内容发布更新时间 : 2024/5/16 6:30:54星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

数字信号处理课程设计中的FPGA教学与实践

一、引言

数字信号处理课程是电子技术类、通信类专业的一门重要的专业基础课。目前我们对本科生开设的《数字信号处理》课程大多侧重在理论技术方面，注重理论推导而忽略具体实现技术的介绍。结果导致学生在学习了数字信号处理课程之后并不能把所学的理论知?R与实际的工程应用联系起来。如果将现有的《数字信号处理》课程与FPGA技术相结合，以已有的理论为基础，重点介绍数字信号处理实现平台和一些具体可用的实现算法，可促进教员教学水平的提高及学员动手能力的加强和创新意识的养成[1-5]。

我校已设立了《数字信号处理课程设计》课程，为进一步培养学生的创新实践能力，我们将FPGA引入到数字信号处理课程设计的实验教学中，精选和优化课程设计内容，使数字信号处理课程设计更具科学性和实践性。以Xilinx公司提供的集成开发工具ISE软件和实验室自研的基于Spartan3系列的FPGA多功能实验箱，作为“数字信号处理课程设计”的软、硬件平台。在此平台上，学生最终能完成从基础实验、典型应用到综合设计的一系列教学实验。通过近三届学生的教学实践，收到了良好的教学效果。

二、课程设计的目的与要求

本课程设计是《数字信号处理》课程的具体应用和实践，是《数字信号处理》课程理论知识的综合运用，其基本任务是着重提高学员在模/数转换、数/模转换、数字信号处理、系统分析与综合方面的实践技能和科学作风，培养学员综合利用理论知识解决实际问题的能力。

要求学员根据所学数字信号处理知识独立设计完成基本任务，熟悉、掌握、熟练使用FPGA开发软件，掌握模拟信号的数字化采集与产生、数字滤波和频谱分析的基本原理，运用FPGA技术对数字信号处理系统进行系统分析和综合设计。 三、课程设计的内容安排

本课程的教学内容包括FPGA设计基础、FPGA典型应用案例、综合课程设计实验三大部分内容。 1.FPGA设计基础

第一部分FPGA设计基础介绍了可编程逻辑器件的编程器件工作原理、基本结构和电路表示方法，现代数字系统的设计方法，可编程逻辑器件的一般设计流程；FPGA的典型应用场合；主流的FPGA芯片厂家（如Xilinx和Altera等）及其市面代表产品；硬件描述语言基础 （VHDL和Verilog）； Xilinx的可编程逻辑器件设计工具ISE软件，以及基于ISE的开发设计流程。 2.FPGA典型应用案例

选择合适的典型应用案例是做好数字信号处理课程设计的关键所在。通过实际教学实践，使学生利用FPGA工具开发软件

来掌握信号处理系统基本原理，以及数字信号处理的设计方法。同时利用配套的仪器和设备，在FPGA多功能实验箱上完成数字信号处理的算法验证与调试。

本实验箱充分采用了模块化设计思想，具有良好的扩展性和移植性。实验箱由底板、FPGA核心板、双路A/D模块、双路D/A模块、IO模块、面包括展板等组成。其中，FPGA核心板采用Xilinx公司的Spartan3系列FPGA芯片XC3S400-PQ208，门数容量为40万门；A/D模块搭载双通道65MHz高速12位ADC，满足高速高精度数据采集需求；D/A模块搭载双通道125MHz高速14位DAC，满足高速高精度波形输出需求；I/O模块板配备了丰富的I/O设备，其中有 12个LED灯 、4*4矩阵键盘、拨码开关、四位七段数码管、液晶模块（1602和12864）和蜂鸣器。

根据课程设计的目的与要求，在对多年教学实践分析的基础上，为学生提供了下列5个FPGA典型应用案例：①正弦信号发生器设计；②数字电压表设计；③数字频率计设计；④FIR滤波器设计；⑤简易数字频谱仪设计。这一部分内容是本门课程设计的重点，是在课堂上教师重点讲授的内容。首先对工作原理进行分析，然后在FPGA多功能实验箱上演示实验结果，再打开ISE实验例程进行程序讲解，最后安排学生自己实做练习，复现实验结果。

在以上典型应用案例中，不仅注重数字信号处理基本知识的理解和应用，而且强调知识的融汇贯通，重点加强学生对课程知