摘要：本文闡述了軟件資源在電子實驗室建設(shè)中的作用，結(jié)論顯示，順應(yīng)軟件無線電潮流，合理配置實驗室的軟/硬件設(shè)備，可以最大程度擴(kuò)展實驗范圍，深化實驗內(nèi)容，有利于發(fā)揮學(xué)生創(chuàng)造性，進(jìn)行較大規(guī)模的系統(tǒng)仿真。

關(guān)鍵詞：實驗室建設(shè) 仿真 正交頻分復(fù)用

隨著軟件無線電技術(shù)的發(fā)展，電子系統(tǒng)軟、硬件之間的協(xié)調(diào)使用引起了更多的關(guān)注，人們注意到，較之于模擬器件，數(shù)字化設(shè)備時效性和費(fèi)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(shè)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(shè)備，這就給一些課程設(shè)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(jī)的軟件仿真功能，協(xié)同數(shù)字化的實驗設(shè)備，搭建起學(xué)科實驗系統(tǒng)。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(tǒng)為例，介紹了這種資源配置的優(yōu)勢和實驗效果；第四部分是結(jié)論。

軟件資源應(yīng)用模型。微機(jī)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(shè)計者從繁瑣的硬件調(diào)試中解脫出來，只專注于系統(tǒng)設(shè)計的總體思路和算法，而且花費(fèi)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(xiàn)，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(jié)合現(xiàn)有的軟件，搭建起一整套的通信原理仿真平臺。學(xué)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(shè)備只是一臺微機(jī)。

下面就以一個典型的通信仿真系統(tǒng)為例，說明軟硬件是如何協(xié)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(xué)與工程計算的高級（語言）軟件，它集科學(xué)計算、自動控制、信號處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、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(shè)計及仿真軟件MAX+PLUSII；至于實驗箱上的單片機(jī)調(diào)試，使用Keil軟件。圖1給出了系統(tǒng)示意圖（沒有畫出單片機(jī)仿真器）。

圖1 通信仿真系統(tǒng)軟/硬件資源示意圖

圖中的RS232接口用來實現(xiàn)計算機(jī)和實驗箱之間的數(shù)據(jù)交流，也可以由Matlab控制，來向?qū)嶒炏漭敵鰯?shù)據(jù)；CPLD下載接口用于MAX+PLUSII將編寫好的軟件燒寫進(jìn)CPLD芯片；而單片機(jī)調(diào)試接口實現(xiàn)了在微機(jī)上實時調(diào)整程序，控制單片機(jī)的工作。示波器通道A連接實驗箱，用來觀察數(shù)據(jù)，而通道B和微機(jī)連接，Matlab可以通過交互式程序來和數(shù)字示波器通信。

軟硬件結(jié)合的實際應(yīng)用。這里以一個最簡單的正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing ，OFDM）系統(tǒng)的仿真為例[1]，來說明本文提出的軟硬件結(jié)合的實驗系統(tǒng)的有效性。OFDM的思想是把一個高速傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流經(jīng)串并轉(zhuǎn)換分解成許多低速率的子數(shù)據(jù)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(xù)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(tǒng)示意如下圖所示：

圖2 OFDM的系統(tǒng)框圖

圖中的左/右虛線框內(nèi)的運(yùn)算，分別等效為IFFT/FFT，具體原理以及OFDM信號的數(shù)學(xué)形式可參考相關(guān)的資料[2]。

進(jìn)入該系統(tǒng)的串行比特數(shù)據(jù)，可以是CPLD產(chǎn)生的偽噪聲序列，具有較強(qiáng)的隨機(jī)性，可以充當(dāng)信息數(shù)據(jù)。隨后該數(shù)據(jù)被送往單片機(jī)進(jìn)行卷積編碼，以防止由于信道狀況的惡劣導(dǎo)致誤碼。

圖2中所示的IDFT/DFT運(yùn)算可以通過多種方法實現(xiàn)，單片機(jī)、CPLD或者M(jìn)atlab軟件均可，為了提高系統(tǒng)運(yùn)行速度，我們采用Opencores開源組織的FFT軟核燒寫進(jìn)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(tǒng)，就使用CPLD產(chǎn)生數(shù)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(chǎn)生的多徑衰落信道數(shù)據(jù)傳輸?shù)綄嶒炏?，從而完成?shù)據(jù)加擾。其中的D/A運(yùn)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(tǒng)的運(yùn)行流程可以表示如下：

圖3 OFDM實驗室系統(tǒng)的信號流程

本文給出了實驗室軟件和硬件協(xié)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(kuò)展實驗范圍，深化實驗內(nèi)容，在費(fèi)用和效果之間找到最佳的平衡點(diǎn)。而且軟件具有修改方便、維護(hù)和維修費(fèi)用低等特點(diǎn)。這種靈活的實驗環(huán)境，也有利于學(xué)生進(jìn)行自主開發(fā)，充分發(fā)揮創(chuàng)造性。

參考文獻(xiàn)：

[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(shè)計及應(yīng)用[M.西安電子科技大學(xué)出版社，2002.

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

作者單位：王 峰、楊 凱、唐紅，空軍工程大學(xué)工程學(xué)院陜西西安

王 佳，陜西師范大學(xué)陜西西安