（计算机应用技术专业论文）基于dsp的信号与系统实验装置的研究.pdf

摘要 基于d s p 的信号与系统实验装置的研究 摘要 d s p 技术正迅速应用于通信、电子、计算机等各个领域，尤其在信号 处理方面具有独特的优势，用d s p 技术来实现信号与系统实验装置对于 课程教学、专业发展和工程实践等方面具有十分重要的意义。本文从基于 d s p 的实验装置的项目设置、方案设计、硬件实现、软件开发、性能测试 分析等五个方面，系统地阐述其研究过程。 一直以来，信号与系统实验的组建具有较大难度。由于其所需的设备 价格较高，实验难度较大，常常是通过模拟仪器、搭建硬件电路来实施的， 这样会受到硬件电路与元器件性能的限制，实验的灵活性和实时性较差； 而采用纯软件仿真的实验系统又缺乏硬件环境的真实性。本实验装置既有 硬件的实验平台，也有d s p 的软件仿真环境c c s ，将软硬件的优点结合 起来，使实验装置更具灵活性、真实性和实用性。同时，模块化的设计思 想也使实验装置的二次开发更为容易，实验内容的扩展更为方便。 本文首先介绍了信号与系统的课程特点和实验设备现状，采用软件无 线电思想提出了基于d s p 来实现信号与系统实验装置；然后根据课程内 容设计了实验项目，包括常用信号的产生、信号的基本运算、信号的卷积 运算、信号的分解和信号的频谱分析等基本实验，信号的频谱搬移和低 高带通滤波器及其在解调系统中的应用等综合性实验，以及数字调制器、 f m 调制解调器和通用f i r 滤波器等扩展性实验；接着针对实验内容和性 北京化工大学硕士学位论文 能需要设计硬件平台，并讨论了各部分的电路原理和设计方法；同时利用 m a t l a b 仿真软件和d s pc c s2 0 对实验内容进行算法验证和软件设计，仿 真结果的正确性从理论上验证了该方案的可实施性；最后在所设计的硬件 平台上，对系统的功能和性能进行测试和分析。测试和实际运行结果表明 设计方法的正确性，且功能和技术指标满足设计要求。 关键字：d s p ，信号与系统，软件无线电，f m ，f i r ，m a t l a b ，c c s2 0 ， 实验装置 u a b s t r a c t s t u d yo fe x p e r i m e n t a le q u i p m e n tf o rs i g n a l a n ds y s t e mb a s e do nd s p a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo fd s pi s b e i n ga p p l i e d t om u c hf i e l d ，s u c ha s c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , c o m p u t e rt e c h n o l o g y , e t c ， e s p e c i a l l y i n s i g n a lp r o c e s s i n gf i e l d t h e r e i s i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e t o i m p l e m e n te x p e r i m e n t a le q u i p m e n tf o rs i g n a la n ds y s t e mb a s e do nd s pi n t e a c h i n g ，p r o f e s s i o n a ld e v e l o p m e n ta n de n g i n e e r i n gp r a c t i c e a b o u ta p p l y i n g d s pt ot h ep r a c t i c eo fe x p e r i m e n t a le q u i p m e n t ，t h ep a p e rd i s s e r t st h ef i v ep a r t s i n c l u d i n g t h ee x p e r i m e n t so fs y s t e m ，t h ed e s i g no ft h ep r o j e c t ，t h er e a l i z a t i o no f t h eh a r d w a r e ，t h ed e v e l o p m e n to ft h e s o f t w a r ea n dt h et e s to ft h ep r o p e r t y u n t i lt o d a y , t oe s t a b l i s he x p e r i m e n t so ft h ec o u r s eo fs i g n a la n ds y s t e mi s ah a r dt a s k , f o rt h ec o s t l i n e s so f e q u i p m e n ta n dt h ed i f f i c u l t yo ft h ee x p e r i m e n t i t s e l f p e o p l ea l w a y su s ea n o l o ge q u i p m e n tt oe s t a b l i s ht h ec i r c u i t s b u t ，t h e f l e x i b i l i t ya n dr e a l t i m ec h a r a c t e r i s t i ca r ea l w a y su n d e s i r a b l eb e c a u s eo ft h e l i m i to ft h er e a l c o m p o n e n ta n dc i r c u i t w h i l e ，m a k i n gu s eo fs i m u l a t i v e s o f t w a r ef o re x p e r i m e n t sc a nn o tm e e tt h ed e m a n d sf o rr e a le n v i r o n m e n t t h e e x p e r i m e n t a le q u i p m e n th a sh a r d w a r ed e v i c e sa n ds o f t w a r ee n v i r o n m e n to f c c s ，w h i c hc a nb em u c hg r e a t e rf l e x i b i l i t y , a u t h e n t i c i t ya n dp r a c t i c a l i t y , u s i n g t h ea d v a n t a g e so fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e m o r e o v e r , i tb e c o m e sm o r e i 北京化工大学硕士学位论文 c o n v e n i e n tf o rs e c o n d a r y - d e v e l o p m e n ta n de x p a n d e d n e s so fe x p e r i m e n t sb y m o d u l a rd e s i g ni d e a i nt h i sp a p e r , t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n do v e r v i e wo fs i g n a la n ds y s t e ma r e f i r s t l yi n t r o d u c e d ，t h e nt h es o l u t i o nt oi m p l e m e n te x p e r i m e n t a le q u i p m e n t f o r s i g n a la n ds y s t e mo nd s p i sp r e s e n t e du s i n gs o f t w a r er a d i oi d e a s e c o n d l y , t h e e x p e r i m e n t so fe q u i p m e n ta r ed e s i g n e d ，i n c l u d i n gb a s i ce x p e r i m e n t s ，s u c ha s s i g n a lg e n e r a t o r , s i g n a lb a s i cc o m p u t i n ga n dc o n v o l u t i o n ，a n a l y s i so fs i g n a l s p e c t r u m ，c o m p r e h e n s i v ee x p e r i m e n t s ，s u c ha sf i l t e r s d e s i g na n da p p l i c a t i o n ， s i g n a ls p e c t r u mm o v e m e n t ，a n de x p a n d e de x p e r i m e n t s ，s u c h a s d i g i t a l m o d u l a t i o n ，f m m o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o n ，g e n e r i cf i r f i l t e r t h i r d l y , h a r d w a r ep l a t f o r mo fe q u i p m e n ti s d e s i g n e d ，a c c o r d i n gt o t h e s y s t e m s c o n t e n t sa n dr e q u i r e m e n t s ，t h ep r i n c i p l ea n dd e s i g no fe a c hp a r ti sg i v e ni n d e t a i l s m e a n w h i l e ，t h es y s t e m ss o f t w a r ei sd e s i g n e db a s e do nm a t l a ba n d c c s2 0 ，t h er e s u l t so fs i m u l a t i o nv e r i f yt h et h e o r e t i c a lc o r r e c t n e s so f d e s i g n f i n a l l y , t h ef u n c t i o na n dp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e ma r et e s t e do nt h e h a r d w a r ep l a t f o r m ，a n dt h er e s u l t sa r ep r e s e n t e da n da n a l y z e d t h r o u g ht e s t i n g a n da c t u a lo p e r a t i o n ，b o t ho ft h ef u n c t i o n sa n dt e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n sm e e t t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：d s p , s i g n a la n ds y s t e m ，s o f t w a r er a d i o ，f m ，f i r ， m a t l a b ，c c s2 0 ，e x p e r i m e n t a le q u i p m e n t i v 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：童垫圣日期：兰翌! 生墨旦! 旦 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名：兰垫望 日期：型2 垒旦! 旦 导师签名： 幺照日期：鲨z 垒量互! 望 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 实验教学在整个教学环节中具有两方面作用，一是对理论知识的验证，二是通过 对理论知识的深入理解，做进一步的创新研究。高校为国家培养的人才不但理论知识 要扎实，同时还应具备一定的专业技术应用能力，这就要求学生在校期间除了要接受 课堂教育，还要受到系统的工程实践训练【l 】。 “信号与系统”是大学本科计算机及电子信息类专业的一门重要专业基础课，是 一门理论性相对比较强的的学科，如果没有实践性教学环节，只是老师讲授，大量应 用性较强的内容学生不能实际动手设计、调试和分析，那么教学效果将不会非常突出。 因此，实验是该门课程的一个非常重要的组成部分，在课程学习中起着很重要的作用， 同时对此课程的充分理解和掌握，对于今后的专业技术课“数字信号处理”和“通信原 理”等课程的学习具有举足轻重的作用【1 3 l 。 近些年，软件无线电技术倍受关注，其基本思想就是将硬件作为其通用的基本平 台，把尽可能多的无线及个人通信的功能用软件来实现，从而将无线通信新系统、新 产品的开发逐步转移到软件上来。d s p 以其接口简单、方便、精度高、稳定性好、集 成方便等优点被广泛应用于软件无线电系纠4 叫。因此，以通用的硬件平台来完成尽可 能多的功能，使系统易于更新换代和二次开发，也正是实验教学平台的研究重点。 1 2 课题的背景和意义 1 2 1 数字信号处理器( d s p ) 的应用领域及特点 在近2 0 多年时间里，d s p 芯片的应用已经从军事、航空航天领域扩大到信号处 理、通信、雷达、消费等许多领域。主要应用有：信号处理、通信、语音、图形图像、 军事、仪器仪表、自动控制、医疗、家用电器等【_ 堋。 d s p 主要应用市场为3 c 领域，合占整个市场需求的9 0 e 1 0 。数字蜂窝电话是 d s p 最为重要的应用领域之_ _ 1 1 , 1 2 1 。由于d s p 具有强大的计算能力，使得移动通信的 蜂窝电话重新崛起，并创造了一批诸如g s m 、c d m a 等全数字蜂窝电话网【1 2 , 1 3 】。在 m o d e m 器件中，d s p 更是成效卓著，不仅大幅度提高了传输速率，且具有接收动态 图像能力【1 4 】。另外，可编程多媒体d s p 是p c 领域的主流产品。以x d s lm o d e m 为 代表的高速通信技术【1 5 】与m p e g 图像技术相结合【1 6 1 ，使得高品位的音频和视频形式 的计算机数据有可能实现实时交换。目前的硬盘空间相当大，这主要得益于c d s p ( 可 北京化工大学硕士学位论文 定制d s p ) 的巨大作用【1 7 】。预计在今后的p c 机中，一个d s p 即可完成全部所需的多 媒体处理功能。d s p 也是消费类电子产品中的关键器件。由于d s p 的广泛应用，数 字音响设备的更新换代周期变得非常短暂【l 引。用于图像处理的d s p ，一种用于j p e g 标准的静态图像数据处理【1 9 】；另一种用于动态图像数据处理【2 0 】。 目前，t i 公司的主流d s p 有三种系列：t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列、t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系 列和t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列。t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列的d s p 是控制用的d s p ，其片内r a m 较小，速度相对来说较低，主要用途是工业自动化、数字马达控制等领域【lo 1 2 1 ； t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列是一种低功耗高性能1 6 位定点d s p ，速度为4 0 m i p s 4 0 0 m i p s ， 主要用途是有线和无线通信、口、便携式信息系统、寻呼机等；t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列 主要用于无线基站、中心局交换机、图像处理等领域 1 4 , 1 6 。 根据三种系列d s p 的特点、学生的理解能力、实验系统完成的实验内容，这里采 用t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列中应用最广泛的t m s 3 2 0 c 5 4 x x 系列，硬件设计具有通用性， 通过软件编程实现不同的内容的实验。 数字信号处理器d s p 就是针对数字信号处理的需要而设计的，是现代电子技术、 计算机技术和信号处理技术相结合的产物。图1 1 所示为一个典型的数字信号处理器 系统框刚2 。 输入 抗混叠 舳d s pd 久 平滑 滤波转换芯片 转换 滤波 输出。 信号7信号7 电路电路电路电路电路 图1 1 典型的数字信号处理器系统框图 f i g 1 - 1b l o c kd i a g r a mo f at y p i c a ld i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rs y s t e m 必须指出的是，上面给出的d s p 系统模型是一个典型模型，但并不是所有的d s p 系统都必须具有模型中的所有部件。 不同厂商的不同系列的d s p 芯片，都具有数字处理的全部优点【2 1 2 2 】： ( 1 ) 接口和编程方便，接口简单，软件容易修改和升级。 ( 2 ) 稳定性和可重复性好，不受元器件参数性能变化的影响，便于测试、调试和大 规模生产。 ( 3 ) 精度高。1 6 位数字系统可以达到1 0 巧的精度。 ( 4 ) 数字系统中才能实现的特殊应用，如信息无失真压缩、v 型滤波器、线性相 位滤波器等。 ( 5 ) 集成方便。d s p 系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集成。 当然，数字信号处理在高频信号处理上也存在一定的缺点，d s p 系统中的高速时 钟可能带来高频干扰和电磁泄漏等问题，而且d s p 系统消耗的功率也较大。因此，为 2 第一章绪论 了发挥d s p 的优点和最大性能，应将其d s p 广泛应用于基带和中频信号处理中。 1 2 2 软件无线电技术的发展 软件无线电( s o f t w a r er a d i o ) 的概念是由j o em i t o l a 于1 9 9 2 年最早提出的，它特指 用软件来定义和实现各种功能的无线通信设备。软件无线电的中心思想是构造一个标 准化、模块化的通用硬件平台，将调制解调、编码解码等各种通信功能用软件来完成， 并且将宽带a d 和d a 转换器尽可能的靠近天线，减少通信系统中的模拟环节，从 而研制出具有更高灵活性的无线通信系统【4 - 6 。 由于计算机技术，特别是微处理器在高速数字信号处理和通信系统中的应用，无 线通信系统从模拟向数字转换。随着宽带模数转换和信号处理技术的快速发展，硬件 工艺水平的日益提高，可编程器件和e d a 工具的r 渐成熟，使软件无线电从概念转 换为实际应用成为可能。为了满足通信系统的要求，物理层需要有高度的灵活性和适 应性，必须是兼容多标准操作和功能。传统数字通信系统对多标准通信解决方法并不 是很灵活，当介质和信道特性改变时，硬件就必须完全更新。尤其是在当今无线电标 准和接口种类层出不穷，为了节约成本，传统的无线电通信系统必将被每层可重构的 软件无线电设备所取代。软件无线电的出现，使无线电技术由以硬件为主的时代走向 以软件为主的时代瞰3 1 。软件无线电可以认为是继模拟通信到数字通信，固定通信到 移动通信之后无线通信领域的第三次突破。 软件无线电具有很多优点： ( 1 ) 灵活的可重配置性。灵活的可重置性是软件无线电系统的重要特性之一，软件 的灵活性决定了系统的灵活性。而这一灵活性是通过对硬件系统应用软件进行重定义 或者重配置来实现的。系统只有具有灵活的可配置特性，才可以实现系统多波段、多 波型、多制式乃至多媒体的工作【2 4 】。 ( 2 ) 系统的开放性。软件无线电系统的开放性包含对于研制的开放性和对于使用的 开放性。由于设计采用了标准化、模块化的结构，软件无线电系统的硬件可以随器件 和技术发展而更新和扩展，软件也可以随需要而不断升级。软件无线电不仅能和新体 制电台通信，还能与旧体制电台兼容。这样，就大大延长了软件无线电的使用周期， 节约成本 2 4 , 2 5 1 。 ( 3 ) 硬件平台的标准化与模块化。软件无线电系统的功能通过软件定义，系统功能 的灵活程度与可扩展程度依赖于硬件的频率范围、动态范围、可配置程度等性能指标。 硬件平台的结构模块化程度越高，标准化程度越强，可供给软件定义的特性越多；在 同一硬件平台下完成的功能越强大和多样化，其软件无线电实现系统就越复杂。因此， 软件无线电平台力求做到模块化、标准化、高带科2 睨引。 3 北京化工大学硕士学位论文 1 2 3 信号与系统教学实验概况 目前，各高校根据自身的实验条件，相应开设了针对信号与系统课程的实验，大 体分以下几种： l 、软件实现方式 由于硬件设备的价格影响，部分学校采用计算机软件仿真实验，利用教学辅助软 件帮助同学们完成实验 2 9 , 3 0 ，目前利用软件实现信号与系统实验的方法有若干种，如 下所示： ( 1 ) 幂l j 用v b v c 语言编程实现 这种方法只需要提供微机和语言环境就可以进行了，需要学生有较强的语言编程 能力和对理论内容有较深的理解。 ( 2 ) 利用p s p i c e 软件实现 这个软件由美国m i c r o s i m 公司开发，充分利用计算机图形处理技术，输入、输出 图形化【3 2 】。但是，在使用p s p i c e 分析系统时，需要画出具体电路图，然后再进行直 流、交流小信号、瞬态分析，对信号与系统这门课来讲，p s p i c e 具有一定的局限性。 如果学生在这方面能力较差，实验效果就不理想【3 3 1 。 ( 3 ) 利用m u l t i s i m v 7 软件实现 m u l t i s i m v 7 软件是由i n t e r a c t i v ei m a g et e c h n o l o g i e s 公司开发的一种用于电路仿真 和设计的e d a 软件，系统高度集成，界面直观，操作方便，具有数字、模拟及数字 模拟混合电路的仿真能力，但不能从外界采集信号，进行实时处理【蚓。 ( 4 ) 利用m a t l a b 软件实现 ( 5 ) 利用s y s t e m v i e w 软件 美国e l a n i x 公司推出的基于w i n d o w s 的动态仿真软件s y s t e m v i e w ，用它进行信 号与系统仿真实验简单、直观，不需要编程，反映的物理概念和现象明确【3 3 】。 ( 6 ) 基于l a b v i e w 的虚拟仪器 美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) 在1 9 8 6 年推出了一种革命性的图形编 程语言l a b v i e w ，使用者可以以一般的电脑搭配经济的硬件设备来建立自己的仪器 控制系统。例如，信号频谱分析，随即瞬态和复杂周期信号的采集显示等。该设备在 界面的制作上具有较大优势讲l 。 综合来说，用软件来对实验装置进行仿真有以下几个优点3 4 3 5 】：实验成本低，且实 验器材的选择余地大；易于实现较为复杂的实验过程；实验所需时间较少，实验效率高； 不必担心损坏实验设备，能轻松的进行边缘情况的实验；便于记录和分析实验过程和实 验结果。 然而计算机软件仿真实验虽有其自身的优势，但它并不能完全取代真实实验，在 实验手段和环境的真实性上也有所欠缺；提供实际动手能力的机会也比较少。 4 第一章绪论 2 、硬件实现方式 纯硬件实验可以比较直观地反映实验的现象，也可以提高学生自身的动手能力， 真实的硬件环境给予同学们感观上的认同感和真实性。但是由于受到元器件性能、实 验环境等非主观因素的影响，实验的灵活性和实时性较差，影响了学生对理论与概念 的深入理解和掌握。而且有些实验还很难用硬件来实现，比如信号经过一个系统后， 相位失真与幅度失真对信号还原的影响【3 6 】；硬件实验还无法作出系统函数的零、极点 表示形式与状态空间表示形式的转换。同时硬件实验要求投入的资金也比较多，花费 较大【3 7 , 3 8 】。 利用模拟器件搭建的硬件电路受元器件特性的影响较大，如设计滤波器时，由于 电感的感抗与频率成正比，电容的容抗与频率成反比，在希望通带截止频率厶很低时， 为了保证滤波性能，势必要求电感量很大，致使电感的体积和重量过大，即不宜制作， 而且成本高、损耗大，制造工艺比电容复杂，并且容易受到外界电磁场的干扰，难于 以集成电路的形式实现。因此，在低频信号传输电路中，模拟电路在功能和性能上有 所限制，我们可以通过d s p 芯片来完成。 如上所述，硬件实验和软件实验都有各自的特点。因此，将软件实验成本低、灵活 简单的特点和硬件实验真实直观、提高动手能力的特点有机地结合起来，发挥各自的 优点是实验设计的核心。 1 3 论文研究的主要内容 本文主要研究了基于d s p 的信号与系统实验装置，该装置为作者所属实验室在实 验平台开发建设项目中的一部分内容，采用d s p 硬件平台与其c c s 软件开发环境，使 真实的硬件环境与软件仿真效果相结合，达到更好的实验效果。 本文研究的主要内容包括如下几个部分： ( 1 ) 查阅文献资料，对于课题相关领域的国内现状和相关理论进行了分析和研究。 介绍了d s p 的应用领域、软件无线电的发展以及信号与系统实验教学的特点。 ( 2 ) 通过对信号与系统课程内容的研究以及现有实验装置的特点，提出软硬件相结 合，具有模块化、二次开发性的实验装置设计方案及所实现的实验内容。 ( 3 ) 设计以 d s p + c p l d ”为核心的硬件平台，包括d s p 最小系统模块、模数转换接 口模块、数模转换接口模块、数字量扩展模块和c p l d 逻辑控制模块等，完成了相应 原理图的设计和p c b 的绘制，并对硬件系统进行了调试。 ( 4 ) 对各项实验内容的原理和实现方法进行阐述，使用汇编和c 语言在c c s2 0 软件 仿真环境和d s p 硬件平台中实现各项内容。在完成常用信号的产生、信号的基本运算、 信号的卷积运算、信号的分解和信号的频谱分析等基本实验，信号的频谱搬移和低 5 北京化工大学硕士学位论文 高带通滤波器及其在解调系统中的应用等综合性实验外，扩展了数字调制器、f m 调 制解调器和通用f i r 滤波器，同时在提高系统性能和指标上采用了新的方案，如利用 单象限正弦波存储方法降低函数源的杂散噪声，利用窗函数法实现通用的滤波器，即 仅通过低通滤波器的加减运算实现高通、带通和带阻滤波器，从而简化滤波器的设计。 ( 5 ) 通过软硬件联合调试，对基于d s p 的信号与系统实验装置进行性能测试，并对 实验结果进行分析。 6 第二章系统整体结构 2 1 系统设计要求 第二章系统整体结构 2 1 1 目前“信号与系统”实验设备概况 目前各个高校基本已开展了信号与系统的实验课程，根据不i i 司的需要采用不同的 实验箱，通过对实验箱的特点、功能和性能分析比较主要可归纳为以下几类： ( 1 ) 百科融创开发 f j r c - s s - i i 信号与系统实验箱，结构如图2 1 所示。 图厶lr c s s - i i 信号与系统实验箱 f i g 2 1 r c - s s - i s i g n a l s a ds y s t e m se x p e r i m e n t b o x 该实验箱集实验模块和实验所需信号源于一体，配置高频信号源和单片机低频信 号发生器，功能模块齐全，各模块_ i ；i j 图示方法表示，直观明了，易于学生理解；结构 紧凑，易于设备管理并可节约设备投资；配有模拟可编程器件等供学有余力的学生进 行二次开发使用，以拓展学生的思路，又能加强学生动手做实验的能力。 f 2 】清华大学科教仪器厂开发的t p e s s 3 信号与系统实验箱，结构如图2 - 2 所示。 该机自带扫频信号源，频率计、真有效值毫伏表、直流电源，实验室只需配备示 波器就可进彳亍实验。该设备特点：信号源采用d d s 技术，扫频中心频率、扫频速度、 步进频率可任意选择，利用该扫频信号源可快速直观的完成实验。配备扩展插座，实 验室可根据实际情况在原来基础上增加实验板，利用实验箱提供的电源及仪表进行实 验。 北京化i 大学硕学位论文 图2 - 2 t p e s s 3 信号与系统实验箱 f i g 2 - 2 1 他一$ s 3 掰鲷a l sa n ds y s t e m s e x p e r i m e n t b o x ( 3 ) 西安唐都科教仪器公司的t d s a s + 信号与系统教学实验系统，用于开放式的 实验教学。实验箱结构如图2 - 3 所示。 该系统采用模拟电路设计，由信号发生器、扫频源、频率计、毫伏表、实验电路 单元所构成，主要特点在于：将实验单元灵活化；信号源种类丰富，灵活性强，信号 发生器可以产生方波、正弦波、脉冲、三角波等多种常用信号( 两路) ，也可作为任 意波形发生器，频率范围：1 h z 1 0 0 k h z ；可选配功能强大的虚拟仪器，使实验内容 更加丰富。 冒2 - 3 t d s a s + 信号与系统教学实验系统 f i g 2 - 3 t d _ s a s + s i g n a l s ds y s t 目a s e x d “is y s t e m ( 4 ) 武汉凌特电子技术有限公司开发的l t e x h 0 2 d 信号与系统实验箱，用简单的 模拟电路搭接的方式不大可能将该课程中的一些关键内容如：信号的卷积、信号的频 谱分析、方波信号的分解与合成中各次谐波相移对波形合成的影响等方面很好地展示 给学生于是这一款实验教学系统在传统的信号与系统实验设备的基础上傲了较多的 数字化的改造，这一系列数字化的改造是很有必要的，其结果不仅让学生能方便地看 到正确清晰的实验结果，而且也给学生提供了一个很好的二次开发平台。 本课题的设计中，将综合以上各类实验箱的特点，分别吸取它们的长处，同时针 第二章系统整体结构 对一些不足之处进行改进，如d d s 信号源性能指标的提高，模块化设计方式，软件 仿真与硬件环境相结合等，实现一款更利于信号与系统课程实验的实验装置。 2 1 2 实验装置设计思想及整体结构 本课题的核心任务是设计一个基于d s p 的信号与系统实验装置，通过实验教学环 节，让学生更好地掌握信号与系统这门课程，了解d s p 芯片在信号处理及通信中的 应用方法；同时营造一个较为自由的空间，使信号处理、自动化、通信工程、物理、 测量等专业工程技术人员能够通过该实验装置进行系统设计、验证和测试实验，也可 作为二次开发平台进行创新性实验。为了能够满足课程学习、硬件设计、系统分析和 验证等多个方面的设计需求，实验装置需要如下的条件： ( 1 ) 对硬件外设的资源的需求。要求具有如下资源： 对各种片内外设的测试和性能分析的硬件资源，包括通用i o 口、定时器设备、 时钟设备、串行口等。 外部总线扩展接口资源，如必要的外部程序存储设备、数据存储设备、输入输 出设备。 ( 2 ) 在软件方面，提供进行信号与系统基本实验和扩展实验的软件程序。通过一系 列由浅入深的实验训练，使学生能够掌握信号与系统各章节的内容和信号处理的基本 流程；了解数字信号处理的基本内容和处理方法；同时通过c c s 的软件仿真图形界 面和实验装置的实际硬件环境的测试两种方式，使学生从仿真和实际环境两方面深入 理解实验内容，有助于学生能力的提高。 ( 3 ) 信号与系统实验设计和验证的需求。因为不同的实验内容需要不同的硬件资 源，有不同资源映像的需要，所以系统应具备必要的功能重新组态能力和必须的功能 模块。 基于以上考虑，本信号与系统实验装置包括验证性实验、综合性实验、设计性实 验及创新性实验这四大部类的实验： ( 1 ) 验证性实验：该部分实验属于基础实验范围，使学生巩固信号与系统课程内容， 加深对信号与系统的理解，促进课程的有效进行。 ( 2 ) 综合性实验：该部分实验要求学生对各章节的内容灵活掌握，可以综合运用知 识完成系统实验，提高学生的综合能力。 ( 3 ) 设计性实验：该部分实验属于提高性的实验操作，通过该部分实验可使学生熟 练掌握信号与系统知识，同时对扩展部分的内容有更深一步的掌握，有利于后续课程 的掌握和动手能力的提高。 ( 4 ) 创新性实验：该部分实验是学生在熟练掌握知识和了解d s p 的使用后，根据 自己的需要和兴趣爱好，进一步加深对知识的理解、提高实际技能、挖掘更多潜能， 9 北京化工大学硕士学位论文 为学生提供创新的平台。 当然，除了满足以上四类实验的要求，实验装置还需要采用2 2 0 v 供电，外形轻 巧美观，各模块功能清晰完整，模块间接口设计合理，易于观察测试，预留有二次开 发接口进行扩展等功能。 2 2 实验项目内容及要求 经过对“信号与系统”课程主流教材的分析与比较，本设计确定以郑君里编写的教 材信号与系统为依据，并参考市场上的同类产品，确定该实验装置的实验项目如 图2 _ 4 所示。 知识点相应的实验 绪论( 第一章)常用信譬的产生 l 信号的基本运算 连续时间系统的 信号的卷积运算( 序列卷议和醋数卷积) 时域分折( 第二章) 傅里叶燮换( 第三章)信号的分馔信号的频谱分析 傅里叶变换麻席于通信 系统滤波、调制与 低，高，带通滤波器信号频谱搬移 及其应用( i p a m 调制解调) 抽样( 第赢章) 模拟与数譬滤波器 f i r 滤波器f i r 滤波器 模拟滤波器的 ( 下册第十章数字实现 任意波形f m 调制5 种数字运用f i r 扩展部分 发生器解调调制器滤波器 图2 4 实验项目设置 f i g 2 - 4e x p e r i m e n t a lp r o j e c t s 根据上述实验项目，将所有实现项目按照实现所需知识与技术的类别，按照模块 化的思想，确定实验装置的各个实验模块的具体内容及要求如下： l 、函数信号发生器模块。 完成实验内容：( 1 ) 常用信号的产生，采用d d s 技术可产生频率、幅度可调的正 弦信号、方波信号、三角信号、指数信号、抽样信号、钟形信号等信号的产生，输出 频率范围为o 1 h z 一1 0 0 k h z ，输出幅度范围为5 v - - , + 5 v ；( 2 ) 任意波形发生器，通过m a t l a b 程序或c 程序生成任意波形数据，修改d s p 程序中存储表内容，达到实现任意信号 发生器的功能，性能指标同上。 2 、信号的基本运算 l o 第二章系统整体结构 对正弦信号( o 1 h z 1 0 k h z ) 进行加法、减法、乘法和比例反向的基本运算，对方波 信号进行微分和积分运算。 3 、傅罩叶变换模块 完成实验内容：( 1 ) 信号的卷积运算，包括序列卷积和函数卷积运算；( 2 ) 信号的频 谱分析，即编程实现离散傅里叶变换( d f t ) ，采用快速傅里叶( f f t ) 算法来观察信号频 谱；( 3 ) 信号的分解：l o k h z 的方波信号经滤波器分解为基波及三、五、七、九次谐波， 观察与理论分解出来的各次谐波分量是否一致。 4 、信号与系统应用模块 完成实验内容：( 1 ) 低通滤波器；( 2 ) f i r 滤波器；( 3 ) i i r 滤波器；( 4 ) 模拟滤波器的 数字实现；( 5 ) 信号频谱搬移，在通信系统中的典型应用就是调制解调部分，本文以 a m 调制解调来说明。 5 、装置扩展模块 本模块完成的实验内容：( 1 ) f m 调制解调；( 2 ) a s k 、f s k 、p s k 、d p s k 和q p s k 的5 种数字调制器的实现；( 3 ) 通用f i r 滤波器，以低通为基础，采用统一的表达式实 现了低通、高通、带通和带阻四种类型的滤波器，此处也是本文的创新点之一。 2 3 系统总框图 根据实验内容和要求来进行硬件结构的总体设计，系统的整体框架如图2 5 所示。 本系统主要以d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 和c p l d 芯片x c 9 5 3 6 为核心，通过可编程 逻辑器件来设计系统的控制逻辑电路和地址分配电路，使整个系统硬件设计结构简 单、体积小、功能灵活、扩展性好。 图2 - 5 系统整体框图 f i g 2 - sb l o c kd i a g r a mo ft h es y s t e m 北京化t 大学硕上学位论文 整体框图中各部分功能简介如下： l 、中央处理模块 以d s p 芯片c 5 4 0 2 为核心处理器配置其最小系统，包括电源、时钟、复位电路、 j t a g 接口等硬件电路，从而保证d s p 的正常运行。 2 、程序存储器 由于d s p 芯片中的r o m 内容都是由芯片生产公司预先烧录定制好的程序代码或 中断向量表等内容，用户是不能进行改写的。根据实验内容的需要，外扩6 4 k 字的程 序存储器( f l a s h ) 来完成各项功能。装载d s p 处理程序，一部分为固化在f l a s h 中 的d s p 初始化与通信程序，另一部分为p c 下传到r a m 中的各种d s p 应用程序。 3 、数据存储器 存储d s p 处理的输入、输出数据。考虑实验内容的需求，外扩6 4 k 字的数据存 储器( s r a m ) ，这既是实时处理算法本身所要求的，也有利于提高数据的处理速度。 4 、a d 转换器 将输入端口送来的模拟信号转换成数字信号，送d s p 进行数字信号处理。配置 a d 5 0 c 完成此功能，其采样速率可由d s p 编程控制，以满足不同处理要求。 5 、d a 转换器 将数据处理结果转换成模拟信号。本设计中a d 5 0 c 也可以进行数模转换，由于 其采样频率最高为2 2 0 5 k h z ，模拟信号输出频率较低；另配置中频数模转换芯片 d a c 0 8 以完成系统功能指标。 6 、电平转换 完成d s p 输入输出3 3 v 电平与外设5 v 电平之间的电平转换。 7 、数字量输入 由锁存器和d i p 拨动开关构成，为了适应实验的需要，通过此方法设置8 位开关， 通过开关控制系统的部分功能，如信号的频率、幅度等。 8 、数字量输出 由锁存器和l e d 构成，为的是能够更好的显示和表征数字量的状态。 9 、逻辑控制模块 主要由c p l d 复杂可编程逻辑器件构成，是实验系统组成的核心逻辑部分，它是 d s p 处理器与其他各功能模块之间的桥梁和对外控制的接口。它将综合逻辑控制电路 和统一编址分配电路等设计到c p l d 芯片中，可以对c p l d 的任意引脚进行设置，实 现灵活对外围电路进行配置。 1 0 、部分模拟电路 包括模数转换输入电路，将模拟信号通过放大器转换为差分信号，使之能够满足 a d 5 0 c 的输入电平要求；数模转换输出电路，将输出电流经放大器转换为电压输出； 以及一些用于滤波、去耦等模拟电路。 1 2 第二章系统整体结构 l l 、扩展接口 为了系统的通用性和二次开发，将d s p 以及c p l d 的一些重要管脚和端口扩展 出来，便于以后能在此基础上对系统进行功能扩展和创新性实验。 2 4 本章小结 本章首先在总结现有实验装置的基础上，明确本装置的设计要求，然后详细论述 了实验项目的内容和要求，最后在此基础上制定出整体的设计方案。该方案集智能性、 高效性、扩展性和灵活性于一体，采用d s p + c p l d 结构的主要优点在于系统结构灵 活，有较强的通用性，功能扩展容易，易于维护、可大幅度提高其使用效率和实用性。 1 3 第三章实验装置的硬件设计 第三章实验装置的硬件设计 软件无线电一切功能的实现都是基于一定的硬件平台的，其最终目标是要使设备 功能摆脱对硬件系统结构的束缚，实现任务的多元化。本装置正是基于此思想来设计 实验装置的硬件平台，在通用的硬件平台上，来实现多元化的实验内容。实验装置的 硬件电路设计主要包括以下几大模块的设计，它们是d s p 最小系统模块、模数转换接 口模块、数模转换接口模块、数字量扩展模块和c p l d 逻辑控制模块等部分。 3 1d s p 最小系统硬件设计 该最小系统包括d s p 核心芯片t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 、时钟及复位电路、j t a g 接口、 电源模块、电平转换芯片以及外扩的r a m 和f l a s h 。 3 1 1 微处理器核心电路设计 目前，t i 公司的主流d s p 有三种系列：t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列、t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系 列和t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列。t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列的d s p 是控制用的d s p ，其片内r a m 较小，速度相对来说较低，主要用途是工业自动化、数字马达控制等领域； t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列是一种