实践课程“软件无线电系统设计与验证”研究

段 锐，陈祝明，邹 林

（电子科技大学 电子工程学院，四川 成都 611731）

实践课程“软件无线电系统设计与验证”研究

段 锐，陈祝明，邹 林

（电子科技大学 电子工程学院，四川 成都 611731）

实践课程教学是培养专业学位研究生（专硕）知识应用能力，增长工作经验，提高专业素养及就业、创业能力的重要环节。该文从实验平台建设、实验项目、实验环节和考核方式等方面，介绍了专业学位硕士实践课程软件无线电系统设计与验证的建设思路和教学经验。以无线电系统中重要的数字下变频（DDC）器设计实验为例，详细展示了课程教学过程与实验实施方法。实际教学效果表明，通过课程学习，学生掌握了现代无线电系统产品设计的一般方法和过程，提高了在实际工作中发现问题和解决问题的能力。

实践课程；专业学位研究生；实验教学；数字下变频器

当前，我国正处于全面建成小康社会和建设创新型国家的关键时期，信息科学和技术同传统行业不断地加速渗透、融合，已经成为促进我国经济社会持续发展的新主导力量［1］。国家和社会需要一大批实用型、创新型的电子信息人才，期望他们是既掌握了从事本行业的相关理论知识，还具有较强解决实际问题能力和良好职业素养的高层次应用型专门人才［2］。因此，大力发展专业学位研究生教育，是推进研究生教育体系改革的必然举措，也是满足国家和社会经济发展需要的迫切要求。

专业学位研究生在培养目标、课程设置、教学理念、培养模式、质量标准和师资队伍建设等方面，均与学术学位研究生有所不同。在课程设置上，要求充分结合行业需求，以实际应用和职业需求为导向，提高专业学位研究生的综合素养和应用知识与能力，这突出了课程的实用性和综合性。因此，在课程教学上，应采用更加多样化的教学方法，探索新的实践教学模式；在实验过程中，应鼓励学生积极、主动参与教学活动，以培养学生发现问题、研究问题和解决问题的意识和能力，加强实践能力的培养。

“软件无线电系统设计与验证”是电子科技大学电子与通信工程领域全日制专业学位硕士研究生实践教学环节的必修课程之一［3］。课程通过综合性设计实验，锻炼学生的理论知识应用能力，使学生掌握现代电子系统产品设计的一般方法和过程，并培养他们在实际中发现问题和解决问题的能力，提高创新意识和创新能力，为其将来成为电子信息行业的骨干和创新人才奠定坚实的基础。

本文根据专业学位研究生培养的要求和目标，介绍了“软件无线电系统设计与验证”在实验平台建设、实验设计、实验环节和考核方式等方面的考虑与探索，以期为提高专业学位研究生的培养质量，突出电子信息人才培养特色，满足国家对高层次应用型人才需求，提供有益的参考与经验。

1 课程建设

随着通信、计算机、大规模集成电路和信号处理技术的迅速发展，软件无线电技术已经被广泛地应用在各种无线电系统和产品中，如无线通信、导航、定位、测向、雷达、遥控、遥测、广播和电视等［4－7］。软件无线电系统设计与验证是一门实用性和通用性很强的实践课程，涉及丰富的基础理论知识，对培养高级的无线电系统设计和产品研发人才具有良好的现实意义。

课程的目的是使学生掌握软件无线电系统设计与开发流程，实践专业理论知识，提高学生对实际电子系统的设计、开发、验证和应用能力，并通过开放性的综合实验任务，鼓励学生在教学过程中积极探索、发现问题和解决问题，激发学生的创造思维和创新能力。

图1 实验平台示意图

课程建设包括实验平台、实验项目设计和实验教材等。实验平台主要由软件无线电系统开发仪器、射频信号源、数字示波器、频谱分析仪和计算机系统组成，如图1所示。所设计的实验流程同电子系统的典型开发流程相一致，可对软件无线电系统进行设计、实现、仿真和验证等。开发仪器是实验平台的核心，它采用了先进的数字信号处理器件，具有很强的数据采集、回放、硬件编程与控制能力，以及通信与信号处理能力。图2给出了仪器的主要硬件模块和其连接关系，其主处理芯片为Altera高速高性能FPGA芯片StratixII EP2S90F和TI高速浮点型DSP处理器TMS320C6713B，因此，适用于完成高速数字前端信号处理和各种基带信号的处理任务。

课程设置了两个综合性实验任务，即数字下变频器（DDC，实验一）和数字上变频器（DUC，实验二）的设计与验证。DDC系统是无线电接收机的数字前端，其功能为数字下变频和降低抽样样本速率；而DUC是发射机的数字前端，主要进行数字上变频和提升数据采样率［8－10］。涉及的实验原理包括数字正交调制／解调、带通采样、多速率信号处理和数字滤波等基本理论。以实验一为例，其任务为：根据给定技术指标，设计与实现一个DDC系统，要求采用高效的硬件结构，设计系统必须先通过Matlab仿真验证，再对其进行FPGA编程实现，最后在软件无线电实验平台上对系统功能进行仿真、调试、测试和验证。

图2 硬件模块及其连接关系

2 实验环节与实施过程

每个实验分为教学、系统设计、硬件编程和平台验证四个实施环节，如图3所示。教学环节由教师向学生讲授基本实验原理、方法、实验过程和注意事项；而系统设计、硬件编程和平台验证环节则由学生主导进行，教师监督和评估学生在各个环节的执行情况和结果。下面以DDC系统的设计与验证为例，介绍各实验环节的实施过程。

图3 实验环节设置

系统设计环节主要设计系统的实现结构和进行Matlab仿真验证，如图4所示。DDC系统由数字正交解调电路和多速率处理电路组成。高效的DDC结构通常包括级联积分梳状（CIC）滤波器、半带（HB）滤波器和多相滤波器等处理模块。实际应用中，通过分级处理与合理选择各种处理模块，可有效地减少数字信号处理运算量和降低对硬件资源的要求，即简化设计和降低成本。Matlab仿真用来辅助系统设计和验证设计指标与功能的正确性，以加速产品开发过程和降低开发成本。

图4 系统设计环节流程

硬件编程环节把系统映射为FPGA寄存器传输级（RTL）代码。实验使用Altera QuartusII作为开发工具，其开发流程如图5所示。

图5 硬件编程环节流程

代码文件可选择任意类型HDL语言（Verilog、VHDL或AHDL等）和设计输入方式（文本、原理图、IP核及宏功能模块等）实现。完成自动综合和布局布线后，进行时序分析检查和仿真验证。激励波形和测试平台文件可以在QuartusII内部产生，也可以调用第三方仿真工具ModelSim产生。在分配器件引脚和进行器件编程前，设计代码必须能够通过逻辑、时序以及硬件在线仿真。

平台验证环节主要分为模块功能验证和系统功能验证两种。模块验证主要对ADC／DAC、数控振荡器（NCO）、变频器以及各种抽取滤波模块进行功能测试；系统验证对整个系统的实现功能进行测试与验证。测试信号由多功能信号源产生，用示波器观察系统各处理环节的输出波形，并将其与Matlab仿真结果相对比，比较工程实现结果和理论设计的差距，从而验证软件无线电系统的实现性能。

3 考核方式

课程考核不是仅以实验结果和实验报告水平作为简单的评价标准，而是更加强调对实验过程的考核。与实验的实施环节相对应，将考核分成系统设计环节考核、硬件编程环节考核和平台验证环节考核。过程考核的优点是既可以直接反映出实验过程的完成质量，分阶段地评价学生成绩，又能够帮助学生及时地发现问题和解决问题，增长实际工程经验，培养学生独立思考的意识和独立工作能力。

4 实验内容举例

以一个简单的DDC系统的设计为例对实验过程进行介绍。系统功能是将一个载频为10.1 MHz，带宽为200 kHz的中频模拟信号，经过ADC采样后，下变频到0.1 MHz，并将输出信号的数据率降为400 kb／s。这里为了方便显示处理结果，选择中频输入信号为无调制的单频正弦波。

基于数字正交解调理论可知，DDC系统为正交双通道结构，即包含同相（I路）和正交（Q路）通道，每个通道由变频模块、数字低通滤波器（LPF）和抽取器组成，其基本结构如图6所示。

图6 DDC系统的正交解调结构

根据带通采样定理，实际的采样频率fs并非必须为信号最高频率的两倍，只要其满足以下关系式：

式中，f0为载频，ΔB为信号带宽，M取满足M≥2ΔB的正整数。因此，若令fs＝3.2 MHz，则取M＝6，即可满足抽样要求。为使信号中心频率移到0.1 MHz，将NCO频率设置为ω＝π／4。根据抽取器前后的样本速率，得到抽取倍数D＝3.2 Mbps／400 kbps＝8。我们选择2级HB滤波器加上1级2倍抽取FIR滤波器结构进行抽取滤波。利用窗函数法和Kaiser窗，通带和阻带纹波系数设为δp＝δs＝60 dB，可得到第一级和第二级HB滤波器阶数分别为14和22。最后一级FIR滤波器要求具有良好的通带截止特性，其过渡带应该尽量窄，利用等纹波逼近法和将归一化过渡带宽设为0.025，得到FIR滤波器的阶数为185。最终，实现的DDC系统如图7所示，I路通道上各处理环节的Matlab仿真输出波形如图8所示。

图7 设计实现的DDC系统

图8 I路通道各处理环节的输出信号波形

调用QuartusII自带的IP核辅助实现设计，所用IP核包含锁相环ALTPLL、数控振荡器NCO、乘法器LPM_MULT和FIR滤波器FIR_Compiler。用工具软件SignalTap II可仿真观察各个模块的输出波形和功能，图9给出了最后一级FIR滤波器的输出波形，此时，DDC系统的输出数据率已经降为400 kb／s。

最后，将通过了功能仿真和时序仿真的编程文件写入器件中，在软件无线电平台上对设计的DDC系统进行验证与测试。为节省篇幅，这里仅给出混频后和最终的系统输出波形，如图10所示。图10（a）为混频后提供给第一级HB滤波器的0.1 MHz正弦波输入，其速率为3.2Mb／s；图10（b）为最后一级FIR滤波器的输出波形，其中心频率仍为0.1 MHz，从图中可看出波形的每个周期由4个抽样台阶波形组成，直观地说明了波形的样本速率已经降为400 kb／s，系统基本功能达到了设计要求。

图9 SignalTap II仿真的DDC系统输出信号波形

图10 SignalTapII仿真的DDC系统输出信号波形

5 结束语

本文从实验平台建设、实验项目、实验环节和考核方式等方面，介绍了专业学位硕士实践课程“软件无线电系统设计与验证”的建设思路和教学经验。最后以软件无线电系统DDC设计实验为例，详细展示了实验过程和教学方法。本课程的专业应用背景明确，紧密联系行业需求，对于开阔学生视野，培养学生的综合知识应用能力，提高学生的创新意识和创新能力具有良好促进作用，为学生将来成为高层次应用型人才打下了坚实基础。

［1］中华人民共和国国务院.国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006－2020）［EB／OL］.（2006－02－09）.http：／／www.gov.cn／jrzg／2006－02／09／content_183787.htm.

［2］中华人民共和国教育部.教育部关于做好全日制硕士专业学位研究生培养工作的若干意见（教研［2009］1）［EB／OL］.（2009－03－19）.http：／／www.moe.gov.cn／srcsite／A22／moe_822／s3493／200903／t20090319_ 82629.htm l.

［3］电子科技大学.电子科技大学专业学位硕士培养方案［EB／OL］.［2011－05－20］.http：／／yz.uestc.edu.cn／.

［4］陈祝明.软件无线电技术基础［M］.北京：高等教育出版社，2007：1－25.

［5］杨小牛，楼才义，徐建良.软件无线电原理与应用［M］.北京：电子工业出版社，2001：1－20.

［6］张建，向敬成.软件无线电技术导论［M］.成都：电子科技大学出版社，2001：1－15.

［7］张玉兴.射频模拟电路［M］.北京：电子工业出版社，2003：1－8.

［8］周亮，唐吉卓，林水生.基于ARM与FPGA的数字通信实验系统设计与实现［J］.实验科学与技术，2014，12（2）：7－9.

［9］黄成.数字中频软件无线电接收系统的实现方案［J］.实验科学与技术，2006，8（4）：15－17.

［10］张永平，张仁忠.DDC实验装置的研制［J］.实验研究与探索，1999（2）：95－96.

表1 重构时间测试结果

可以看出本文提出的柔性可重构方法能够在极少的时间内，根据系统任务要求对飞行器一体化综合信息处理载荷系统内各功能模块的功能和参数进行在线配置，快速实现通信、导航、测控、目标探测与识别、飞行控制和信息支持等综合任务。

5 结束语

本文基于一体化综合信息处理载荷系统架构，提出了一种面向通信、导航、测控、目标探测与识别、飞行控制和信息支持等综合任务的在线实时柔性系统重构方法，有效解决了高速空间飞行器承载能力与综合任务需求之间的矛盾。该方法可以在实现一体化综合任务协同处理的同时，有效节约系统资源，并利用动态冗余备份提高系统可靠性。可广泛应用于综合航电系统的设计中，并对航空航天飞行器的一体化设计具有一定的指导意义。

参考文献

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［9］李昆吉.FPGA动态可重构技术及其应用研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012.

［10］FERRANDI F，MORANDI M，NOVATI M，et al.Dynamic reconfiguration：Core relocation via partial bitstreams filtering with minimal overhead［C］／／International Symposium on System－on－Chip.［S.l.］：［s.n.］，2006.

［11］GOHRINGER D，BECKER J.High performance reconfigurable multiprocessor－based computing on FPGAs［C］／／2010 IEEE International Symposium on Parallel＆Distributed Processing Workshops and Phd Forum（IPDPSW）.［S.l.］：IEEE Prees，2010.

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

电子科技大学电子工程学院教研项目（DGJY2015009）。

段锐（1979－），男，博士，副教授，主要从事雷达系统与雷达信号处理的研究工作。