實驗室建設中軟件資源配置的探討

摘要：本文闡述了軟件資源在電子實驗室建設中的作用，結論顯示，順應軟件無線電潮流，合理配置實驗室的軟/硬件設備，可以最大程度擴展實驗范圍，深化實驗內容，有利于發揮學生創造性，進行較大規模的系統仿真。

關鍵詞：實驗室建設 仿真 正交頻分復用

隨著軟件無線電技術的發展，電子系統軟、硬件之間的協調使用引起了更多的關注，人們注意到，較之于模擬器件，數字化設備時效性和費效比更高，而且可靠性也可以得到保證。在高等院校的實驗室建設中，主要途徑是購買實驗箱，由于條件限制，不可能購買全套實驗設備，這就給一些課程設置帶來了局限性。

為此本文探討了如何合理配置軟件資源，借助于微機的軟件仿真功能，協同數字化的實驗設備，搭建起學科實驗系統。第二部分介紹了總體思路，即實驗室軟/硬件資源的分配；第三部分以一個實際的通信系統為例，介紹了這種資源配置的優勢和實驗效果；第四部分是結論。

軟件資源應用模型。微機的普及和推廣，使很多工作都可以通過仿真來完成，仿真的好處在于使設計者從繁瑣的硬件調試中解脫出來，只專注于系統設計的總體思路和算法，而且花費的代價小，易于修改。一般通過仿真驗證的原型，都可以很方便的用硬件實現，少走很多彎路。

在《通信原理》這門課程的實驗中，我們利用購置的實驗箱、示波器等硬件，結合現有的軟件，搭建起一整套的通信原理仿真平臺。學員可以通過這個平臺了解到通信原理的各個方面，具體生動，所需要的額外設備只是一臺微機。

下面就以一個典型的通信仿真系統為例，說明軟硬件是如何協同工作的。這里我們使用到的軟件包括MathWorks公司的MATLAB，這是一種面向科學與工程計算的高級（語言）軟件，它集科學計算、自動控制、信號處理、神經網絡、圖像處理等于一體，具有極高的編程效率，以及ALTERA公司的CPLD、FPGA設計及仿真軟件MAX+PLUSII；至于實驗箱上的單片機調試，使用Keil軟件。圖1給出了系統示意圖（沒有畫出單片機仿真器）。

圖1 通信仿真系統軟/硬件資源示意圖

圖中的RS232接口用來實現計算機和實驗箱之間的數據交流，也可以由Matlab控制，來向實驗箱輸出數據；CPLD下載接口用于MAX+PLUSII將編寫好的軟件燒寫進CPLD芯片；而單片機調試接口實現了在微機上實時調整程序，控制單片機的工作。示波器通道A連接實驗箱，用來觀察數據，而通道B和微機連接，Matlab可以通過交互式程序來和數字示波器通信。

軟硬件結合的實際應用。這里以一個最簡單的正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing ，OFDM）系統的仿真為例[1]，來說明本文提出的軟硬件結合的實驗系統的有效性。OFDM的思想是把一個高速傳輸的數據流經串并轉換分解成許多低速率的子數據流，以并行方式在多個正交子信道上傳輸。這樣，在每個子信道上，符號持續時間比信道的最大延遲大，從而可消除多徑時延引起的符號間干擾（ISI， InterSymbol Interference）。而且各子載波間的正交性允許子信道的頻譜相互重疊，最大限度的利用了頻譜資源。OFDM系統示意如下圖所示：

圖2 OFDM的系統框圖

圖中的左/右虛線框內的運算，分別等效為IFFT/FFT，具體原理以及OFDM信號的數學形式可參考相關的資料[2]。

進入該系統的串行比特數據，可以是CPLD產生的偽噪聲序列，具有較強的隨機性，可以充當信息數據。隨后該數據被送往單片機進行卷積編碼，以防止由于信道狀況的惡劣導致誤碼。

圖2中所示的IDFT/DFT運算可以通過多種方法實現，單片機、CPLD或者Matlab軟件均可，為了提高系統運行速度，我們采用Opencores開源組織的FFT軟核燒寫進CPLD[3]。對于信道的仿真同樣也有多種選擇，這取決于實驗者的目的，如果為了驗證系統，就使用CPLD產生數字噪聲，模擬加性高斯白噪聲（AWGN）信道。如果為了研究OFDM中信道估計算法的有效性，可以通過RS232接口將Matlab產生的多徑衰落信道數據傳輸到實驗箱，從而完成數據加擾。其中的D/A運算在實驗箱上完成；誤碼率的測試使用了Matlab自帶的Simulink工具箱[4]。該系統的運行流程可以表示如下：

圖3 OFDM實驗室系統的信號流程

本文給出了實驗室軟件和硬件協作的實例，通過我們的仿真試驗證明，這種方案是有效可靠的，可以在很大程度上擴展實驗范圍，深化實驗內容，在費用和效果之間找到最佳的平衡點。而且軟件具有修改方便、維護和維修費用低等特點。這種靈活的實驗環境，也有利于學生進行自主開發，充分發揮創造性。

參考文獻：

[1]B. Saltzberg. Performance of An Efficient Parallel Data Transmitsion System[J]， IEEE Trans. on Commu.， 1967.12， 15: 805~811.

[2]S. B. Weinstein， P. M. Ebert. Data Transmissions by Frequentcy-Division Multiplexing Using the Discrete Fourier transform.[J]， IEEE Trans.on Commu.， 1971.8， 19: 628~634.

[3]褚振勇，翁木云.FPGA設計及應用[M.西安電子科技大學出版社，2002.

[4]尹澤明，丁春利等.精通MATLAB6[M].清華大學出版社，2002.6.

作者單位：王 峰、楊 凱、唐紅，空軍工程大學工程學院陜西西安

王 佳，陜西師范大學陜西西安