一种开放式通信原理实验平台

摘要

本发明公开了一种开放式通信原理实验平台，该实验平台包括多个通信原理实验模块、电源和信号变频模块，信号变频模块设置有晶振、控制信号接口和ALTERA公司的CPLD可编程器件EPM7064，控制信号接口可以直接连接控制计算机，也可以将信号变频功能的程序代码从控制计算机中下载到CPLD可编程器件EPM7064中，对输入端实验模块信号进行变频，得到输出端实验模块所需求的频率信号，信号变频模块的使用，使通信原理综合实验时各个实验模块之间的频率、码速率相互匹配，CPLD可编程器件的灵活应用，改变了传统的实验教学模式，有利于学生更好地掌握通信系统的组成、工作原理及性能特点，并融会贯通。

说明书

技术领域

本发明涉及一种实验平台，尤其是涉及一种开放式通信原理实验平台。

背景技术

通信原理是一门理论性强、内容比较抽象的课程，为此设置了通信原理实验课以帮助学生感性认识所学的理论知识。目前国内市场上提供的几种通信原理实验箱的基本构成大同小异，结构如下：实验箱安装有若干块可拆卸的实验模块，这些模块相互组合可构成与相关理论知识点一一对应的独立单元实验，如PCM（脉冲编码调制）实验、PAM（脉冲振幅调制）实验、码型变换实验等，厂家为了节省制造成本，各个单元实验模块之间输入输出信号的频率、码速率不完全相同，即上一模块的输出信号频率和下一模块所需的输入信号频率不相同，相互之间不能匹配兼容，所以无法进行模拟实际通信完整过程的实验。

传统的通信系统由数字通信系统和模拟通信系统两种。其中，点对点数字通信系统模型如图 1 所示。 图1中，信源为数字信号。加密器用来保证信息安全，本实验未涉及。数字信号经过HDB3（三阶高密度双极性码）编码，送至调制器中，通过FSK（频移键控）或PSK（相移键控）调制送入信道传输，再按照逆过程将信号完整接受。在通信原理实验课中，上述各部分都是独立进行的，各模块之间都存在频率不匹配的问题。模拟信号数字化传输通信系统如图2所示。图2中，信源为模拟信号，故要先经过PAM、PCM模块，抽样、量化、编码之后转化成数字信号，再送入数字通信系统进行传输。这里的PAM、PCM模块与其后的传输模块同样存在频率不匹配的问题。

由于各个单元实验模块之间存在的频率不匹配问题，学生对通信全过程缺少了解，只能零散的理解各个知识点，掌握的知识比较凌乱，缺少系统性和完整性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种设置有信号变频模块，能对各实验模块输出的信号进行频率变换以使其与下一个独立单元实验所需频率、码速率相匹配，达到将各个独立单元实验模块按实际通信全过程串接起来完成一个完整的通信系统综合实验的开放式通信原理实验平台。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种开放式通信原理实验平台，包括多个通信原理实验模块、电源和信号变频模块，所述的信号变频模块与所述的电源连接，所述的信号变频模块设置有控制信号接口及多个实验模块接口，所述的实验模块接口分别与所述的通信原理实验模块连接。

所述的通信原理实验模块包括模拟信号源实验模块、多种调制解调实验模块、多种编译码实验模块、码型变换实验模块、数字时分交换实验模块、同步实验模块、低频滤波实验模块、眼图观察实验模块和音频放大实验模块。

所述的多种调制解调实验模块包括FSK调制实验模块和FSK解调实验模块，所述的多种编译码实验模块包括 PCM编码实验模块、PCM译码实验模块、HDB3编码实验模块和HDB3译码实验模块。

所述的信号变频模块设置有晶振，用来产生16.384MHz系统主时钟。

所述的控制信号接口用来下载实现变频功能的代码。

所述的控制信号接口连接有控制计算机。

所述的信号变频模块设置有CPLD可编程器件，所述的CPLD可编程器件选用ALTERA公司的CPLD可编程器件EPM7064。

所述的CPLD可编程器件EPM7064设置有32个I/O口，用来输入各实验模块所需改变频率的信号和输出各实验模块所需频率的信号。

与现有技术相比，本发明的优点在于：开放式通信原理实验平台中设置的信号变频模块，能够按照实验要求对各实验模块的输出的信号进行频率变换，使实验中的各个独立的实验模块之间的频率、码速率相互匹配；CPLD可编程器件的灵活应用，提高了实验箱的利用率，改变了传统的实验教学模式，提供了全新的实验思维方式，有利于开发学生的创新能力，丰富了实验内容，使自主实验的选择性、灵活性更强，有利于学生更好地掌握通信系统的组成、工作原理及性能特点，并融会贯通。

实验操作时，对所述的CPLD可编程器件EPM7064的I/O口根据实验需要进行输入、输出口的分配，分配若干个一一对应的输入、输出口，将上一个需要改变信号频率的实验模块的信号输出口与所述的信号变频模块中的输入口进行电连接，将所述的信号变频模块的对应输出口与下一实验模块的信号输入口进行电连接，根据连接的关系，用VHDL语言在控制计算机Quartus II软件平台上编写能实现变频功能的代码，将其通过控制信号接口下载到CPLD可编程器件EPM7064中实现信号变频模块的功能。

实验操作时，在上述操作分配输入、输出口的基础上，将至少一个需要改变信号频率的实验模块的信号输出口与所述的信号变频模块中的对应输入口分别进行电连接，将所述的信号变频模块的对应输出口与至少一个下一实验模块的信号输入口进行电连接，根据连接的关系，用VHDL语言在控制计算机Quartus II软件平台上编写能实现变频功能的代码，所述的控制信号接口直接与所述的控制计算机相连，可将实现变频功能的代码下载到CPLD可编程器件EPM7064中，实现一组以上实验模块对应的输入、输出口的变频功能，并且可以直接在控制计算机上修改实现变频功能的代码，操作方便。

附图说明

图1为数字通信系统模型示意图。

图2为模拟通信系统模型示意图。

图3为本发明信号变频模块示意图。

图4为本发明信号变频模块中CPLD可编程器件EPM7064管脚排列图。

图5为本发明实现变频功能时Quartus II软件平台中的锁相环模块。

图6为本发明典型数字频带传输系统框图。

图7为本发明典型数字基带传输系统框图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图3所示，在信号变频模块8上设置有CPLD可编程器件EPM7064 13，CPLD可编程器件EPM7064 13共有44个引脚，其中有32个通用I/O口引脚，这些I/O口引脚作为CPLD可编程器件EPM7064 13的多个实验模块接口分别与各实验模块连接，GAND10、GAND22、GAND30、GAND42为接地引脚，VCC3、VCC15、VCC23、VCC35为接电源引脚，IO/TDO38、IO/TDI7、IO/TCK32、IO/TMS13为相应的测试引脚，也可以作为通用I/O口引脚使用。信号变频模块8设置有晶振11，用来产生16.384MHz的系统主时钟，晶振11通过INPUT/GCLK1 43引脚输入到CPLD可编程器件EPM7064 13中，晶振11配合CPLD可编程器件EPM7064 13工作，CPLD可编程器件EPM7064 13产生的各实验模块所需要的各种时钟信号和数字信号均与晶振11产生的系统主时钟同步，需改变频率的信号通过指定的通用I/O口引脚输入到CPLD可编程器件EPM7064 13中，信号变频模块8实现信号变频功能的程序代码可以通过控制信号接口16下载到CPLD可编程器件EPM7064 13芯片中，然后通过指定的通用I/O口引脚输出变频后的信号。

图4所示为CPLD可编程器件EPM7064 13的芯片引脚图。该芯片有44个引脚，各路信号可通过I/O引脚输入输出。在该芯片中，可采用VHDL语言编写分频及倍频程序，以达到变频的目的。

分频功能实现如下：假设I/O引脚5输入2KHz的方波信号，I/O引脚6输出所需要的方波信号。设置一个信号变量a，每当脉冲上升沿到来时，该变量自增一，另再设一信号变量b，若进行2分频，则当变量a加到1时，变量b取反，变量a清零，此时I/O引脚6可输出1KHz方波；若进行4分频，则当变量a加到2时，变量b取反，变量a清零，此时I/O引脚6可输出250Hz方波；依次类推。

倍频功能实现如下：这里主要用到了Quartus II软件平台中的锁相环模块，如下图3。Inclk0代表输入信号；Ratio可自行设置，但需为整数，通俗来讲，这是对输入信号的放大倍数；C0为输出信号。假设Inclk0为50MHz,Ratio为4，C0即为4*50MHz=200 MHz,也就是进行了4倍频。锁相环模块可用来提高输入信号频率，达到倍频目的。Inclk0、C0可配置到I/O引脚，即可完成倍频功能。

对于图6的PCM编码实验模块2，输出信号频率为2.048MHz，下一个FSK调制实验模块3所需频率为2KHz，可对2.048MHz的PCM编码实验模块2输出信号进行分频，分频系数为1024，即可得到所需的信号频率。又如FSK解调实验模块4,输出信号频率为2KHz，下一个PCM译码实验模块5所需频率为2.048MHz，则可以对FSK解调实验模块4的输出信号进行倍频，倍频系数为1024，即可得到2.048MHz的PCM译码实验模块5的输入信号。同样，对于图7的几个实验模块，也可采用上述倍频分频方法来实现。

图6、图7中各实验模块均为南京润众公司生产的RZ8631型实验箱中的实验模块单元。

如图6所示，为一个典型数字频带传输系统，图中模拟信号源实验模块1；PCM编码实验模块2；FSK调制实验模块3；FSK解调实验模块4；PCM译码实验模块5；低频滤波实验模块6；音频放大实验模块7；信号变频模块8；噪声源 9；同步实验模块10。其中，信号变频模块8为核心模块。传输系统工作时，模拟信号源实验模块1通过P703接口向PCM编码实验模块2输入模拟语音信号进行编码调制，DX接口输出频率为2.048MHz的传输信号，将DX接口与信号变频模块8的I/O24引脚进行电连接，即将2.048MHz的信号输入信号变频模块8进行分频，将I/O25引脚与FSK调制实验模块3的2P01接口进行电连接，将变频过后频率为2KHz的信号输入FSK调制实验模块3进行调制，调制过后的信号频率为2KHz，将2P06接口与3P01接口进行电连接结合噪声源9来模拟通信信道，将2KHz的信号送入FSK解调实验模块4进行解调，3P02接口输出解调后的信号频率为2KHz，将3P02接口与信号变频模块8的I/O26引脚进行电连接，即将2KHz的信号输入信号变频模块8进行倍频，将I/O27引脚与PCM译码实验模块5的DR接口进行电连接，将变频过后频率为2.048MHz的信号输入PCM译码实验模块5进行译码处理，译码后的信号经过VFRO接口输出，将PCM译码实验模块5的VFRO接口与低频滤波实验模块6的P603接口进行电连接，信号送入低频滤波实验模块6进行滤波处理，将低频滤波实验模块6的P604接口与音频放大实验模块7的SIN接口进行电连接，将信号送入音频放大实验模块7进行功率放大处理，最后通过音频放大实验模块7的SOUT接口与喇叭连接输出语音信号。

如图7所示，为一个典型数字基带传输系统，图中模拟信号源实验模块1；PCM编码实验模块2；HDB3编码实验模块14；HDB3译码实验模块15；PCM译码实验模块5；低频滤波实验模块6；音频放大实验模块7；信号变频模块8；噪声源9；同步实验模块10。其中，信号变频模块8为核心模块。传输系统工作时，模拟信号源实验模块1通过P703接口向PCM编码实验模块2输入模拟语音信号进行编码调制，DX接口输出频率为2.048MHz的传输信号，将DX接口与信号变频模块8的I/O28引脚进行电连接，即将2.048MHz的信号输入信号变频模块8进行分频，将I/O29引脚与HDB3编码实验模块14的P301接口进行电连接，将变频过后频率为32KHz的信号输入HDB3编码实验模块14进行编码，编码过后的信号频率为32KHz，将P302接口与P305接口进行电连接结合噪声源9来模拟通信信道，将32KHz的信号送入HDB3译码实验模块15进行译码处理，P306接口输出译码后的信号频率为32KHz，将P306接口与信号变频模块8的I/O31引脚进行电连接，即将32KHz的信号输入信号变频模块8进行倍频，将I/O33引脚与PCM译码实验模块5的DR接口进行电连接，将变频过后频率为2.048MHz的信号输入PCM译码实验模块5进行译码处理，译码后的信号经过VFRO接口输出，将PCM译码实验模块5的VFRO接口与低频滤波实验模块6的P603接口进行电连接，信号送入低频滤波实验模块6进行滤波处理，将低频滤波实验模块6的P604接口与音频放大实验模块7的SIN接口进行电连接，将信号送入音频放大实验模块7进行功率放大处理，最后通过音频放大实验模块7的SOUT接口与喇叭连接输出语音信号。

本发明的实施例不局限于上述两种，还可以是码型变换实验模块、数字时分交换实验模块和眼图观察实验模块等实验模块与其它各实验模块之间组成的综合通信原理实验，其变频功能的实现原理与上述的实施例相同。