王千春 馬立憲

摘要：CDIO工程教育模式強(qiáng)調(diào)工程教育必須回歸工程，地方二本院校的培養(yǎng)目標(biāo)是應(yīng)用型人才，課程實(shí)驗(yàn)注重應(yīng)用型是培養(yǎng)應(yīng)用型人才的方式之一，通信原理是理論性較強(qiáng)的課程，信號(hào)源是通信原理實(shí)驗(yàn)的重要組成部分，針對(duì)通信原理實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，自主研制適合通信原理實(shí)驗(yàn)的信號(hào)源，為通信原理實(shí)驗(yàn)提供保障同時(shí)，極大的提高學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，提高教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：CDIO;通信原理實(shí)驗(yàn);信號(hào)源;DDS

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）11-0068-02

0 緒論

CDIO工程教育模式是由美國(guó)麻省理工學(xué)院會(huì)同瑞典三所著名大學(xué)倡導(dǎo)，與工業(yè)界共同合作創(chuàng)建的工程教育模式，并獲得2011年度美國(guó)國(guó)家工程院頒布的“戈登獎(jiǎng)”。該模式強(qiáng)調(diào)工程教育必須回歸工程，堅(jiān)持工程人才“知識(shí)、能力、素質(zhì)”的協(xié)調(diào)發(fā)展，著重基礎(chǔ)知識(shí)、個(gè)人能力、人際團(tuán)隊(duì)能力和工程系統(tǒng)能力等四個(gè)層面的能力培養(yǎng)，突破了傳統(tǒng)的以學(xué)科知識(shí)傳授為主的人才培養(yǎng)模式，更加適應(yīng)產(chǎn)業(yè)界對(duì)工程人才的需求。通信原理是通信工程等專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)核心課，通信原理實(shí)驗(yàn)更是理論與實(shí)踐相結(jié)合的重要途徑，如何使通信原理實(shí)驗(yàn)符合應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)，是一個(gè)需要解決的問(wèn)題。目前通信原理實(shí)驗(yàn)箱的很多驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，對(duì)提高學(xué)生的動(dòng)手能力有一定的局限性，因此如何更好的提高學(xué)生的動(dòng)手能力，也是一個(gè)需要解決的問(wèn)題。通信原理實(shí)驗(yàn)箱的信號(hào)源是通信原理實(shí)驗(yàn)的重要組成部分，是使用頻率最高的模塊。因此，通信原理實(shí)驗(yàn)過(guò)程中制作一款適合通信原理實(shí)驗(yàn)的信號(hào)源是迫切需要的。

1 信號(hào)源的分析

針對(duì)我校開(kāi)設(shè)的通信原理實(shí)驗(yàn)，需要如下信號(hào)源：

PCM編譯碼實(shí)驗(yàn)需要幀同步信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)、頻率介于300-3400KHz的語(yǔ)音信號(hào)、頻率小于300Hz和大于3400KHz的正弦波;數(shù)字調(diào)制及解調(diào)實(shí)驗(yàn)需要PN信號(hào)，頻率是128KHz和256KHz的正弦載波信號(hào);HDB3碼型變換實(shí)驗(yàn)需要PN信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)等。

（1）數(shù)字信號(hào)源：

數(shù)字基帶信號(hào)采用單極性不歸零碼（NRZ）。

單極性不歸零碼可以表示為：

其中為單極性不歸零脈沖，

在數(shù)字通信系統(tǒng)中，常用碼組發(fā)生器代替數(shù)字信號(hào)源，m序列是一種重要的偽隨機(jī)序列，具有較理想的偽隨機(jī)性，自相關(guān)函數(shù)尖銳，電路比較容易實(shí)現(xiàn)。

（2）模擬信號(hào)源：

模擬基帶信號(hào)采用音頻信號(hào)，可以用內(nèi)部產(chǎn)生1KHz正弦信號(hào)或由A/D采集外部信號(hào)源作為模擬基帶信號(hào)。為了使模擬基帶信號(hào)的頻率可變，采用DDS的方式生成模擬基帶信號(hào)[1]。

DDS的工作原理框圖[2]如圖1所示，給出了基本結(jié)構(gòu)和工作波形。DDS由四部分組成：相位累加器、相位幅度轉(zhuǎn)換器、D/A變換器和低通濾波器LPF。DDS的實(shí)質(zhì)是以參考頻率源對(duì)相位進(jìn)行可控間隔采樣[3]。

正弦波信號(hào)可以表示為：，在振幅A和初始相位確定的情況下，頻率可由相位唯一確定，即。DDS就是利用相位和時(shí)間t呈線性關(guān)系來(lái)進(jìn)行頻率合成。對(duì)上式兩邊微分得。得到，其中采樣周期，故上式可改寫(xiě)成?？梢钥闯?，若可以控制，那么可以控制不同的頻率輸出。受頻率控制字的控制，即，帶入上式，得到DDS調(diào)諧方程：，其中L為相位累加器的位數(shù)。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，DDS允許輸出的最高頻率為，即。在實(shí)際工程中，由于低通濾波器的限制，輸出最大頻率一般約。

為說(shuō)明DDS相位量化原理，將正弦波的一個(gè)周期的相位用相位圓圖表示，圓圖上的每一個(gè)點(diǎn)均對(duì)應(yīng)輸出一個(gè)特定的幅度值。一個(gè)L位的累加器對(duì)應(yīng)圓圖上個(gè)相位點(diǎn)，最低相位分辨率為。幅度值存儲(chǔ)在相位幅度轉(zhuǎn)換器中，在頻率字的控制下，相位累加器給出不同的相位碼，用相位碼的高位去尋址相位幅度轉(zhuǎn)換器，完成相位幅度變換[4]。

2 信號(hào)源的設(shè)計(jì)

針對(duì)所需要的信號(hào)源進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用DDS芯片AD9854，在程序中對(duì)輸出幅度寄存器進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行處理，使得變得正弦波變得更加平滑，再把輸出峰峰值為200mV的信號(hào)放大6倍到1.2V，電路如圖2所示。

教師在上課之前，提前準(zhǔn)備好信號(hào)源電路所需要的相關(guān)元件器，課上給出原理圖學(xué)生自己焊接，讓學(xué)生自行分組進(jìn)行制作，對(duì)學(xué)有余力的同學(xué)自行設(shè)計(jì)電路并焊接，這樣既提高了學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力，又培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，提高學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和參與度，同時(shí)也能保證實(shí)驗(yàn)設(shè)備的供給。

上面只是針對(duì)信號(hào)源模塊，其他模塊也是如此，采用“通信積木”式的模塊化的架構(gòu)，從通信系統(tǒng)的角度出發(fā)，將各知識(shí)點(diǎn)分割至各個(gè)獨(dú)立的模塊。各模塊均有標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)、信號(hào)輸入輸出接口和時(shí)鐘總線、通訊總線接口，不僅可以讓學(xué)生對(duì)模塊功能進(jìn)行靈活配置，而且可以按照自己的構(gòu)思用這些標(biāo)準(zhǔn)的模塊“積木”搭建出自己想要的通信系統(tǒng)。讓學(xué)生在創(chuàng)新之前，利用這些模塊“積木”對(duì)各知識(shí)點(diǎn)和各種通信系統(tǒng)進(jìn)行深入地學(xué)習(xí)。

這種“軟核硬架構(gòu)”的開(kāi)放式設(shè)計(jì)方式還可以很好地支持學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，由于各功能“積木”在硬件架構(gòu)的設(shè)計(jì)上，對(duì)“積木”所搭載的同類(lèi)功能的集合均做了較為完備的考慮，學(xué)生完全可以通過(guò)對(duì)其軟核的定制和開(kāi)發(fā)，在同類(lèi)功能范圍內(nèi)，按照自己的構(gòu)思對(duì)“積木”進(jìn)行重新定義，為了充分調(diào)動(dòng)學(xué)生創(chuàng)新開(kāi)發(fā)的興趣和積極性，該平臺(tái)支持學(xué)生將其所設(shè)計(jì)的功能與其他既有的功能“積木”進(jìn)行連接調(diào)試，從而將學(xué)生設(shè)計(jì)的能融入到整個(gè)通信系統(tǒng)中進(jìn)行驗(yàn)證。

3 結(jié)語(yǔ)

CDIO工程教育模式強(qiáng)調(diào)工程教育必須回歸工程，地方二本院校的培養(yǎng)目標(biāo)是應(yīng)用型人才，課程實(shí)驗(yàn)注重應(yīng)用型是培養(yǎng)應(yīng)用型人才的方式之一，通信原理是理論性較強(qiáng)的課程，信號(hào)源是通信原理實(shí)驗(yàn)的重要組成部分，針對(duì)通信原理實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，自主研制適合通信原理實(shí)驗(yàn)的信號(hào)源，為通信原理實(shí)驗(yàn)提供保障同時(shí)，極大的提高學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，提高教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

[1]Chris Kelly.DDS在函數(shù)發(fā)生器應(yīng)用中的優(yōu)點(diǎn)[J].電子設(shè)計(jì)應(yīng)用，2016（4）：101.

[2]李富麗.基于FPGA通信原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究[D].北京化工大學(xué)，2009.

[3]楊建華.基于FPGA和DDS技術(shù)的多通道信號(hào)源設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2017，45（08）：1656-1659.

[4]劉陽(yáng).基于FPGA和DDS技術(shù)的雙通道正交信號(hào)源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].中北大學(xué)，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