现场可编程门阵列（FPGA）芯片在许多领域有着广泛的应用，特别是在通信领域，由于具有极强的实时性和并行处理能力，在通信电路设计和通信产品创新中发挥着重要作用。我国很多高等院校通信专业均开设了《可编程逻辑器件及应用》或类似名称的FPGA设计与实践课程。从课程体系的顶层设计上看，在通信专业开设FPGA课程，本应具有将FPGA应用于通信工程系统设计的教学理念和教学目标。但就我校通信专业课程安排体系上看，目前能开设的FPGA实验仅仅包括组合逻辑和时序逻辑电路的HDL设计，可以看作是数字电路的FPGA升级版，与通信原理[1]等专业课缺少横向贯通，致使现有的FPGA课程实验缺乏工程应用的深度。因此，有必要进行FPGA课程实验内容创新，以期深化新工科实验改革。
一、数字通信系统全流程结构与FPGA的紧密关系
数字通信涉及信号从信源经过信道再到信宿的全流程各个环节，通常包括信源编译码、信道编译码、调制解调等主要环节，有时还需要经过数据加密和解密环节。选用FPGA作为数字通信首选芯片，一个原因是来自高速并行数据处理的实际需求，另一个原因是FPGA具有在线可编程特性，这对于板级系统功能的在线升级特别方便。
二、面向数字通信系统全流程结构的FPGA课程实验内容创新设计
为了拓展学生应用FPGA解决通信领域复杂工程问题的能力，经我校实验改革计划立项，在现有FPGA组合逻辑和时序逻辑电路设计的基础上，新增一批面向数字通信系统全流程结构的FPGA实验内容创新设计项目，具体包括以下7个方面。
1.基于FPGA的信源编译码器设计与实现。通信系统信源编码有两个基本功能：针对模拟信号的数字化和针对数字信号的压缩编码。模拟信号的数字化需要AD转换器件，在FPGA实验板上通常都有配置，同时AD转换实验在前导课（如数电或电子系统设计）中都已涉及，无须增加。因此，信源编码FPGA实验主要围绕数字信号的压缩与解压缩算法展开。鉴于通信原理[1]课程主要讲授数据压缩的基本原理，本项目侧重于霍夫曼编码的FPGA设计与实现。下一步将根据实验条件的改善，增加语音信号和数字图像信号的压缩编码算法的FPGA设计实验。
2.基于FPGA的信道编译码器设计与实现。信道编码主要目的是消除或降低信息传输错误概率，主要涉及分组码和卷积码两类。现代通信其他信道编码技术大多是在分组码和卷积码的基础上构建而成的。因此，为了配合通信原理课程内容，信道编译码FPGA实验项目包括：线性分组码的实现、RS码的实现、卷积码的实现等。下一步将增加Turbo码和LDPC码的FPGA实现。
3.基于FPGA的基带信号常用码型设计与实现。在传输距离短的有线信道中，基带信号可以直接进行传输。但在实际的基带传输系统中，并不是所有的基带波形都适合在信道中传输。由于码型编码器输出波形通常是矩形脉冲，其频谱很宽，容易引起码间串扰现象。为了压缩码型信号频带，通常用半升余弦滚降滤波算法对传输码进行信号处理。本项目将上述码型设计和半升余弦滚降滤波算法结合起来，形成基带信号常用码型FPGA设计方案。
4.基于FPGA的带通信号调制解调器的设计与实现。调制的目的是把基带信号变换成适合信道传输的信号，解调是调制的反变换。常见的调制实现方式是用基带信号控制正弦或余弦载波的振幅、频率或相位，使之随着基带信号的变换而变化。鉴于通信原理课程主要讲授二进制数字调制原理，本项目在调制解调器FPGA实验设计上选择2ASK、2DPSK、QAM、OFDM等算法。
5.基于FPGA的典型数据加解密算法设计与实现。随着网络安全问题日益凸显，数据加密成为重要的技术手段。数据加密标准（DES）[2]是一种对称的“块加密”，至今已成为工业界的标准密码算法，广泛应用于卫星通信、网关服务器、视频传输等方面。利用FPGA实现DES加密算法是当前主流技术手段。本项目在FPGA课程实验内容中引入DES加密算法的实现，一方面是构成数字通信系统全流程的需要，另一方面是锻炼学生提高对数据安全技术能力的需要。
三、FPGA课程实验内容实施过程
我校通信专业将FPGA课程划归在基础工具类课程内，只有32学时，其中16学时为课堂教学，16学时为实验设计。本项目改革目标着眼于提高学生运用FPGA设计工具解决通信系统复杂工程问题的能力，在实验项目设计上采用“系统论”的方法，即构建从数据发送方经信道再到数据接收方的信息全通道。根据信息全通道中涉及的环节多少，分成4个实验层次（如图）。为了说明方便，将前述的不同实验内容组合在一个FPGA内的实验板分别称为A、B、C、D、E、F板。
FPGA课程实验内容实施过程分为四个层次
第一层次由单块FPGA实验板组成，信息流过程为：简单数字信号（或伪随机序列码）经FPGA信道编码模块编码后，从输出端口用导线传输到本机的输入端口，再经信道解码模块解码后，用示波器对发送信号和接收信号进行比较观察。
第二层次由两块FPGA实验板A和B组成，信息流过程为：伪随机序列码经A板的FPGA信道编码模块和码型变换模块后，由DA转换器件变成模拟信号输出，用导线传输到B板的AD转换器件重新变成数字信号，再由B板的FPGA码型变换模块和信道解码模块解码后，用示波器对发送信号波形、中间的码型变换波形、接收信号波形进行比较观察。
第三层次由两块FPGA实验板C和D组成，信息流过程为：伪随机序列码经C板的FPGA信道编码模块编码、码型变换模块和带通调制模块后，由DA转换器件变成模拟信号输出，用导线传输到D板的AD转换器件重新变成数字信号，再由D板的FPGA带通解调模块、码型变换模块、信道解码模块解码后，用示波器对发送波形、调制信号波形、接收信号波形进行比较观察。
第四层次由4块FPGA实验板E、C、D、F组成，信息流过程为：PC机生成原始数据（字符、音频或图像块）经串行口输入到E板的FPGA信源编码模块进行数据压缩，再通过加密模块对数据进行加密后，用导线传输到C板的FPGA输入端口，再按照第三层次介绍的方式经过一系列数据变换后，从D板输出端口用导线传输到F板的FPGA解密模块对数据进行解密，再通过F板的解压缩模块恢复成原始数据，最后通过F板的串行口传输到PC上进行数据表达（字符显示、声音播放或图像显示）。
四、结束语
本项目经过一年多时间的精心设计，并在通信16级《可编程逻辑器件及应用》课程后的通信系统大型实验中试点实施了全部四个层次的实验内容，并在通信17级的FPGA课程实验中正式实施。结果表明，通信16级学生在经过本项目面向工程应用的FPGA实验项目实践后，相比原先没有工程应用导向的《可编程逻辑器件及应用》课程实验，不仅在FPGA设计编程能力，而且在对通信原理的理解上都有了很大提高。在通信17级的FPGA课程实验中进行的实施过程，虽然在难度上提高了不少，但绝大多数学生都能坚持下来，收获满满，达到了本项目预期效果。
[1]樊昌信,曹丽娜.通信原理[J].北京:国防工业出版社,2017.
[2]赵彩,丁凰.网络信息安全中DES数据加密技术研究[J].计算机测量与控制,2017,25(8):241-243,247.
现场可编程门阵列（FPGA）芯片在许多领域有着广泛的应用，特别是在通信领域，由于具有极强的实时性和并行处理能力，在通信电路设计和通信产品创新中发挥着重要作用。我国很多高等院校通信专业均开设了《可编程逻辑器件及应用》或类似名称的FPGA设计与实践课程。从课程体系的顶层设计上看，在通信专业开设FPGA课程，本应具有将FPGA应用于通信工程系统设计的教学理念和教学目标。但就我校通信专业课程安排体系上看，目前能开设的FPGA实验仅仅包括组合逻辑和时序逻辑电路的HDL设计，可以看作是数字电路的FPGA升级版，与通信原理[1]等专业课缺少横向贯通，致使现有的FPGA课程实验缺乏工程应用的深度。因此，有必要进行FPGA课程实验内容创新，以期深化新工科实验改革。一、数字通信系统全流程结构与FPGA的紧密关系数字通信涉及信号从信源经过信道再到信宿的全流程各个环节，通常包括信源编译码、信道编译码、调制解调等主要环节，有时还需要经过数据加密和解密环节。选用FPGA作为数字通信首选芯片，一个原因是来自高速并行数据处理的实际需求，另一个原因是FPGA具有在线可编程特性，这对于板级系统功能的在线升级特别方便。二、面向数字通信系统全流程结构的FPGA课程实验内容创新设计为了拓展学生应用FPGA解决通信领域复杂工程问题的能力，经我校实验改革计划立项，在现有FPGA组合逻辑和时序逻辑电路设计的基础上，新增一批面向数字通信系统全流程结构的FPGA实验内容创新设计项目，具体包括以下7个方面。1.基于FPGA的信源编译码器设计与实现。通信系统信源编码有两个基本功能：针对模拟信号的数字化和针对数字信号的压缩编码。模拟信号的数字化需要AD转换器件，在FPGA实验板上通常都有配置，同时AD转换实验在前导课（如数电或电子系统设计）中都已涉及，无须增加。因此，信源编码FPGA实验主要围绕数字信号的压缩与解压缩算法展开。鉴于通信原理[1]课程主要讲授数据压缩的基本原理，本项目侧重于霍夫曼编码的FPGA设计与实现。下一步将根据实验条件的改善，增加语音信号和数字图像信号的压缩编码算法的FPGA设计实验。2.基于FPGA的信道编译码器设计与实现。信道编码主要目的是消除或降低信息传输错误概率，主要涉及分组码和卷积码两类。现代通信其他信道编码技术大多是在分组码和卷积码的基础上构建而成的。因此，为了配合通信原理课程内容，信道编译码FPGA实验项目包括：线性分组码的实现、RS码的实现、卷积码的实现等。下一步将增加Turbo码和LDPC码的FPGA实现。3.基于FPGA的基带信号常用码型设计与实现。在传输距离短的有线信道中，基带信号可以直接进行传输。但在实际的基带传输系统中，并不是所有的基带波形都适合在信道中传输。由于码型编码器输出波形通常是矩形脉冲，其频谱很宽，容易引起码间串扰现象。为了压缩码型信号频带，通常用半升余弦滚降滤波算法对传输码进行信号处理。本项目将上述码型设计和半升余弦滚降滤波算法结合起来，形成基带信号常用码型FPGA设计方案。4.基于FPGA的带通信号调制解调器的设计与实现。调制的目的是把基带信号变换成适合信道传输的信号，解调是调制的反变换。常见的调制实现方式是用基带信号控制正弦或余弦载波的振幅、频率或相位，使之随着基带信号的变换而变化。鉴于通信原理课程主要讲授二进制数字调制原理，本项目在调制解调器FPGA实验设计上选择2ASK、2DPSK、QAM、OFDM等算法。5.基于FPGA的典型数据加解密算法设计与实现。随着网络安全问题日益凸显，数据加密成为重要的技术手段。数据加密标准（DES）[2]是一种对称的“块加密”，至今已成为工业界的标准密码算法，广泛应用于卫星通信、网关服务器、视频传输等方面。利用FPGA实现DES加密算法是当前主流技术手段。本项目在FPGA课程实验内容中引入DES加密算法的实现，一方面是构成数字通信系统全流程的需要，另一方面是锻炼学生提高对数据安全技术能力的需要。三、FPGA课程实验内容实施过程我校通信专业将FPGA课程划归在基础工具类课程内，只有32学时，其中16学时为课堂教学，16学时为实验设计。本项目改革目标着眼于提高学生运用FPGA设计工具解决通信系统复杂工程问题的能力，在实验项目设计上采用“系统论”的方法，即构建从数据发送方经信道再到数据接收方的信息全通道。根据信息全通道中涉及的环节多少，分成4个实验层次（如图）。为了说明方便，将前述的不同实验内容组合在一个FPGA内的实验板分别称为A、B、C、D、E、F板。FPGA课程实验内容实施过程分为四个层次第一层次由单块FPGA实验板组成，信息流过程为：简单数字信号（或伪随机序列码）经FPGA信道编码模块编码后，从输出端口用导线传输到本机的输入端口，再经信道解码模块解码后，用示波器对发送信号和接收信号进行比较观察。第二层次由两块FPGA实验板A和B组成，信息流过程为：伪随机序列码经A板的FPGA信道编码模块和码型变换模块后，由DA转换器件变成模拟信号输出，用导线传输到B板的AD转换器件重新变成数字信号，再由B板的FPGA码型变换模块和信道解码模块解码后，用示波器对发送信号波形、中间的码型变换波形、接收信号波形进行比较观察。第三层次由两块FPGA实验板C和D组成，信息流过程为：伪随机序列码经C板的FPGA信道编码模块编码、码型变换模块和带通调制模块后，由DA转换器件变成模拟信号输出，用导线传输到D板的AD转换器件重新变成数字信号，再由D板的FPGA带通解调模块、码型变换模块、信道解码模块解码后，用示波器对发送波形、调制信号波形、接收信号波形进行比较观察。第四层次由4块FPGA实验板E、C、D、F组成，信息流过程为：PC机生成原始数据（字符、音频或图像块）经串行口输入到E板的FPGA信源编码模块进行数据压缩，再通过加密模块对数据进行加密后，用导线传输到C板的FPGA输入端口，再按照第三层次介绍的方式经过一系列数据变换后，从D板输出端口用导线传输到F板的FPGA解密模块对数据进行解密，再通过F板的解压缩模块恢复成原始数据，最后通过F板的串行口传输到PC上进行数据表达（字符显示、声音播放或图像显示）。四、结束语本项目经过一年多时间的精心设计，并在通信16级《可编程逻辑器件及应用》课程后的通信系统大型实验中试点实施了全部四个层次的实验内容，并在通信17级的FPGA课程实验中正式实施。结果表明，通信16级学生在经过本项目面向工程应用的FPGA实验项目实践后，相比原先没有工程应用导向的《可编程逻辑器件及应用》课程实验，不仅在FPGA设计编程能力，而且在对通信原理的理解上都有了很大提高。在通信17级的FPGA课程实验中进行的实施过程，虽然在难度上提高了不少，但绝大多数学生都能坚持下来，收获满满，达到了本项目预期效果。参考文献：[1]樊昌信,曹丽娜.通信原理[J].北京:国防工业出版社,2017.[2]赵彩,丁凰.网络信息安全中DES数据加密技术研究[J].计算机测量与控制,2017,25(8):241-243,247.
文章来源：数字通信 网址: http://sztx.400nongye.com/lunwen/itemid-9335.shtml
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