信集成电路及系统技术为现代无线通信、导航、定位、传感、识别等信息系统提供了关键的核心元器件及集成组件，对现代各种有线/无线技术的发展起到了关键的作用，已成为现代电子信息技术的基础和核心，是国防安全、信息安全和经济安全的重要保证。为促进创新型人才的培养，提高复合型人才的素质，我们充分利用实验室科研成果，以通信信号处理、专用集成电路设计、嵌入式系统开发等为基础，研发了基于ARM与FPGA的数字通信综合实验系统，并开发了大量通信类专用信号处理电路设计的实验资源。

ARM处理器体积小、功耗低、性价比高，因其出色的控制能力被广泛应用于医疗、家电以及工业控制等领域，是目前各种高端设备主控制器的普遍选择［3］。FPGA能够实现各种逻辑电路，设计灵活，I/O丰富并且可以高速并行计算，是进行数据处理的主流器件［4－6］，并逐步成为嵌入式系统技术发展的新方向［7］。随着现代电子技术的高速发展，设计的电路越来越复杂，系统规模越来越大，通信系统及电路的设计和实现已经与功能日益强大的EDA及系统仿真工具不可分割。基于ARM与FPGA结合的数字通信实验系统，不仅可以很好地使ARM处理器和FPGA之间互相弥补彼此的不足［8］，使其更适合于通信系统的设计，而且能够使学生在掌握ARM与FPGA开发技术的同时，也锻炼其在嵌入式设备中进行专用电路设计的能力，给学生带来从完成基本的实验验证到自主设计复杂嵌入式通信系统能力上的飞跃。

1 实验系统结构设计

本实验系统采用ARM+FPGA的架构，既可以开设独立的ARM或FPGA实验，又可以将ARM与FPGA结合起来开设综合性实验。本实验系统由三部分组成:(1)ARM+FPGA硬件平台;(2)软件开发工具;(3)实验资源。

硬件平台主要包括以S3C2440处理器为核心的ARM模块，以XC6SLX45为核心的FPGA模块，以及高速数模接口模块。ARM模块由ARM核心板以及位于母版上的各类外设组成，包含操作系统运行的最小系统以及通信、音频、大容量存储芯片等外设;FPGA模块由FPGA核心板以及位于母版上的各类外设和扩展接口组成;高速数模接口模块由150 MS/s的ADC和275 MS/s的DAC组成，该模块为实验系统提供了高速模拟信号处理能力，可支持大量的通信类实验开发，通过该模块可以与其他外部设备通信，也可将系统内部信息输出至示波器等测量仪器，以观察实验结果。图1为本实验系统的硬件结构框图，图2为实验系统实物图。

图1 实验系统结构框图

基于硬件平台进行软件开发时，使用的相关工具主要包括:Matlab、ISE、ModelSim、Keil、RVDS、IAR、GCC、Linux等，其中使用的EDA工具使设计更复杂的电路和系统成为可能，是现代电子系统设计最有效的工具［9］。

实验资源主要包括设计性实验、综合性实验和创新性实验三大类。实验内容由浅入深，利用该实验系统特有的ARM+FPGA功能特性，涵盖了《数字逻辑设计》《通信原理》《ASIC设计》等课程。学生通过该实验系统，可以充分掌握通信系统的组成，并深入学习通信ASIC设计的相关知识。

图2 实验系统实物图

2 实验内容设计及举例

基于该实验系统，我们开发了全系列的实验资源，除常规的数字逻辑实验和ARM嵌入式实验外，还开发了大量的数字通信类综合实验，例如，数字频率合成器设计、FIR/IIR数字滤波器设计、QPSK调制解调器设计、Turbo编解码器设计、数字频率计设计等。常规的验证性实验是通过实验现象验证某一基本原理，方法、思路比较固定，结论也较单一，而综合性实验不仅局限于某个现象和原理，实现方法多元化，结论比较丰富。通过综合性实验旨在培养学生运用已有知识解决问题的能力，锻炼学生独立创新思维，提高独立解决问题的综合素质。下面以QPSK调制解调器设计实验为例作简要介绍。

QPSK是目前最常用的一种卫星通信数字信号调制方式，具有较高的频谱利用率和较强的抗干扰性能［10－12］。该实验的主要目的是学习基于两路正交BPSK的QPSK调制解调［13－14］原理，掌握ARM与调制解调模块的通信流程，学习通信专用电路模块的FPGA实现及数据的自收发验证。该实验内容主要包括:设计QPSK数字调制/解调器模块，设计ARM与FPGA通信接口，利用Verilog语言完成各模块的RTL级描述并仿真，在硬件平台上进行实测调试，通过回环测试及示波器等仪器验证设计的正确性。该实验的实现方案和实验场景如图3所示。

图3 QPSK调制解调系统实现方案及实验场景

实验中，由ARM中的数据产生模块周期性地生成伪随机序列或预设的数据，在写信号控制下通过写数据线发送至FPGA中的调制模块，经过QPSK调制后的信号送至DAC模块转换为模拟信号。该模拟信号通过信道后传输至接收端，经ADC模块采样，然后送至FPGA中的解调模块进行解调得到数字基带信号，该数据在ARM读信号的控制下传送回内部缓存并与初始发送数据进行比较，以验证数据收发的正确性。在实验过程中，通过示波器观察基带信号和调制后的模拟信号时域波形，分析各信号时序及对应的值，验证设计的正确性。

在示波器中观测调制前后的基带信号及QPSK调制信号，得到如图4所示波形。其中，图4(a)显示了发送端起始部分的数字序列，及其调制延迟后的QPSK信号时域波形，图4(b)显示了接收端解调后对应的数字序列。

在实验中，ARM以2 Mb/s的速率周期性地发送预设的32 bits序列，通过示波器可以观察到数字基带信号的码元周期为0.5 μs，发送端调制延迟大约为1.8 μs，接收端解调延迟大约为1.6 μs。通过解调后的基带信号数据与原始预设序列对比，可以验证实验的正确性。

该实验是常规的ARM或FPGA独立实验的扩展，综合运用了ARM与FPGA两种不同的编程模型平台，有助于提高学生应用不同技术协同解决问题的能力，做到活学活用，激发学生的创新性思维。通过该实验，也加强了学生对数字通信系统中调制解调原理的理解，更好地帮助学生认识数字通信的过程，并学习了从理论仿真到电路实现的完整过程，培养了学生理论与实际相结合的科研能力。而这种结合不同编程平台协同解决问题的方法，也是科学研究的一个发展趋势，在学生实验中加入这样的综合性实验，达到了培养学生实践能力与创新能力的目的。

图4 示波器观测到的基带及QPSK调制信号

3 结束语

本文基于ARM与FPGA开发的数字通信实验系统资源丰富，涵盖知识面广，设计思路新颖，实验现象生动形象，使学生从基本的实验入手，逐步了解面向实际应用的一体化数字通信系统构成和设计方法。从简单的实验验证，到最终自主设计复杂的数字系统，极大地提高了学生的动手能力，开阔了学生的视野，增强了学生的创新意识，使学生同时掌握软硬件协同开发技巧，为今后的发展提供了必备的专业技术知识和项目开发经验。

［1］教育部.国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010－2020年)［EB/OL］.［2013 －05－18］.http://www.moe.edu.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/moe_177/201008/93785.html.

［2］李莉，胡晓光.构建培养本科生创新实践能力的嵌入式选修课实验体系［J］.实验技术与管理，2010，27(11):238－240.

［3］高岩，李珊.基于ARM9的嵌入式控制系统实验平台的研制［J］.实验技术与管理，2007，24(4):77－79.

［4］聂伟，王昭辉，汤作伟.基于FPGA的数字调制器的实现［J］.实验技术与管理，2007，24(9):89－92.

［5］黄卫华，贾历程.基于FPGA的EDA实验系统改革与实践［J］.实验室研究与探索，2012，31(4):203－206.

［6］范哲意，周治国，刘志文.基于FPGA和模型化设计的图像处理实验平台［J］.实验室研究与探索，2013，32(4):63－66.

［7］李芸，易志强，黄继业.EDA/SOPC实验教学方法探讨［J］.高校实验室工作研究，2010(4):45－46.

［8］朱晓鹏，肖铁军.ARM+FPGA的实时数据采集系统设计［J］.计算机工程与设计，2009，30(13):3088－3090.

［9］田建艳，夏路易.EDA支持下的电子技术教学实践［J］.教育理论与实践，2005，25(6):54－55.

［10］彭飞，赵继勇.基于FPGA的全数字低中频QPSK调制解调器实现［J］.电子设计应用，2003(9):21－23.

［11］赵海潮，周荣花，沈业兵.基于FPGA的QPSK解调器的设计与实现［J］.微计算机信息，2004，20(7):76－77.

［12］李冰清，冯小平，王俊刚，等.基于FPGA的QPSK及OQPSK信号调制和解调电路设计［J］.电子元器件应用，2008，10(4):41－43.