基于模型设计的DSP电路课程教学实践

　　引言

　　“数字信号处理”课程是高等学校电子信息类专业的主干课程，理论概念复杂抽象，涉及到大量的数学推导过程，学生理解和掌握起来有一定难度。因此，很多高校以MATLAB软件作为仿真平台，完成一些基本理论和数字滤波器设计理论的仿真实验，这样对于学生理解数字信号处理的基本概念和理论有一定的帮助，但如何结合相关理论设计实际的DSP电路系统成为课程教学发展的主要瓶颈[1][2][3][4]。因此，我系开设了“DSP电路设计”课程，通过基于模型设计的现代电路设计流程，采用MATLAB软件和Xilinx公司的Zed Board开发板作为实践的软、硬件平台，为学生提供一个实现DSP系统较为完整的工程实现方法和流程。

　　1.基于模型设计的现代电路设计流程

　　Simulink[5]是基于模型设计的开发平台和工具，对动态系统进行模拟、仿真、分析。Simulink提的系统基本模型库包括各类信号源，信号终端，各种线性和非线性器件、连线、插件等;Simulink提供两种HDL代码自动生成工具：（1）HDL Coder可以将用户自定义的函数、Simulink 模型、和State?ow图生成简洁、可综合的 VHDL或者Verilog代码。（2）Filter Design HDL Coder可以将DSP系统工具箱设计的定点滤波器生成简洁、可综合的VHDL或者Verilog代码。电路的综合、布局布线、实现工具由Xilinx公司的ISE或者Vivado完成，整个设计流程如图1所示。

　　图1 基于模型设计的现代电路设计流程

　　2.理论课程部分

　　理论课程部分主要立足与Xilinx公司的ZedBoard板卡的硬件资源，并补充一些与实际应用紧密相关理论预算法。主要包括定点数与浮点数、数据量化、关键路径分析、加减乘除电路、乘累加单元电路、FIR滤波器、IIR滤波器在FPGA上的实现。为了锻炼学生实际系统的设计能力，还增加了CORDIC算法和在基带电路广泛应用的级联积分梳状 CIC（Cascade Integrator Comb）滤波器相关内容。通过理论知识与实际DSP系统的紧密衔接，帮助学生对理论知识的进一步深入理解。

　　3.实验课程部分

　　实验课程部分包括两部分：基础设计实验和综合设计实验[6]。实验平台软件采用Simulink完成模型设计与代码转换，Xilinx公司的Vivado完成代码的综合、布局布线、FPGA电路实现;硬件采用Xilinx公司最先进的7系列ZedBoard开发板。将先进的硬件和基于模型设计的现代电路设计流程融入到实验教学环境中，直接业界流行的工程开发流程接轨，这样有利于学生在未来工作环境中适应力德提升。

　　（1）基础设计实验

　　基础设计实验主要以模仿和验证为主，使学生快速掌握基于模型设计进行DSP系统的开发流程，熟悉ZedBoard开发板的硬件相关资源，为后续综合设计实验奠定良好基础。基础设计实验主要分为三 部分。

　　第一部分通过建立一个简单的DSP系统，让学生熟悉利用基于模型设计的现代电路设计流程实现DSP系统，并完成FPGA开发板上的调试。通过该部分实验，学生可了解 浮点系统与定点系统的区别，运算电路的数据溢出，数据位宽的量化，以及如何根据芯片逻辑资源规划电路的实现，进一步理解实际系统与理论的区别与联系。

　　第二部分设计一个复杂、完整的DSP系统，如图2所示。该系统包括信号源的输入和相关滤波器的设计，通过软硬件协同仿真的方式加深学生对于理论仿真与系统实际仿真的区别，提高学生在线调试DSP系统的能力。

　　图2 基于模型设计的软硬件协同仿真DSP系统

　　图3 GSM系统中的DDC滤波器组成

　　第三部分是主要是一些与课程理论相关的一些新技术知识的应用实验，例如GSM（Global System系for Mobile Communications）统中的DDC（Digital Down Converter）滤波器设计。输入信号的采样率为69.333MHz，输出信号的采样率为270.832MHz。为了满足设计规范要求，该DDC由三级滤波组成，如图3所示。第一级为CIC滤波器;第二级为补偿FIR滤波器，补偿第一级通带内的衰减;第三级为编程可调的FIR滤波器，完成DDC滤波器的总的通带增益和采样率调整。该实验涉及知识面有一定深度、模型设计复杂，实验的完成使学生进一步提高整个DSP系统的设计能力。

　　（2）综合设计实验

　　课程末期安排学生分组完成综合设计，设计题目是结合教师的教学工作和相关科研项目提出，例如：基带系统的信道编码系统设计、语音信号的数字滤波系统设计、图像信号消噪声滤波系统设计等。学生确定题目后，根据设计要求和实验平台，查阅资料，进行系统设计。实验成后现场演示实验结果，采用答辩方式说明设计思路及方案，提交实验设计报告。通过完成综合设计实验，学生可以提高团队合作的能力、综合应用相关知识解决实际问题的能力，为未来的实际工作奠定基础。

　　4.结语

　　数字信号处理是一门理论和实践紧密结合的课程，理论与实践相互依存，工程实现是最终的目标。如何正确引导学生，将理论知识与工程实现紧密结合起来，成为该课程教学的重要内容。采用基于模型设计的现代电路设计流程实现DSP电路系统，易于学生从系统级进行电路建模，无需了解FPGA本身和硬件描述语言，学生不但有更多的时间完成DSP算法和系统的建模，而且DSP系统的设计容易、直观，学习兴趣和学习效率得到了明显提高。

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