李玲香 楊振南 蔣亞軍

（湖南科技學(xué)院 計(jì)算機(jī)與通信工程系，湖南 永州 425199）

FPGA輔助移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐

李玲香 楊振南 蔣亞軍

（湖南科技學(xué)院 計(jì)算機(jī)與通信工程系，湖南 永州 425199）

圍繞移動(dòng)通信市場(chǎng)人才的需求及移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)普遍存在的問題，從培養(yǎng)學(xué)生工程素養(yǎng)的角度，引入FPGA技術(shù)輔助移動(dòng)通信課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)，將實(shí)際硬件實(shí)驗(yàn)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)和綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合，突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱的局限，解決課程教學(xué)難點(diǎn)。在實(shí)踐中，取得較好的教學(xué)效果。

移動(dòng)通信；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；交織編碼；FPGA

0　引　言

隨著移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，尤其是“三網(wǎng)融合” 全面啟動(dòng)和4G技術(shù)的上市，我國信息產(chǎn)業(yè)將迎來新一輪的高速增長，對(duì)移動(dòng)通信人才的需求將迅速增加[1]。3G/4G的復(fù)雜性和應(yīng)用的多樣性，企業(yè)要求具有更高綜合素質(zhì)的移動(dòng)通信人才。作為移動(dòng)通信人才資源主要供給的高等院校，以市場(chǎng)需求為主導(dǎo)，與時(shí)俱進(jìn)地實(shí)施移動(dòng)通信課程教學(xué)改革，提高學(xué)生工程綜合素質(zhì)，顯得至關(guān)重要。

1　移動(dòng)通信實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀分析

移動(dòng)通信課程是通信工程專業(yè)一門面向社會(huì)實(shí)際應(yīng)用的重要專業(yè)課，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性和實(shí)用性。實(shí)踐教學(xué)是教學(xué)過程中重要的一環(huán)節(jié)，其教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)質(zhì)量決定了學(xué)生在走上工作崗位后能否具備基本的職業(yè)素養(yǎng)和足夠的知識(shí)儲(chǔ)備、能夠盡快適應(yīng)新的工作環(huán)境的重要因素[2]。然而，各高校移動(dòng)通信課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀與當(dāng)今以3G為主導(dǎo)的通信行業(yè)發(fā)展需求不適應(yīng)。主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

1.1實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容與現(xiàn)代教育理論下的人才培養(yǎng)模式不符

目前多數(shù)高校移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)都采用的實(shí)驗(yàn)箱來完成，實(shí)驗(yàn)類型單一、內(nèi)容簡單、且以驗(yàn)證、演示性實(shí)驗(yàn)為主。雖然實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)理論知識(shí)理解有一定的幫助，但與實(shí)際知識(shí)間聯(lián)系性不強(qiáng)、缺乏全局觀，難以讓學(xué)生在腦海中形成移動(dòng)通信系統(tǒng)的概念，導(dǎo)致學(xué)生今后從事移動(dòng)通信工作，適應(yīng)不了移動(dòng)通信技術(shù)的迅速發(fā)展。另外，多數(shù)實(shí)驗(yàn)箱的操作是暗箱式的，難以開設(shè)設(shè)計(jì)性、綜合應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)，這樣不利于學(xué)生工程能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，不符合高綜合素質(zhì)通信行業(yè)人才的需求。

1.2實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際應(yīng)用完全脫節(jié)

移動(dòng)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，用于教學(xué)的實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)平臺(tái)昂貴，同時(shí)實(shí)踐教學(xué)經(jīng)費(fèi)的不足是各高校普遍存在的問題。因此，實(shí)驗(yàn)設(shè)備更新緩慢，開出的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目往往滯后于通信行業(yè)中應(yīng)用技術(shù)，使得教學(xué)內(nèi)容與人才市場(chǎng)需求脫節(jié)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革成為教學(xué)中的難點(diǎn)。

針對(duì)上述問題，許多高校優(yōu)秀老師在實(shí)踐教學(xué)改革中做了大量的工作與研究。如文獻(xiàn)[3]文中，通過MATLAB軟件建立虛擬的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，弱化實(shí)驗(yàn)箱驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，強(qiáng)化MATLAB仿真軟件的應(yīng)用。一方面可有效地緩解資金緊缺及設(shè)備更新跟不上行業(yè)技術(shù)發(fā)展的問題。另一方面加深學(xué)生對(duì)原理和關(guān)鍵技術(shù)的理解，提高學(xué)生對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)的整體認(rèn)識(shí)，取得了較好的教學(xué)效果，學(xué)生的綜合實(shí)踐能力也得到了一定程度的提高，但MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)不能真正讓學(xué)生體會(huì)原理到應(yīng)用的深刻轉(zhuǎn)變。

FPGA（Field Programmable Gate Array, FPGA）具有很強(qiáng)的電子電路設(shè)計(jì)工程應(yīng)用背景，它打破了硬軟件之間的屏障，能使硬件設(shè)計(jì)如同軟件設(shè)計(jì)一樣快捷方便，這是是電子電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的重大變革。

本文以我校通信工程專業(yè)已開設(shè)EDA技術(shù)課程為前提，將FPGA技術(shù)引入到移動(dòng)通信課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中來，旨在縮短實(shí)踐教學(xué)與工程應(yīng)用的距離。

2　FPGA 簡介

現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA是Xilinx公司于1985年首家推出的一種新型高密度PLD，它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)[4]。

FPGA采用CMOS_SRAM工藝，從結(jié)構(gòu)上與之前PLD器件采用“與或陣列”不同，它內(nèi)部包含許多獨(dú)立的可編程邏輯模塊CLB(Configurable Logic Block)，CLB的基本原理利用查找表來實(shí)現(xiàn)組合邏輯，每個(gè)查找表連接到一個(gè)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的D觸發(fā)器的輸入端，觸發(fā)器再來驅(qū)動(dòng)其他邏輯電路或驅(qū)動(dòng)I/O，由此構(gòu)成了即可實(shí)現(xiàn)組合邏輯功能又可實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯功能的基本邏輯單元模塊，邏輯模塊間可以靈活相互連接。FPGA芯片具有極強(qiáng)的實(shí)時(shí)性和并行處理能力，它的內(nèi)部構(gòu)很容易實(shí)現(xiàn)分布式算法，這對(duì)于無線通信中的數(shù)字信號(hào)實(shí)時(shí)處理十分有利。隨著FPGA技術(shù)在移動(dòng)通信領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，若學(xué)生能較好地掌握FPGA技術(shù)，可提高他們的職業(yè)競爭力。

3　FPGA輔助移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐

FPGA技術(shù)除了在科研、產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造等諸多方面發(fā)揮著巨大的作用，還可提供較為先進(jìn)的實(shí)踐教學(xué)條件，學(xué)生可根據(jù)所學(xué)知識(shí)自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和開發(fā)移動(dòng)通信技術(shù)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，這樣有利于加深學(xué)生對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)基本原理的理解，有利于學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

3.1輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)方式

鑒于《移動(dòng)通信》課時(shí)少，課程內(nèi)容多，知識(shí)面廣，實(shí)驗(yàn)課時(shí)不可能占太多的課時(shí)比例情況，采用“以學(xué)為主”的課外教學(xué)方式，通過開設(shè)開放性實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)形式增加實(shí)踐課時(shí)比例，作為實(shí)踐教學(xué)的必要補(bǔ)充。具體實(shí)施：

（1）開放性實(shí)驗(yàn)：教學(xué)方式采用指定命題的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑笇?dǎo)老師給出實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及相關(guān)資料，學(xué)生自主選題，由學(xué)生在部分學(xué)時(shí)內(nèi)來獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的電路設(shè)計(jì)，功能實(shí)現(xiàn)，調(diào)試結(jié)果分析，并提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

（2）課程設(shè)計(jì)：教學(xué)方式采用自主命題的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?。學(xué)生可根據(jù)自己對(duì)移動(dòng)通信技術(shù)的理解，構(gòu)建一些有針對(duì)性的移動(dòng)通信系統(tǒng)級(jí)的關(guān)鍵技術(shù)與專用集成電路設(shè)計(jì)項(xiàng)目。在課程設(shè)計(jì)過程中，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師全程跟蹤，采取分組研討的形式啟發(fā)學(xué)生自己查閱和整理文獻(xiàn)、資料，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

FPGA不僅是教學(xué)的工具，同時(shí)還是貼近實(shí)際應(yīng)用的開發(fā)工具，相對(duì)于MATLAB仿真技術(shù)具有較高的難度，因此，在輔助教學(xué)的過程中，教師應(yīng)該根據(jù)教學(xué)的要求，設(shè)計(jì)不同層次開放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，滿足不同層次的學(xué)生需求。

3.2輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用

本文通過一個(gè)基于FPGA 的CDMA2000系統(tǒng)中短幀交織器的實(shí)現(xiàn)開放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，強(qiáng)化學(xué)生工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，探索實(shí)踐教學(xué)新思路，解決教學(xué)的難點(diǎn)。

3.2.1矩陣分組交織器的原理

交織技術(shù)是移動(dòng)通信中克服深衰落大突發(fā)差錯(cuò)的最簡單又有效的方法，其基本思想是在信道編碼之前打亂源信息比特的時(shí)間順序，這樣就可把一個(gè)較長的突發(fā)差錯(cuò)離散成隨機(jī)差錯(cuò)，再利用糾正隨機(jī)差錯(cuò)的編碼技術(shù)消除隨機(jī)誤差。

矩陣分組式交織是最簡單的交織方式，其實(shí)現(xiàn)原理如下：

圖-1 矩陣分組交織的方法

然后從存儲(chǔ)器里按行讀出并輸出，這時(shí)序列變?yōu)椋?/p>

在接收端，去交織是交織的逆過程。即把接收到的序列按行寫入存儲(chǔ)器，然后再按列讀出，就可恢復(fù)原來序列。

3.2.2交織器電路框圖

為了滿足CDMA2000系統(tǒng)的總體要求，本文實(shí)例以具有內(nèi)嵌雙口塊RAM的FPGA芯片來實(shí)現(xiàn)交織存儲(chǔ)。交織器的硬件實(shí)現(xiàn)框圖如圖-2所示。

圖-2　交織器硬件實(shí)現(xiàn)框圖

圖-2中， 雙口塊RAM存儲(chǔ)器，一組地址專門用于存儲(chǔ)，另一組地址用于讀寫。計(jì)數(shù)器和選擇器構(gòu)成控制模塊，完成對(duì)RAM讀寫的控制。ROM用于存儲(chǔ)交織地址。

3.2.3功能實(shí)現(xiàn)

由于CDMA2000系統(tǒng)的短幀每幀數(shù)據(jù)長度是192比特，每幀分為20ms[5]?？蛇x擇矩陣分組式交織器，且交織長度只能與幀長度大致相當(dāng)。若不考慮交織延時(shí)，該設(shè)計(jì)可以采用12′16的交織形式。

由于RTL結(jié)構(gòu)圖過于密集，本文就不給出。在ModelSim中仿真后，得到輸出數(shù)據(jù)的局部仿真結(jié)果，如圖-3所示。

圖-3　交織器的輸入輸出仿真波形

4　結(jié)束語

我校作為地方性本科院校，為了適應(yīng)地方性本科院校轉(zhuǎn)型的新形勢(shì)及通信行業(yè)人才的需求，開展教學(xué)改革勢(shì)在必行。本文探索了在移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入FPGA技術(shù)進(jìn)行輔助教學(xué)，實(shí)踐證明:可有效地緩解高校移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)設(shè)備更新緩慢與通信行業(yè)中移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展迅速的矛盾，并取得較好教學(xué)效果，受到了學(xué)生好評(píng)。

[1]楊智勇,李新,楊娟,劉通.移動(dòng)通信專業(yè)人才培養(yǎng)體系研究與實(shí)踐[J].信息通信,2013,(7):169-170.

[2] 張寶華.向崗位需求的《移動(dòng)通信》教學(xué)內(nèi)容和手段改革探討[J].教育教學(xué)論壇,2014.1(2):51-52.

[3] 徐麗艷,于海生,王英,莊曉東.Simulink在移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)仿真中的應(yīng)用[J],實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2009,3(26):82-84.

[4]田耕,徐文波,張延偉.無線通信FPGA設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.10:257-296.

[5]希瑞克斯(北京)通信設(shè)備有限公司.無線通信的MATLAB和FPGA的實(shí)現(xiàn)[M].北京:人民郵電出版社,2009,(6).

（責(zé)任編校：宮彥軍）

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1673-2219（2015）05-0119-03

2015－01－15

湖南省普通高校教學(xué)改革研究項(xiàng)目“地方本科院校大學(xué)生信息素養(yǎng)培養(yǎng)的研究與實(shí)踐”（湘教通[2011] 315號(hào)，序號(hào)：382）；湖南科技學(xué)院青年教師教學(xué)課程改革：“通信原理”（2013年）。

李玲香(1976－)，女，湖南郴州人，講師，主要研究方向?yàn)闊o線通信，信號(hào)與信息處理。