摘要：在传统的“通信原理”课程实验的基础上，提出一种引入EDA技术的实验方法，并加以实践，使学生能进一步理解通信系统的工作原理，同时可以提高学生EDA技术的应用能力。以“循环码的编译码器的设计”为例，阐述了EDA技术在通信系统中的应用过程。
关键词：通信原理；EDA技术；实验教学
作者简介：卢胜男（1982-），女，江苏徐州人，西安石油大学计算机学院，讲师。（陕西 西安 710065）
基金项目：本文系西安石油大学教改项目“《通信原理》精品课程建设”的研究成果。
中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）11-0151-02
一、“通信原理”课程实验的现状
“通信原理”是信息与通信学科的主干专业基础课，在本科教学中占有重要地位。该课程内容丰富，原理性、逻辑性、综合性强，抽象概念多，覆盖内容广，数学公式多，再加上学时数紧、授课时间短，很大程度上增加了教师教学和学生学习的难度。[1]为了提高课程教学质量，改进教学效果，培养和提高学生分析问题和解决实际问题的能力，课程组成员对“通信原理”课程的实验教学进行了不断的探索与研究。
目前各高校开展的针对本课程的实验教学形式主要分为两种：一种是利用实验箱的验证性实验，学生只需按照实验指导书，按部就班的完成实验步骤，根据要求连接电路或拨动开关就可以用示波器测得波形和数据，从而验证理论教学内容的正确性。这种方式局限性大，灵活性也差，难以激发学生的学习热情和主观能动性。当设计较复杂的数字通信系统时，由于实验条件限制而难以实现设计目标，只能了解通信系统中部分模块的原理，对一个完整的通信系统缺乏全面的认识。另一种方法是利用仿真软件在计算机上进行仿真，例如MATLAB、System View，这种方法灵活性强，不受硬件条件和地点的限制，学生可以利用课余的时间在宿舍完成实验项目。目前，课程组已将这种方式作为传统实验箱的补充，在实验教学环节加以实现。这种软件仿真的方式缺少硬件的实现，不能用示波器实时观察信号，缺少对学生动手能力的培养。[2]
二、EDA技术引入“通信原理”实验的优点
EDA技术指的是电路设计、系统仿真、印制板布线和制造以及故障诊断等整个电子设计过程的自动化。它采用以计算机仿真为核心的全新的电子设计理念，改变传统的手工操作的电路设计方法，也加快了电子工程教育的改革步伐。[3]
传统的实验方法进行系统设计时，需要购买昂贵的器件和调试设备，而采用软件实验的方法一方面克服了实验室在元器件品种、规格和数量上不足的限制；另一方面又可以进行设计型、纠错型和创新型等不同形式的针对性训练，来培养学生的分析、应用和创新能力。与传统的实验方式相比较，采用EDA技术进行电子线路的分析和设计，突出了实验教学以学生为中心的开放性和综合性的特点，具有很好的系统性和灵活性，可以在很大程度上提高学生对“通信原理”实验的兴趣。此外EDA技术避免了用户电路设计错误、接线错误导致的器件损坏以及检查复杂线路的繁琐性，并且在一块通信原理实验板上可进行几十种实验，节省了设计经费，缩短了设计时间，提高了设计的效率。因此，把EDA教学与通信原理实验结合起来是适应信息技术发展的需要，也是高等教育实践环节教学改革的必然趋势。
三、基于EDA技术的“通信原理”课程实验设计
目前，课程组将结合EDA技术的课程实验作为“通信原理”课程的辅助实验环节，采用两周课程设计的形式，结合该学期开设的“EDA技术”这门课程，加深学生对通信原理知识的理解。该课程实验的内容几乎覆盖了“通信原理”课程中所有的通信系统知识，具体设计题目包括数字基带传输、数字频带传输、模拟信号的数字化传输、汉明码/循环码的编译码、位同步等等。学生可以根据自己的兴趣，围绕“通信原理”课程知识自由选题。利用EDA设计软件Quartus Ⅱ，采用VHDL语言编程，并将程序通过计算机串口下载到GW48系列的EDA实验箱上，以验证各设计题目的仿真结果。
四、通信系统设计实例
现以循环码的编译码为例，介绍基于EDA技术的通信原理实验的实现过程。其设计要求为：设计一个用于数据传输中差错控制的循环冗余校验模块，该模块能够实现12位信息位加5位CRC校验码发送和接收。学生在独立开展设计的过程中，需要理解循环码的编译码电路的工作原理，全面掌握编译码的各个知识点。此模块是实际系统的简单模型，与实际工程项目接近，具有一定的应用价值。
本设计中采用的CRC生成多项式x5+x4+x2+1，校验码位5位，有效信息数据位12位。
整个模块由CRC生成和检错两部分组成，采用输入输出都为串行的生成方式。其原理图如图1所示。
由data端串行输入的12位待发送信息，经CRC校验生成模块，得到12位有效信息数据和5位CRC校验码。其中5位校验码是通过12位有效信息序列被生成多项式x5+x4+x2+1相除后得到的。附加上5位CRC校验码的17位CRC码由datacrco端发送给接收端，接收端接收数据的同时进行CRC校验码的计算，并将计算结果与来自发送方的校验码相比较，如不相同，则表示传输出错，接收方通知发送方再次发送该组数据。hsend和hrecv作为生成、检错模块的握手信号，协调相互之间关系。
1.CRC校验生成模块
CRC校验生成模块利用除法电路来实现，除法电路由多级移位寄存器和模2加法器组成，其电路结构如图2所示。其中R1，R2，R3，R4，R5分别代表一个寄存器。初始时置各寄存器为0，信息位串从高位起逐步输入电路。可以看出，如果输入数据与最低位的异或值为“0”，只需将当前CRC码逻辑右移一位（首位补零），即可得到新CRC码；如果为“1”，则将当前CRC码与15H异或，再循环右移1位即可。当12位信息源输入完，5位寄存器上就会显示出生成的CRC码。
2.CRC校验检错模块
校验模块的设计非常简单，只要在接受端在放置一个CRC编码器。当hrecv=1时，根据生成模块输出的数据，在校验模块中进行CRC码计算，求出CRC码。在此，与前面求出的CRC码进行比较，如果相同，将error=0则表示传输正确；如果CRC码不同，将error=1，表示传输错误。最后串行输出输入数据，令datafini=1。
上述设计中必须注意只有在hsend=1和hrecv=1同时成立的情况下才能实现生成模块与校验模块同时工作，即循环冗余校验的实现。
五、总结
本实验是“通信原理”与“EDA技术”这两门课衔接的综合型实践环节，是学生深入理解通信原理基本知识和掌握通信系统设计方法的良好契机；可以使学生们在实际通信系统中实践课堂上讲授的通信原理基本知识，同时掌握基于CPLD/FPGA的数字通信系统开发的最基本流程：需求分析→功能划分→模块设计→仿真综合→下载调试。整个实验设计过程锻炼了学生对知识综合运用的能力、培养学生独立思考、分析问题和解决问题的能力，有助于学生掌握自顶向下设计方法、系统分解方法以及系统调试方法等，是对课堂所学知识的一次最全面、最深刻的检验；为学生提供了一次接触实际系统开发流程的机会，也为学生下一步从事通信电子系统的设计打下了良好的基础。
参考文献：
[1]刘效勇,卢佩,田敏.通信原理实验课程教学改革与探索[J].大众科技,2010,(7):190-191．
[2]姚展,王明伟.基于FPGA技术的通信原理课程实验教学研究[J].陕西师范大学学报(自然科学版),2007,(S2):201-203．
[3]陈桂兰,赵云,郑惠群.通信原理实验教学的改革[J].金华职业技术学院学报,2003,(3):7-9．
[4]李景华.可编程逻辑器件与EDA技术[M].沈阳:东北大学出版社,2000.
[5]曹志刚,钱亚生.现代通信原理[M].北京:清华大学出版社,1992．
（责任编辑：苏宇嵬）