基于CDIO的通信原理实验信号源研制

王千春 马立宪

摘要：CDIO工程教育模式强调工程教育必须回归工程，地方二本院校的培养目标是应用型人才，课程实验注重应用型是培养应用型人才的方式之一，通信原理是理论性较强的课程，信号源是通信原理实验的重要组成部分，针对通信原理实验的特点，自主研制适合通信原理实验的信号源，为通信原理实验提供保障同时，极大的提高学生的动手能力和创新能力，提高教学效果。

关键词：CDIO;通信原理实验;信号源;DDS

中图分类号：TP391.6 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）11-0068-02

0 绪论

CDIO工程教育模式是由美国麻省理工学院会同瑞典三所著名大学倡导，与工业界共同合作创建的工程教育模式，并获得2011年度美国国家工程院颁布的“戈登奖”。该模式强调工程教育必须回归工程，坚持工程人才“知识、能力、素质”的协调发展，着重基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力等四个层面的能力培养，突破了传统的以学科知识传授为主的人才培养模式，更加适应产业界对工程人才的需求。通信原理是通信工程等专业的专业核心课，通信原理实验更是理论与实践相结合的重要途径，如何使通信原理实驗符合应用型人才的培养目标，是一个需要解决的问题。目前通信原理实验箱的很多验证性实验，对提高学生的动手能力有一定的局限性，因此如何更好的提高学生的动手能力，也是一个需要解决的问题。通信原理实验箱的信号源是通信原理实验的重要组成部分，是使用频率最高的模块。因此，通信原理实验过程中制作一款适合通信原理实验的信号源是迫切需要的。

1 信号源的分析

针对我校开设的通信原理实验，需要如下信号源：

PCM编译码实验需要帧同步信号、时钟信号、频率介于300-3400KHz的语音信号、频率小于300Hz和大于3400KHz的正弦波;数字调制及解调实验需要PN信号，频率是128KHz和256KHz的正弦载波信号;HDB3码型变换实验需要PN信号和时钟信号等。

（1）数字信号源：

数字基带信号采用单极性不归零码（NRZ）。

单极性不归零码可以表示为：

其中为单极性不归零脉冲，

在数字通信系统中，常用码组发生器代替数字信号源，m序列是一种重要的伪随机序列，具有较理想的伪随机性，自相关函数尖锐，电路比较容易实现。

（2）模拟信号源：

模拟基带信号采用音频信号，可以用内部产生1KHz正弦信号或由A/D采集外部信号源作为模拟基带信号。为了使模拟基带信号的频率可变，采用DDS的方式生成模拟基带信号[1]。

DDS的工作原理框图[2]如图1所示，给出了基本结构和工作波形。DDS由四部分组成：相位累加器、相位幅度转换器、D/A变换器和低通滤波器LPF。DDS的实质是以参考频率源对相位进行可控间隔采样[3]。

正弦波信号可以表示为：，在振幅A和初始相位确定的情况下，频率可由相位唯一确定，即。DDS就是利用相位和时间t呈线性关系来进行频率合成。对上式两边微分得。得到，其中采样周期，故上式可改写成。可以看出，若可以控制，那么可以控制不同的频率输出。受频率控制字的控制，即，带入上式，得到DDS调谐方程：，其中L为相位累加器的位数。根据奈奎斯特采样定理，DDS允许输出的最高频率为，即。在实际工程中，由于低通滤波器的限制，输出最大频率一般约。

为说明DDS相位量化原理，将正弦波的一个周期的相位用相位圆图表示，圆图上的每一个点均对应输出一个特定的幅度值。一个L位的累加器对应圆图上个相位点，最低相位分辨率为。幅度值存储在相位幅度转换器中，在频率字的控制下，相位累加器给出不同的相位码，用相位码的高位去寻址相位幅度转换器，完成相位幅度变换[4]。

2 信号源的设计

针对所需要的信号源进行设计。采用DDS芯片AD9854，在程序中对输出幅度寄存器进行相应的设置，对输出信号进行处理，使得变得正弦波变得更加平滑，再把输出峰峰值为200mV的信号放大6倍到1.2V，电路如图2所示。

教师在上课之前，提前准备好信号源电路所需要的相关元件器，课上给出原理图学生自己焊接，让学生自行分组进行制作，对学有余力的同学自行设计电路并焊接，这样既提高了学生的实际动手能力、创新能力，又培养了学生的团队合作意识，提高学习的主动性和参与度，同时也能保证实验设备的供给。

上面只是针对信号源模块，其他模块也是如此，采用“通信积木”式的模块化的架构，从通信系统的角度出发，将各知识点分割至各个独立的模块。各模块均有标准的结构、信号输入输出接口和时钟总线、通讯总线接口，不仅可以让学生对模块功能进行灵活配置，而且可以按照自己的构思用这些标准的模块“积木”搭建出自己想要的通信系统。让学生在创新之前，利用这些模块“积木”对各知识点和各种通信系统进行深入地学习。

这种“软核硬架构”的开放式设计方式还可以很好地支持学生进行创新设计，由于各功能“积木”在硬件架构的设计上，对“积木”所搭载的同类功能的集合均做了较为完备的考虑，学生完全可以通过对其软核的定制和开发，在同类功能范围内，按照自己的构思对“积木”进行重新定义，为了充分调动学生创新开发的兴趣和积极性，该平台支持学生将其所设计的功能与其他既有的功能“积木”进行连接调试，从而将学生设计的能融入到整个通信系统中进行验证。

3 结语

CDIO工程教育模式强调工程教育必须回归工程，地方二本院校的培养目标是应用型人才，课程实验注重应用型是培养应用型人才的方式之一，通信原理是理论性较强的课程，信号源是通信原理实验的重要组成部分，针对通信原理实验的特点，自主研制适合通信原理实验的信号源，为通信原理实验提供保障同时，极大的提高学生的动手能力和创新能力，提高教学效果。

參考文献

[1]Chris Kelly.DDS在函数发生器应用中的优点[J].电子设计应用，2016（4）：101.

[2]李富丽.基于FPGA通信原理实验系统的研究[D].北京化工大学，2009.

[3]杨建华.基于FPGA和DDS技术的多通道信号源设计[J].计算机与数字工程，2017，45（08）：1656-1659.

[4]刘阳.基于FPGA和DDS技术的双通道正交信号源的设计与实现[D].中北大学，2017.

Research of Signal Source for Communication Principle Experiment Based on CDIO

WANG Qian-chun，MA Li-xian

（School of Electronic Engineering， Huainan Normal University， Huainan Anhui 232038）

Abstract：CDIO engineering education mode emphasizes that engineering education must return to engineering. The training objectives of the two local colleges are applied talents. The course experiment focuses on application is one of the ways to cultivate applied talents. The communication principle course is a theoretically strong course. The signal source is an important part of the communication principle experiment. According to the characteristics of the communication principle experiment， the signal source suitable for the communication principle experiment is independently developed to provide guarantee for the communication principle experiment， and the student's hands-on ability and innovation ability are greatly improved， and the teaching effect is improved.

Key words：CDIO;communication principle experiment;signal source;DDS