FPGA辅助移动通信实验教学的实践

李玲香 杨振南 蒋亚军

（湖南科技学院 计算机与通信工程系，湖南 永州 425199）

FPGA辅助移动通信实验教学的实践

李玲香 杨振南 蒋亚军

（湖南科技学院 计算机与通信工程系，湖南 永州 425199）

围绕移动通信市场人才的需求及移动通信实验教学普遍存在的问题，从培养学生工程素养的角度，引入FPGA技术辅助移动通信课程实验教学，将实际硬件实验与虚拟仿真实验，验证型实验和综合设计型实验紧密结合，突破传统实验箱的局限，解决课程教学难点。在实践中，取得较好的教学效果。

移动通信；实验教学；交织编码；FPGA

0　引　言

随着移动通信产业的蓬勃发展，尤其是“三网融合” 全面启动和4G技术的上市，我国信息产业将迎来新一轮的高速增长，对移动通信人才的需求将迅速增加[1]。3G/4G的复杂性和应用的多样性，企业要求具有更高综合素质的移动通信人才。作为移动通信人才资源主要供给的高等院校，以市场需求为主导，与时俱进地实施移动通信课程教学改革，提高学生工程综合素质，显得至关重要。

1　移动通信实践教学现状分析

移动通信课程是通信工程专业一门面向社会实际应用的重要专业课，具有很强的实践性和实用性。实践教学是教学过程中重要的一环节，其教学内容和教学质量决定了学生在走上工作岗位后能否具备基本的职业素养和足够的知识储备、能够尽快适应新的工作环境的重要因素[2]。然而，各高校移动通信课程实验教学的现状与当今以3G为主导的通信行业发展需求不适应。主要体现在以下两个方面：

1.1实践教学内容与现代教育理论下的人才培养模式不符

目前多数高校移动通信实验都采用的实验箱来完成，实验类型单一、内容简单、且以验证、演示性实验为主。虽然实验项目对理论知识理解有一定的帮助，但与实际知识间联系性不强、缺乏全局观，难以让学生在脑海中形成移动通信系统的概念，导致学生今后从事移动通信工作，适应不了移动通信技术的迅速发展。另外，多数实验箱的操作是暗箱式的，难以开设设计性、综合应用型实验，这样不利于学生工程能力和创新能力的培养，不符合高综合素质通信行业人才的需求。

1.2实践教学内容与实际应用完全脱节

移动通信系统结构复杂性，用于教学的实验、实训平台昂贵，同时实践教学经费的不足是各高校普遍存在的问题。因此，实验设备更新缓慢，开出的实验项目往往滞后于通信行业中应用技术，使得教学内容与人才市场需求脱节，实验教学的改革成为教学中的难点。

针对上述问题，许多高校优秀老师在实践教学改革中做了大量的工作与研究。如文献[3]文中，通过MATLAB软件建立虚拟的系统，设计综合设计性实验项目，弱化实验箱验证性实验项目，强化MATLAB仿真软件的应用。一方面可有效地缓解资金紧缺及设备更新跟不上行业技术发展的问题。另一方面加深学生对原理和关键技术的理解，提高学生对移动通信系统的整体认识，取得了较好的教学效果，学生的综合实践能力也得到了一定程度的提高，但MATLAB仿真实验不能真正让学生体会原理到应用的深刻转变。

FPGA（Field Programmable Gate Array, FPGA）具有很强的电子电路设计工程应用背景，它打破了硬软件之间的屏障，能使硬件设计如同软件设计一样快捷方便，这是是电子电路设计领域中的重大变革。

本文以我校通信工程专业已开设EDA技术课程为前提，将FPGA技术引入到移动通信课程实验教学中来，旨在缩短实践教学与工程应用的距离。

2　FPGA 简介

现场可编程门阵列FPGA是Xilinx公司于1985年首家推出的一种新型高密度PLD，它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点[4]。

FPGA采用CMOS_SRAM工艺，从结构上与之前PLD器件采用“与或阵列”不同，它内部包含许多独立的可编程逻辑模块CLB(Configurable Logic Block)，CLB的基本原理利用查找表来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个存储数据的D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O，由此构成了即可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，逻辑模块间可以灵活相互连接。FPGA芯片具有极强的实时性和并行处理能力，它的内部构很容易实现分布式算法，这对于无线通信中的数字信号实时处理十分有利。随着FPGA技术在移动通信领域的应用越来越广泛，若学生能较好地掌握FPGA技术，可提高他们的职业竞争力。

3　FPGA辅助移动通信实验教学的实践

FPGA技术除了在科研、产品设计与制造等诸多方面发挥着巨大的作用，还可提供较为先进的实践教学条件，学生可根据所学知识自主设计实验项目和开发移动通信技术的实验平台，这样有利于加深学生对移动通信系统中关键技术基本原理的理解，有利于学生实践能力和创新能力的培养。

3.1辅助实验教学的教学方式

鉴于《移动通信》课时少，课程内容多，知识面广，实验课时不可能占太多的课时比例情况，采用“以学为主”的课外教学方式，通过开设开放性实验、课程设计形式增加实践课时比例，作为实践教学的必要补充。具体实施：

（1）开放性实验：教学方式采用指定命题的实验模式，指导老师给出实验项目及相关资料，学生自主选题，由学生在部分学时内来独立完成实验项目的电路设计，功能实现，调试结果分析，并提交实验报告。

（2）课程设计：教学方式采用自主命题的实验模式。学生可根据自己对移动通信技术的理解，构建一些有针对性的移动通信系统级的关键技术与专用集成电路设计项目。在课程设计过程中，实验指导教师全程跟踪，采取分组研讨的形式启发学生自己查阅和整理文献、资料，进行实验的设计和实现。

FPGA不仅是教学的工具，同时还是贴近实际应用的开发工具，相对于MATLAB仿真技术具有较高的难度，因此，在辅助教学的过程中，教师应该根据教学的要求，设计不同层次开放性实验项目，满足不同层次的学生需求。

3.2辅助实验教学的应用

本文通过一个基于FPGA 的CDMA2000系统中短帧交织器的实现开放性实验项目，强化学生工程实践和创新能力的培养，探索实践教学新思路，解决教学的难点。

3.2.1矩阵分组交织器的原理

交织技术是移动通信中克服深衰落大突发差错的最简单又有效的方法，其基本思想是在信道编码之前打乱源信息比特的时间顺序，这样就可把一个较长的突发差错离散成随机差错，再利用纠正随机差错的编码技术消除随机误差。

矩阵分组式交织是最简单的交织方式，其实现原理如下：

图-1 矩阵分组交织的方法

然后从存储器里按行读出并输出，这时序列变为：

在接收端，去交织是交织的逆过程。即把接收到的序列按行写入存储器，然后再按列读出，就可恢复原来序列。

3.2.2交织器电路框图

为了满足CDMA2000系统的总体要求，本文实例以具有内嵌双口块RAM的FPGA芯片来实现交织存储。交织器的硬件实现框图如图-2所示。

图-2　交织器硬件实现框图

图-2中， 双口块RAM存储器，一组地址专门用于存储，另一组地址用于读写。计数器和选择器构成控制模块，完成对RAM读写的控制。ROM用于存储交织地址。

3.2.3功能实现

由于CDMA2000系统的短帧每帧数据长度是192比特，每帧分为20ms[5]。可选择矩阵分组式交织器，且交织长度只能与帧长度大致相当。若不考虑交织延时，该设计可以采用12´16的交织形式。

由于RTL结构图过于密集，本文就不给出。在ModelSim中仿真后，得到输出数据的局部仿真结果，如图-3所示。

图-3　交织器的输入输出仿真波形

4　结束语

我校作为地方性本科院校，为了适应地方性本科院校转型的新形势及通信行业人才的需求，开展教学改革势在必行。本文探索了在移动通信实验教学中引入FPGA技术进行辅助教学，实践证明:可有效地缓解高校移动通信实验设备更新缓慢与通信行业中移动通信技术发展迅速的矛盾，并取得较好教学效果，受到了学生好评。

[1]杨智勇,李新,杨娟,刘通.移动通信专业人才培养体系研究与实践[J].信息通信,2013,(7):169-170.

[2] 张宝华.向岗位需求的《移动通信》教学内容和手段改革探讨[J].教育教学论坛,2014.1(2):51-52.

[3] 徐丽艳,于海生,王英,庄晓东.Simulink在移动通信实验仿真中的应用[J],实验技术与管理,2009,3(26):82-84.

[4]田耕,徐文波,张延伟.无线通信FPGA设计[M].北京:电子工业出版社,2007.10:257-296.

[5]希瑞克斯(北京)通信设备有限公司.无线通信的MATLAB和FPGA的实现[M].北京:人民邮电出版社,2009,(6).

（责任编校：宫彦军）

G642.423

A

1673-2219（2015）05-0119-03

2015－01－15

湖南省普通高校教学改革研究项目“地方本科院校大学生信息素养培养的研究与实践”（湘教通[2011] 315号，序号：382）；湖南科技学院青年教师教学课程改革：“通信原理”（2013年）。

李玲香(1976－)，女，湖南郴州人，讲师，主要研究方向为无线通信，信号与信息处理。