电子信息系统综合实验.docx

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电子信息系统综合实验

电子信息系统综合实验报告

班级：

021215

学号：

02121419

姓名：

一、实验目的

本实验是对本科期间所学课程的综合应用，对FPGA设计流程MATLAB、DSP等工具进行充分的学习，通过实际实验操作，掌握FPGA、DPS电路板的使用，增强自我动手能力，以及团队协作能力。

学习如何产生正弦信号、噪声信号、单频信号、线性调频信号等，并对其实现匹配滤波等操作。

掌握MATLAB在其中的应用。

要求学生理解脉冲压缩与匹配滤波的基本原理。

是对所学知识的一次综合考核。

二、实验内容

1.FPGA实验——流水灯

用Quartus II软件编写流水灯程序，学会使用VHDL/VerilogHDL语言，掌握FPGA设计流程，完成流水灯设计。

2.MATLAB实验——复杂噪声产生实验

用MATLAB软件分别产生高斯分布、均匀分布、指数分布、瑞利分布的热噪声。

3.FPGA实验——噪声产生及正弦信号产生

用Quartus II软件自带元件库实现噪声和正弦信号产生。

4.MATLAB实验——数字下变频及匹配滤波

学习FFT、滤波器设计、匹配滤波等数字信号处理流程和设计方法，利用MATLAB实现对模拟I、Q两回路回波信号的匹配滤波，并对实验结果进行分析。

5.DSP实验——匹配滤波

本实验要求学生掌握脉冲压缩与匹配滤波的基本原理，理解雷达系统的距离分辨率、作用距离、平均功率、峰值功率、多普勒频率、信号时宽带宽积等概念。

学习FFT、滤波器设计、匹配滤波等数字信号处理流程和设计方法，利用DSP实现对模拟I、Q两路回波信号的匹配滤波，并对实验结果进行分析。

6．DSP实验——中端闪灯

利用波形产生信号板，结合FPGA编程技术和程序编程器，编写测试ADSP21065L和FPGA之间硬件连接的应用程序，同时完成应用程序的加载和脱机操作，在信号指示灯HL2上产生可调周期的脉冲信号，点亮与熄灯指示灯HL2。

7.DSP实验——单频信号产生

产生一重频周期为1ms，频率为10MHz，脉冲宽度为5us的单频正弦脉冲信号，并掌握利用AD9854实现单频正弦脉冲的产生；掌握AD9854模式控制字和频率控制字的设计方法；利用FPGA控制电路，在DSP的IRQ2终端输入引脚上产生1ms的周期中断信号。

8.DSP实验——二相编码信号产生

本实验要求学生掌握用AD9854模式控制字、频率控制字和相位寄存器的设置方法，利用信号产生板产生一个由13位巴克码调制的二相脉冲信号，脉冲信号的重频周期为1ms，频率为10MHZ，码片宽度1us，脉冲信号的宽度为13us，并用示波器对波形进行观察分析。

9.DSP实验——线性调频信号产生

学会利用DPS软件产生线性调频信号，掌握线性调频原理。

10.FPGA实验——数字下变频实验

学习FFT、滤波器设计、匹配滤波等数字信号处理流程和设计方法，利用FPGA实现对模拟I、Q两路回波信号的匹配滤波，并对实验结果进行分析。

11.DSP实验——链路口测试实验

在DSP1的数据存储区放置一些数，通过链路口将其传送到DSP2。

三、实验步骤

1.FPGA实验——流水灯

新建工厂文件：

分配引脚：

根据相关原理图，对管脚进行分配，详细分配如下表所示：

属性

连接到FPGA上的管脚

实际电路

led[3]

Output

PIN_126

连接到HL5

led[2]

Output

PIN_127

连接到HL4

led[1]

Output

PIN_128

连接到HL3

led[0]

Output

PIN_129

连接到HL2

rst_n

Input

接高电平

sw1

Input

PIN_47

连接到拨码开关

sys_clk

Input

PIN_16

接40M时钟

按照如上所示的连接：

编译程序，连接下载器到电路板，将程序烧写进FPGA中。

2.MATLAB实验——复杂噪声产生实验

1.服从高斯（Guass）分布的热噪声（随机序列）

Matlab7.0本身自带了标准高斯分布的内部函数randn，调用格式如下:

Y=randn（n）

Y=randn（m,n）

Y=randn（[mn]）

Y=randn（size（A））

s=randn（'state'）

randn函数产生的随机序列服从均值为m=0，方差σ2＝1的高斯分布。

Y=randn（n）产生的是一个n×n的随机序列矩阵，而Y=randn（m,n）和Y=randn（[mn]）产生的m×n的随机序列矩阵，Y=randn（size（A））产生的是大小与矩阵A同样大小的随机序列矩阵。

s=randn（'state'）返回的是一个具有两个元素的向量，该向量显示的是当前正态随机数产生器的状态。

randn（'state',s）指令可以将产生器的状态设置到s，而randn（'state',0）则可以将正态随机数产生器的状态恢复到初始状态。

2.服从均匀分布的热噪声（随机序列）

可以先产生一个服从（0-1）单位均匀分布的信号，然后再将其经过上式的变换，就可以得到一个服从（a-b）均匀分布的信号了。

同样Matlab本身也自带了（0-1）单位均匀分布的内部函数rand，格式如下:

Y=rand（n）

Y=rand（m,n）

Y=rand（[mn]）

Y=rand（size（A））

s=rand（'state'）

rand函数产生的随机序列服从（0-1）单位均匀分布。

Y=rand（n）产生的是一个n×n的随机序列矩阵，而Y=rand（m,n）和Y=rand（[mn]）产生的m×n的随机序列矩阵，Y=rand（size（A））产生的是大小与矩阵A同样大小的随机序列矩阵。

s=rand（'state'）返回的是一个具有两个元素的向量，该向量显示的是当前（0-1）单位均匀随机数产生器的状态。

rand（'state',s）指令可以将产生器的状态设置到s，而rand（'state',0）则可以将（0-1）单位均匀分布随机数产生器的状态恢复到初始状态。

可以写出服从（a-b）均匀分布的随机序列的产生程序，如下：

a=2;%（a-b）均匀分布下限

b=3;%（a-b）均匀分布上限

fs=1e7;%采样率，单位：

t=1e-3;%随机序列长度，单位：

n=t*fs;

rand（'state',0）;%把均匀分布伪随机发生器置为0状态

u=rand（1,n）;%产生（0-1）单位均匀信号

x=（b-a）*u+a;%广义均匀分布与单位均匀分布之间的关系

subplot（2,1,1）,plot（x）,title（'均匀分布信号'）;%输出信号图

subplot（2,1,2）,hist（x,a:

0.02:

b）,title（'均匀分布信号直方图'）;%输出信号的直方图

3.服从指数分布的热噪声（随机序列）

先产生一个服从（0-1）单位分布的信号，然后再将其经过指数变换，就可以得到一个服从参数为λ的指数分布的信号了。

4.服从瑞利（Rayleigh）分布的热噪声（随机序列）

先产生一个服从（0-1）分布的信号，然后再经过变换，可以得到一个服从瑞利（Rayleigh）分布的信号了。

产生瑞利分布的热噪声实现程序如下

sigma=2;%瑞利分布参数sigma;

t=1e-3;%杂波时间长度

fs=1e7;%采样率

t1=0:

1/fs:

t-1/fs;

n=length（t1）;

rand（'state',0）;%把均匀分布伪随机发生器置为0状态

u=rand（1,n）;

x=sqrt（2*log2（1./u））*sigma;%产生瑞利分布信号1

subplot（2,1,1）,plot（x）,title（'瑞利分布噪声'）,xlabel（'t（单位：

s）'）;%输出信号图

subplot（2,1,2）,hist（x,0:

0.1:

10）,title（'瑞利分布信号直方图'）;%输出信号的直方图

3.FPGA实验——噪声产生及正弦信号产生

管脚

在FPGA上的分配

FPGA上的连接

管脚说明

clk

PIN_16

40M2

系统时钟40M

da_clk

PIN_79

DACLK

DA的工作时钟一般为60M

out[0]

PIN_69

DATA0

需DA转换的10位数字信号的第0位

out[1]

PIN_70

DATA1

需DA转换的10位数字信号的第1位

out[2]

PIN_71

DATA2

需DA转换的10位数字信号的第2位

out[3]

PIN_72

DATA3

需DA转换的10位数字信号的第3位

out[4]

PIN_73

DATA4

需DA转换的10位数字信号的第4位

out[5]

PIN_74

DATA5

需DA转换的10位数字信号的第5位

out[6]

PIN_75

DATA6

需DA转换的10位数字信号的第6位

out[7]

PIN_76

DATA7

需DA转换的10位数字信号的第7位

out[8]

PIN_77

DATA8

需DA转换的10位数字信号的第8位

out[9]

PIN_78

DATA9

需DA转换的10位数字信号的第9位

计数器模块：

Rom模块：

选中信号q，右击鼠标，弹出下拉列表DisplayFormat->AnalogWaveform选中后，弹出对话框：

将其值改为5后即可得到下图

4.MATLAB实验——数字下变频及匹配滤波

1.用波形产生板产生一个重频周期为1ms，中心频率为10M，带宽为200k—2M，时宽为60us的线性调频脉冲信号；

2.用MATLAB语言产生高斯白噪声信号；

3.利用信号处理板对波形产生板产生的信号进行实时采集，并与前面产生的噪声数据进行叠加后，用数字信号处理算法进行处理，并将处理结果实时输出到D/A，在示波器上查看处理结果；

4.调解波形产生电路板所产生信号的幅度，连续运行，利用示波器查看不同输入信噪比情况下系统的输出

用MATLAB中产生适当的的线性调频信号，并对其进行数字正交解调，得到I，Q两路数据，同时生成匹配滤波器系数、FFT和IFFT蝶形运算系数，并将这些数据和系数保存为dat数据文件。

在DSP程序中加载I，Q两路数据，并对其进行匹配滤波，利用集成开发环境提供的画图功能观察匹配滤波的结果。

具体实验步骤如下：

（1）用MATLAB产生中心频率为10MHz，带宽为200KHz，脉冲宽度为60us的线性调频信号，对其进行正交解调，采样频率为8MHz，得到I，Q两路数据，并将数据保存为idata.dat和qdata.dat；

（2）利用MATLAB生成FFT和IFFT的蝶形运算系数，分别保存为twid1k.dat和itwid1k.dat；

（3）由I，Q两路数据生成复信号，在MATLAB中对其进行Fourier变换，再进行共轭和数据反转，得到匹配滤波器系数并保存为LFM_para.dat；

（4）按照图5.22所示匹配滤波器实现方案，在MATLAB中对上述信号进行匹配滤波，并对结果进行分析；

5.DSP实验——匹配滤波

学习FFT、滤波器设计、匹配滤波等数字信号处理流程和设计方法，利用DSP实现对模拟I、Q两路回波信号的匹配滤波，并对实验结果进行分析。

具体目标：

（1）结合实验，对雷达回波的匹配滤波算法原理有进一步的了解和认识；

（2）掌握数字滤波器、FFT、相关处理、匹配滤波等数字信号处理的DSP实现方法。

特别是通过实验，掌握FFT算法是如何实时快速，加强对蝶形结构的理解。

并利用DSP平台，用ADSP-TS101汇编语言实现这些处理算法；

（3）通过实验，进一步加强对这些常用的数字信号处理算法的理解和认识，并与数字信号处理理论课程的讲解进行对比，从感性上进一步熟悉这些算法的本质和对不同信号的处理结果；

（4）通过实验，进一步熟悉DSP（TS101）的DMA数据传输和链路口通信方式，并能有效的对其外部接口进行控制设计；

（5）进一步熟悉TS101的指令系统，能对处理算法进行修改。

匹配滤波器是指滤波器的性能与信号的频率特性相一致，使滤波器输出端的信号瞬时功率与噪声平均功率的比值最大。

即当信号与噪声同时进入滤波器时，它使信号成分在某一瞬间出现尖峰值，而噪声成分受到抑制。

假设雷达发射信号（基带信号）为

，其频谱为

，那么匹配滤波器的频率响应和冲激响应分别可表示为：

可见，匹配滤波器只与发射信号本身有关，可以最大程度地提高信噪比。

匹配滤波的实现方案如图5.23所示。

输入信号为模拟I,Q两路复信号，对其进行FFT，得到频率复信号，再与匹配滤波器系统相乘，最后进行IFFT，得到匹配滤波结果。

图5.23匹配滤波的实现方案

在DSP程序中加载I，Q两路数据，并对其进行匹配滤波，利用集成开发环境提供的画图功能观察匹配滤波的结果。

具体实验步骤如下：

（2）利用MATLAB生成FFT和IFFT的蝶形运算系数，分别保存为twid1k.dat和itwid1k.dat；

（3）由I，Q两路数据生成复信号，在MATLAB中对其进行Fourier变换，再进行共轭和数据反转，得到匹配滤波器系数并保存为LFM_para.dat；

（4）按照图5.22所示匹配滤波器实现方案，在MATLAB中对上述信号进行匹配滤波，并对结果进行分析；

（5）编写FPGA程序，配置DSP工作所需的信号，参考5.3节图5.18；

（6）在VisualDSP++中，新建工程TSdsp1，选择session：

ADSP-TS101TigherSharcCycleaccurateSimulatorplatform，编写DSP1程序：

开辟存储区加载滤波器系数和蝶形系数（例如加载蝶形系数.vartwidik[1024]=”twid1k.dat”），注意各子程序的入口及出口寄存器。

主程序的流程为：

先把I，Q两路信号组成一个复信号，进行FFT变换，然后与匹配滤波系数相乘，然后进行IFFT变换，最后对匹配滤波结果求模。

（7）编译工程文件，在idle处设置断点，运行至断点处，观察匹配滤波的结果。

在VisualDSP++中，新建工程TSdsp1，编写DSP程序，并将上述五个dat数据文件保存在工程TSdsp1的根目录下。

6.DSP实验——中端闪灯

利用波形产生信号板，结合FPGA编程技术和程序编程器，编写测试ADSP21065L和FPGA之间硬件连接的应用程序，同时完成应用程序的加载和脱机操作，在信号指示灯“HL2”上产生可调周期的脉冲信号，“点亮”与“熄灭”指示灯HL2。

实验步骤：

1．熟悉电路图，清楚波形产生电路板ADSP21065L与可编程FPGA器件之间的连接关系。

2．编写FPGA程序（内部已编好）。

在FPGA内部将ADSP21065L的标志引脚FLAG11（引脚号26）设置为输出，作为FPGA的输入信号，在FPGA内部编程将该信号直接输出在发FPGA的37引脚号上，设置37引脚为输出信号，驱动板上的HL2LED指示灯；

3．启动VisualDsp++4.5,选择project工程选项菜单，创建一个名称为Test.dpj的工程文件，选择处理器的型号为ADSP-21065L；

4．新建一个源文件，将程序复制进去，然后保存，文件的后缀名为.asm。

5．添加刚刚保存的源文件。

点击AddFile（s）toFolder...,将.asm文件添加进去。

6．产生链接文件。

之后会出现下面的窗口：

7．点击编译按钮进行编译。

发现编译失败，通过修改程序使得最后编译成功。

8．编译成功后，进行编程器设置。

点击session里的newsession，

出来下图的窗口：

Processor类型为SHARC，处理器为ADSP-21065L。

然后next

选择Emulator硬件仿真，next，下面要特别注意：

如果你的编程器接口是usb类型的请选择HPUSB-ICE

如果你的编程器接口是pci类型的请选择HPPCI-ICE

选完后完成。

此时SelectSession会出现ADSP-21065LviaHPUSB-ICE的选择项。

9．将编程器与板子连接，进行加电。

给板子加电，打开电源。

然后将编程器选通，如果编程器是usb的，则选择Session---SelectSession---ADSP-21065LviaHPUSB-ICE的选择项。

然后进行编译，编译完成后运行，会发现HL2灯的闪动。

10．实验完成后，应该先将仿真模式切换成软件仿真，如图，然后再将编程器的接口拔出板子。

7.DSP实验——单频信号产生

实验要求：

1．产生一重频周期为1ms，频率为10MHz，脉冲宽度为5us的单频正弦脉冲信号，并掌握利用AD9854实现单频正弦脉冲的产生；

2．掌握AD9854模式控制字和频率控制字的设置方法；

3．利用FPGA控制电路，在DSP的IRQ2中断输入引脚上产生1ms的周期中断信号；

实验步骤：

1．步骤如第一个实验（指示灯的产生），编译成功后。

运行！

利用示波器测量波形发生板右上角的R19测试点，可以观测所产生的波形，如图9.3所示。

说明：

利用DSP程序设置AD9854的模式控制字和频率字，此处的模式选择为单频模式（000），模式字保存在寄存器r0中，所占用的外部地址为0x100001f。

频率字的计算方法为：

频率字＝希望输出频率×248/系统时钟，得到12位十六进制的频率字码，分别保存到寄存器r1~r6中，分别输出到AD9854寄存器地址0x1000004，0x1000005，0x1000006，0x1000007，0x1000008，0x1000009中。

本系统的系统时钟为200MHz。

8.DSP实验——二相编码信号产生

实验中需要编程设置AD9854的模式字、频率字、相位调节字等。

（1）用FPGA产生周期为1ms的信号，控制输出信号的脉冲重复周期；

（2）用FPGA产生ADSP和AD9854的复位信号，以及其他时钟和控制信号；

（3）利用DSP程序设置AD9854的模式控制字和频率字，此处的模式选择二相编码模式，模式值为0x08，所占用的外部地址为0x100001F；

频率字设置方法为：

频率字（FTW）＝希望输出频率×248/系统时钟，得到12位十六进制的频率字码，分6段分别设置到AD9854寄存器偏移地址0x0000004，0x0000005，0x0000006，0x0000007，0x0000008，0x0000009中。

需要注意的是，这里的频率指的是线性调频信号的起始频率。

AD9854系统时钟设为200M。

（4）设置相位调节字：

相位调节字1为0°，相位调节字2为180°，地址分别为0x0000000和0x0000002。

（5）程序编译成功后，点击运行，利用示波器观测所产生的波形。

9.DSP实验——线性调频信号产生

本实验的解决思路如下：

（1）用FPGA产生周期为1ms的周期信号，输出到FPGA的11引脚上，作为ADSP的外部中断2中断信号，控制脉冲重复周期；

（2）设计FPGA程序，产生ADSP和AD9854的复位信号，以及其他信号产生板所需的时钟和控制信号；

注意：

信号处理板上电后，由EPC2LC20加载烧写在其中的FPGA程序，产生需要的各种时序和控制信号。

（3）利用DSP程序设置AD9854的模式控制字和频率字，此处的模式选择线性调频脉冲模式（011），模式值为0x06，所占用的外部地址为0x100001F；

频率字设置方法为：

需要注意的是，这里的频率指的是线性调频信号的起始频率。

AD9854系统时钟设为200M，对输入40M信号进行5倍增频。

（4）设置频率频率增量字（DFW），其计算方法为：

频率字（FTW）＝希望输出频率×248/系统时钟，需要注意此处希望增长的频率不是一般理解的（11MHz-9MHz），而是通过公式：

（11MHz-9MHz）/脉冲宽度=希望的增长频率/（步长*时钟周期），此处步长的值为40。

占用AD9854的寄存器地址偏移量为0x0000010，0x0000011，0x0000012，0x0000013，0x0000014，0x0000015。

其中0x0000010为频率增量字的高位地址；

（5）程序编译成功后，点击运行，利用示波器观测所产生的波形。

对于AD9854产生线性调频信号的ADSP程序设计，AD21065L的寄存器、中断、初始化等设置，以及AD9854初始化等均与单频信号产生均与单频信号产生相同，这里仅给出AD9854产生线性调频脉冲信号的频率字、频率增量等、脉冲宽度等参数设计程序。

10.FPGA实验——数字下变频实验

实验中，在模拟中频信号输入的基础上，需要分别设计实现FPGA和DSP两种数字正交解调方法。

实验步骤如下：

（1）利用MATLAB仿真产生10MHz中频信号，信号调制方式采用调幅或线性调频，通过RAM输入到FPGA内存中。

（2）设计FPGA程序模块，配置模拟数据读取时钟，即信号采样速率；

（3）设计FGPA程序模块，为EP1C3T144配置工作时钟，实现基于4阶Bessel插值的正交解调算法，将结果通过D/A输出，由示波器观察结果；

（4）设计FPGA程序，为DSP101配置工作时钟、复位、读写信号等，将需要处理信号据通过RAM发送到DSP101；

数字正交解调实现电路组成框图（虚线部分）

首先，设计FPGA程序模块，产生处理系统所需各种时钟信号。

输入时钟为40MHz，需要产生100MHz（D/A时钟）、8MHz

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