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摘要：本文阐述了软件资源在电子实验室建设中的作用，结论显示，顺应软件无线电潮流，合理配置实验室的软/硬件设备，可以最大程度扩展实验范围，深化实验内容，有利于发挥学生创造性，进行较大规模的系统仿真。
关键词：实验室建设 仿真 正交频分复用
随着软件无线电技术的发展，电子系统软、硬件之间的协调使用引起了更多的关注，人们注意到，较之于模拟器件，数字化设备时效性和费效比更高，而且可靠性也可以得到保证。在高等院校的实验室建设中，主要途径是购买实验箱，由于条件限制，不可能购买全套实验设备，这就给一些课程设置带来了局限性。
为此本文探讨了如何合理配置软件资源，借助于微机的软件仿真功能，协同数字化的实验设备，搭建起学科实验系统。第二部分介绍了总体思路，即实验室软/硬件资源的分配；第三部分以一个实际的通信系统为例，介绍了这种资源配置的优势和实验效果；第四部分是结论。
软件资源应用模型。微机的普及和推广，使很多工作都可以通过仿真来完成，仿真的好处在于使设计者从繁琐的硬件调试中解脱出来，只专注于系统设计的总体思路和算法，而且花费的代价小，易于修改。一般通过仿真验证的原型，都可以很方便的用硬件实现，少走很多弯路。
在《通信原理》这门课程的实验中，我们利用购置的实验箱、示波器等硬件，结合现有的软件，搭建起一整套的通信原理仿真平台。学员可以通过这个平台了解到通信原理的各个方面，具体生动，所需要的额外设备只是一台微机。
下面就以一个典型的通信仿真系统为例，说明软硬件是如何协同工作的。这里我们使用到的软件包括MathWorks公司的MATLAB，这是一种面向科学与工程计算的高级（语言）软件，它集科学计算、自动控制、信号处理、神经网络、图像处理等于一体，具有极高的编程效率，以及ALTERA公司的CPLD、FPGA设计及仿真软件MAX+PLUSII；至于实验箱上的单片机调试，使用Keil软件。图1给出了系统示意图（没有画出单片机仿真器）。
图1 通信仿真系统软/硬件资源示意图
图中的RS232接口用来实现计算机和实验箱之间的数据交流，也可以由Matlab控制，来向实验箱输出数据；CPLD下载接口用于MAX+PLUSII将编写好的软件烧写进CPLD芯片；而单片机调试接口实现了在微机上实时调整程序，控制单片机的工作。示波器通道A连接实验箱，用来观察数据，而通道B和微机连接，Matlab可以通过交互式程序来和数字示波器通信。
软硬件结合的实际应用。这里以一个最简单的正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing ，OFDM）系统的仿真为例[1]，来说明本文提出的软硬件结合的实验系统的有效性。OFDM的思想是把一个高速传输的数据流经串并转换分解成许多低速率的子数据流，以并行方式在多个正交子信道上传输。这样，在每个子信道上，符号持续时间比信道的最大延迟大，从而可消除多径时延引起的符号间干扰（ISI, InterSymbol Interference）。而且各子载波间的正交性允许子信道的频谱相互重叠，最大限度的利用了频谱资源。OFDM系统示意如下图所示：
图2 OFDM的系统框图
图中的左/右虚线框内的运算，分别等效为IFFT/FFT，具体原理以及OFDM信号的数学形式可参考相关的资料[2]。
进入该系统的串行比特数据，可以是CPLD产生的伪噪声序列，具有较强的随机性，可以充当信息数据。随后该数据被送往单片机进行卷积编码，以防止由于信道状况的恶劣导致误码。
图2中所示的IDFT/DFT运算可以通过多种方法实现，单片机、CPLD或者Matlab软件均可，为了提高系统运行速度，我们采用Opencores开源组织的FFT软核烧写进CPLD[3]。对于信道的仿真同样也有多种选择，这取决于实验者的目的，如果为了验证系统，就使用CPLD产生数字噪声，模拟加性高斯白噪声（AWGN）信道。如果为了研究OFDM中信道估计算法的有效性，可以通过RS232接口将Matlab产生的多径衰落信道数据传输到实验箱，从而完成数据加扰。其中的D/A运算在实验箱上完成；误码率的测试使用了Matlab自带的Simulink工具箱[4]。该系统的运行流程可以表示如下：
图3 OFDM实验室系统的信号流程
本文给出了实验室软件和硬件协作的实例，通过我们的仿真试验证明，这种方案是有效可靠的，可以在很大程度上扩展实验范围，深化实验内容，在费用和效果之间找到最佳的平衡点。而且软件具有修改方便、维护和维修费用低等特点。这种灵活的实验环境，也有利于学生进行自主开发，充分发挥创造性。
参考文献：
[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设计及应用[M.西安电子科技大学出版社,2002.
[4]尹泽明,丁春利等.精通MATLAB6[M].清华大学出版社,2002.6.
作者单位：王 峰、杨 凯、唐红，空军工程大学工程学院陕西西安
王 佳，陕西师范大学陕西西安
关键词：实验室建设 仿真 正交频分复用
随着软件无线电技术的发展，电子系统软、硬件之间的协调使用引起了更多的关注，人们注意到，较之于模拟器件，数字化设备时效性和费效比更高，而且可靠性也可以得到保证。在高等院校的实验室建设中，主要途径是购买实验箱，由于条件限制，不可能购买全套实验设备，这就给一些课程设置带来了局限性。
为此本文探讨了如何合理配置软件资源，借助于微机的软件仿真功能，协同数字化的实验设备，搭建起学科实验系统。第二部分介绍了总体思路，即实验室软/硬件资源的分配；第三部分以一个实际的通信系统为例，介绍了这种资源配置的优势和实验效果；第四部分是结论。
软件资源应用模型。微机的普及和推广，使很多工作都可以通过仿真来完成，仿真的好处在于使设计者从繁琐的硬件调试中解脱出来，只专注于系统设计的总体思路和算法，而且花费的代价小，易于修改。一般通过仿真验证的原型，都可以很方便的用硬件实现，少走很多弯路。
在《通信原理》这门课程的实验中，我们利用购置的实验箱、示波器等硬件，结合现有的软件，搭建起一整套的通信原理仿真平台。学员可以通过这个平台了解到通信原理的各个方面，具体生动，所需要的额外设备只是一台微机。
下面就以一个典型的通信仿真系统为例，说明软硬件是如何协同工作的。这里我们使用到的软件包括MathWorks公司的MATLAB，这是一种面向科学与工程计算的高级（语言）软件，它集科学计算、自动控制、信号处理、神经网络、图像处理等于一体，具有极高的编程效率，以及ALTERA公司的CPLD、FPGA设计及仿真软件MAX+PLUSII；至于实验箱上的单片机调试，使用Keil软件。图1给出了系统示意图（没有画出单片机仿真器）。
图1 通信仿真系统软/硬件资源示意图
图中的RS232接口用来实现计算机和实验箱之间的数据交流，也可以由Matlab控制，来向实验箱输出数据；CPLD下载接口用于MAX+PLUSII将编写好的软件烧写进CPLD芯片；而单片机调试接口实现了在微机上实时调整程序，控制单片机的工作。示波器通道A连接实验箱，用来观察数据，而通道B和微机连接，Matlab可以通过交互式程序来和数字示波器通信。
软硬件结合的实际应用。这里以一个最简单的正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing ，OFDM）系统的仿真为例[1]，来说明本文提出的软硬件结合的实验系统的有效性。OFDM的思想是把一个高速传输的数据流经串并转换分解成许多低速率的子数据流，以并行方式在多个正交子信道上传输。这样，在每个子信道上，符号持续时间比信道的最大延迟大，从而可消除多径时延引起的符号间干扰（ISI, InterSymbol Interference）。而且各子载波间的正交性允许子信道的频谱相互重叠，最大限度的利用了频谱资源。OFDM系统示意如下图所示：
图2 OFDM的系统框图
图中的左/右虚线框内的运算，分别等效为IFFT/FFT，具体原理以及OFDM信号的数学形式可参考相关的资料[2]。
进入该系统的串行比特数据，可以是CPLD产生的伪噪声序列，具有较强的随机性，可以充当信息数据。随后该数据被送往单片机进行卷积编码，以防止由于信道状况的恶劣导致误码。
图2中所示的IDFT/DFT运算可以通过多种方法实现，单片机、CPLD或者Matlab软件均可，为了提高系统运行速度，我们采用Opencores开源组织的FFT软核烧写进CPLD[3]。对于信道的仿真同样也有多种选择，这取决于实验者的目的，如果为了验证系统，就使用CPLD产生数字噪声，模拟加性高斯白噪声（AWGN）信道。如果为了研究OFDM中信道估计算法的有效性，可以通过RS232接口将Matlab产生的多径衰落信道数据传输到实验箱，从而完成数据加扰。其中的D/A运算在实验箱上完成；误码率的测试使用了Matlab自带的Simulink工具箱[4]。该系统的运行流程可以表示如下：
图3 OFDM实验室系统的信号流程
本文给出了实验室软件和硬件协作的实例，通过我们的仿真试验证明，这种方案是有效可靠的，可以在很大程度上扩展实验范围，深化实验内容，在费用和效果之间找到最佳的平衡点。而且软件具有修改方便、维护和维修费用低等特点。这种灵活的实验环境，也有利于学生进行自主开发，充分发挥创造性。
参考文献：
[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设计及应用[M.西安电子科技大学出版社,2002.
[4]尹泽明,丁春利等.精通MATLAB6[M].清华大学出版社,2002.6.
作者单位：王 峰、杨 凯、唐红，空军工程大学工程学院陕西西安
王 佳，陕西师范大学陕西西安