試驗1：試驗平臺操作基礎

1、實驗1實驗平臺操作基礎1、實驗目的1） 了解實驗平臺的組成和各個模塊的原理和功能；2）熟悉實驗平臺的操作；3）預習接下來的四個實驗，熟悉實驗中的基本操作;4）準備其余實驗的記錄表格。2、實驗內(nèi)容1）認識實驗平臺上各個模塊；2） 觀察實驗2中PCM重建電壓的波形；3）觀察實驗3中ASK調(diào)制和解調(diào)的信號波形；4） 觀察實驗4中BPSK調(diào)制后的信號波形；5）觀察實驗5中的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。3、實驗原理實驗平臺組成此通信與網(wǎng)絡試驗平臺主要包含以下幾個部分：電源模塊、FPGA模塊、PCM模塊、PAM模塊、DDS模塊、BPSK傳輸模塊、ARM控制模塊和LCD顯示屏等，每部分的詳細內(nèi)容在下 面會有說明，試驗平

2、臺的板圖如下所示：現(xiàn)場可編程門陣列(FPGAFPGA采用Altera公司的Cyclone? IV E系列的EP4C75,包含7.5萬個邏輯單元、305個 M9K存儲器模塊、2,745Kbits存儲器總?cè)萘俊?00個18 x 18乘法器、4個PLL、426個最大用 戶 I/O。閃存(FLASHFlash采用EPCS64N芯片，用于 AS 下載程序后存儲程序，使FPGA芯片斷電重啟后能夠重新加載程序。另外，F(xiàn)LASH芯片還可以用編程器寫入固定數(shù)據(jù)，例如查找表格、語音信號 燈數(shù)據(jù)，這樣就可以用 FPGA控制讀功能，實現(xiàn)對固定存儲器的讀功能。直接數(shù)字頻率綜合(DDS直接數(shù)字頻率綜合(DDS)采用芯片

3、AD9850。直接數(shù)字頻率合成石一種由一個高穩(wěn)定度和準確度的標準參考頻率源，長生千百萬個具有同一頻率穩(wěn)定度和準確度的信號的技術(shù)，它具有模擬頻率合成器難以比擬的優(yōu)點，是簡化和改善頻率合成技術(shù)的有力工具。其主要優(yōu)點有：頻率轉(zhuǎn)換快：DDS頻率轉(zhuǎn)換時間段，一般在納秒級；分辨率高：大多數(shù) DDS可提供的頻率分辨率小于 1Hz,許多小于0.001Hz,有些甚至還要小，AD9850的頻率分辨率在125MHz的參考時鐘下，頻率分辨率為 0.0291Hz;合成范圍寬：AD9850可以產(chǎn)生0.03Hz至ij 62.5MHz的頻率輸出(參考時鐘為125MHz);信號純度高；可控制相位：DDS可方便地控制輸出信號的相

4、位，在頻率變換時也能保持相位連續(xù)，在所有的頻率合成技術(shù)中，這個特點是DDS所獨有的。應用AD9850的原理圖見圖 XXX 。GNDCLOCK INMASTER RFSFTFREQUENCY UPTIATF/ DATA REGISTERWORD LOAD CLOCKHJGH SPEEDDDS彳 32.BIT TUNING WORD、4 PHASE 、ANDCONTROLWORDSFREQUENCY/PHASEDATA REGISTERDATA INPUT REGISTERSERIALTI QAoj下PARALLELLOAD10-BIT DAC17COMPARATORAD9350DAC RSETA

5、NALOG OUTANALOG INCLUCK OU tCLOCK OUT1-BIT x 8-BIT5 x40 LOADS 5 LOADSFKtjUtMCY, FHAJMz, AND LUNIRULDATA INPUTAD9850共包含5字節(jié)(40bits)控制碼，它提供5bit的數(shù)控相位調(diào)制，能使輸出相位以、或是它們?nèi)我饨M合的增量改變；提供 32bit頻率控制字。AD9850的輸出頻率 ，參考時鐘CLKIN以及頻率控制字的關(guān)系滿足下式;其中頻率控制字為32bit控制字的值。AD9850的數(shù)據(jù)輸入模式分為兩種：并行輸入模式和穿行輸入模式。在并行輸入模式的情況下，模式控制碼為“ 00”，由數(shù)據(jù)輸

6、入端（D0D7）每次8bit 一次輸入頻率控制字。在串行輸入模式的情況下，*II式控制碼為“11”，由數(shù)據(jù)輸入端 D7每次1bit 一次輸入頻率控制字。因為AD9850的輸出時取樣信號，它的輸出頻譜遵循奈奎斯特抽樣定理，它的輸出頻譜應該包括基本脈沖諧波譜，所以 AD9850的輸出后會接低通濾波器，從而得到更好的正弦波。PC網(wǎng)解碼芯片PCM編解碼功能采用芯片 TP3070來實現(xiàn)。TP3070內(nèi)部的主要功能為實現(xiàn) PCM編解碼， 運用了先進的開關(guān)電容技術(shù)，在發(fā)送端進行帶通濾波處理，在接收端進行低通濾波處理。在PCM編碼方面可以選用 A律或律，并采用了彳統(tǒng)的穿行PCM接口，使主頻能夠達到 4.096

7、MHz。TP3070芯片內(nèi)部的主要功能電路框圖如下圖：IKTEftPACE LATCHES 十H一出15 il* U LI 111 鼻口其中待編碼信號從口輸入，經(jīng)過濾波電路之后，進入編碼模塊（ ENCODER）,之后從發(fā)送端（、）發(fā)送出去，在本實驗平臺中，其信息將接入到FPGA芯片中進行處理。與編碼模塊相對應的便是解碼模塊，從接口、輸入已經(jīng)編碼完成的 PCM信號處理存儲到寄存器（RX REGISTER ）中，進行濾波處理后從接口輸出。芯片中的其他主要接口分為以下幾個部分:、為數(shù)據(jù)發(fā)送、接收部分幀同步時隙信號BCLK MCLK為位時鐘(bit clock)信號及接收部分主時鐘信號；CCLK CQ

8、 CI為時鐘及芯片參數(shù)配置輸入接口；芯片TP3070正常工作前，需要進行工作參數(shù)設置，其中比較關(guān)鍵的幾個參數(shù)設置為：主時鐘(MCLK)工作頻率的選擇；A律或者 律的量化選擇；輸入、輸出信號幅度的量程；芯片內(nèi)部延時(Delayed Data Timing)和非延時(Non-Delayed Data Timing )的時序模式選擇。芯片TP3070的具體參數(shù)含義、參數(shù)輸入芯片的時序請從相應的Datasheet中查詢，芯片在實驗中的具體應用將在“ PCM編解碼實驗”中進行進一步的闡述。PAMW制芯片PAM調(diào)制功能采用芯片 MAX4575來實現(xiàn)，MAX4575芯片其內(nèi)部主要為兩通道的單刀單 擲開關(guān)組成

9、，開關(guān)都能處理正常的模擬輸入信號，適用于低失真音頻模擬信號。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框 圖如下圖所示：H01C0M1IN2GNDMAX4575V+IN1COM2N02SO/pMAXMAM4575LOGICSWITCH01OFF ONSWITCHES SHOWN FOR LOGIC U INPUT為了實現(xiàn)PAM調(diào)制，使用 MAX4575中的一個通道即可，從 COM1端口輸入一個頻率較 高的正弦波，從IN1端口收入一個編碼后的方波，通過方波控制開關(guān)電路實現(xiàn)正弦波信號是否 輸出，從而間接的實現(xiàn)了編碼后方波與正弦波的乘法操作。數(shù)模轉(zhuǎn)換(DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊采用 AD9709芯片來實現(xiàn)，芯片中擁有高速雙通道 8bit的

10、數(shù)模轉(zhuǎn)換器，尤其 在處理通信*II式中的I、Q兩路數(shù)據(jù)時進行了優(yōu)化， 接口處都配置有緩存區(qū)， 兩路的寫入信號和 時鐘控制信號都是分開的，芯片中的主要端口如下：DB7P1DB0P1: 8bit的1通道待轉(zhuǎn)化的數(shù)字信號；WRT1: 1通道的數(shù)據(jù)寫入信號；CLK1:分配給DAC的主時鐘信號。8bit的數(shù)字信號可以轉(zhuǎn)化為 256個不同幅度的模擬信號，雙通道的轉(zhuǎn)換可以適用于I、Q兩路通信，在使用芯片時，其關(guān)鍵信號的寫入時序如下圖所示：在數(shù)字彳t號（DATA IN ）輸入的有效時間（）內(nèi)，需要一個寫信號（WRT1 ）來使芯片采集數(shù)據(jù)，輸出信號（）比寫信號（WRT1 ）稍有延遲（），由時序圖不難發(fā)現(xiàn)，我們不

11、妨將WRT1與CLK1信號綁在一起方便實現(xiàn)。模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊采用 AD9288芯片來實現(xiàn)，芯片中擁有高速雙通道8bit的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，具有片上跟蹤和電路保持的功能，具有低成本、低功耗、體積小、易用性等優(yōu)點，尤其具有出色的 動態(tài)性能，能在100MSPS范圍能正常工作。8bit數(shù)字信號從FPGA輸入到數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片 AD9709轉(zhuǎn)換為模擬信號后，經(jīng)過傳輸回路， 回到模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 AD9288后再轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。調(diào)制器（Modulator ）調(diào)制器我們使用調(diào)制芯片 LTC5598來實現(xiàn)，LTC5598可以直接調(diào)制I/Q兩路信號，應用于 高性能的無線信號傳輸系統(tǒng)，例如點對點的微波鏈路、GSM、

12、EDGE、CDMA等。I/Q兩路基帶信號輸入經(jīng)過電壓 -電流轉(zhuǎn)換器后，進入混頻器，混頻器的輸出相加后，應用 一個緩沖區(qū)，轉(zhuǎn)換成差分混頻器信號輸出，其典型應用框圖如下：5MHz to 1600MHz Direct Conversion Transmitter Application在這個實驗平臺上，由FPGA輸出的8bit信號經(jīng)過DAC后就變成了模擬信號，模擬信號經(jīng)過濾波之后便進入調(diào)制器上變頻成射頻信號。解調(diào)器(Demodulator )與調(diào)制器相對應的便是解調(diào)器芯片LTC5584 ,它是直接轉(zhuǎn)換正交解調(diào)器，為高線性度接收機的應用進行了優(yōu)化，工作頻率從30MHz到1.4GHz。在通信接收機中，可

13、以將射頻信號直接轉(zhuǎn)換為帶寬為530MH或者更高的I/Q基帶信號。高線性度的LTC5584解調(diào)芯片為接收器提供了超大的動態(tài)工作范圍，不需要中頻信號處理及濾波操作，就能直接將射頻信號轉(zhuǎn)換到基帶信號，其典型應用框圖如下：Direct Conversiah Receiver wilh IIP? anr DC Olfsel Calibrahon微控制器(NXP_ARM這個實驗平臺上的微控制器選擇了NXP公司推出的基于 ARM內(nèi)核的LPC1778芯片，操作頻率可達100MHz以上，外設組件包含高達 512KB的flash存儲器、64KB的數(shù)據(jù)存儲器、以 太網(wǎng)MAC、USB主機/從機/OTG接口、8通道DM

14、A控制器、4個UART、2條CAN通道、2 個SSP控制器、SPI接口、3個IIC接口、2輸入和2輸出的IIS接口、8通道的12位ADC、10 位DAC、電機控制PWM、正交編碼器接口、 4個通用定時器、6輸出的通用PWM、帶有獨立 電池供電的超低功耗 RTC和多大70個的通用IO管腳。在這個實驗平臺中，我們主要使用微控制器來實現(xiàn)以下幾個主要功能：按鍵：輸入操作者輸入的指令到微控制器進行處理；液晶顯示屏：通過微控制器來控制液晶顯示屏顯示菜單、選項等；I2C總線：傳輸微控制器的信號至FPGA進行參數(shù)設置；各種接口：微控制器控制著包括USR光纖、UART、網(wǎng)口等輸入接口。在實驗過程中，我們通過按鍵

15、來控制微控制器，進行實驗的選擇，微控制器通過I2C總線對FPGA硬件程序進行相應的參數(shù)設置，隨后 FPGA輸出相應的信號，啟動周邊的各種功能芯 片進行工作，我們便可以通過示波器、LED燈等觀測到相應的實驗現(xiàn)象。撥碼開關(guān)（共16位）、晶體振蕩器和二極管顯示等的附屬部分實驗平臺上共有16位撥碼開關(guān)，撥碼開關(guān)都與 FPGA芯片相連，便于產(chǎn)生用戶需要的手動 控制信號，如使得 FPGA工作復位的RESET信號等。晶體振蕩器主要用于原始時鐘的產(chǎn)生， 實驗平臺上采用了 60.8MHz的晶振，直接接入FPGA 芯片內(nèi)，F(xiàn)PGA芯片進行時鐘分頻后產(chǎn)生各種所需的時鐘頻率， 比如給DDS的參考時鐘、給PCM 的MC

16、LK時鐘、給 DAC和ADC的寫時鐘等。二極管的顯示部分主要用于顯示某些數(shù)據(jù)的處理結(jié)果。例如，在做 BPSK調(diào)制實驗時，通 過兩排二極管等來看（8,4）漢明碼的發(fā)送和接收情況作對比，一目了然。4.實驗操作流程預習實驗二通讀實驗二指導書通過單片機在根目錄中進入PCM Set在PCM Switch中將PCM控制置于 ON狀態(tài)在PCM頻率選擇1kHz退出至根目錄，進入 Digital Rheostat,調(diào)整 Signal AMP control 至 32將示波器探針與PCM Regain端口連接，在示波器上檢測并記錄正弦波的頻率和峰峰值。預習實驗三1）通讀實驗三指導書2）在單片機目錄下進入 PAM Set （OOK調(diào)制實驗）；3）在PAM Switch子目錄下將實驗開關(guān)置于 ON（OOK模塊開始工作）；4） 在PAM CARRYER FREQ錄下中1k的正弦載波頻率；5）使用示波器的雙通道同時觀察FPGA產(chǎn)生的調(diào)制信號（TP46）和最終解調(diào)輸出的信號（TP1）,比較二者的差別；預習實驗四1）通讀實驗四指導書2）啟動實驗平臺，通過LCD顯示屏進行操作，在BPSK SWITCH單下選擇 ON來啟動BPSK 模式；3）進入BPSK MOD睞單，選擇隨機序列發(fā)送模式（random模式）；4）使用示波器檢測 TP50 （RF OUT管腳觀察調(diào)制后的信號，找到