西电电子信息系统综合实验报告

电子信息系统综合实验报告

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实验目的 (33)

实验内容 (33)

实验步骤 (44)

FPGA实验——流水灯 (44)

MATLAB实验——复杂噪声产生实验 (1010)

FPGA实验——噪声产生及正弦信号产生 (1111)

MATLAB实验——数字下变频及匹配滤波 (1818)

DSP实验——匹配滤波 (1919)

DSP实验——中端闪灯 (2020)

DSP实验——单频信号产生 (2525)

DSP实验——二相编码信号产生 (2525)

DSP实验——线性调频信号产生 (2626)

FPGA实验——数字下变频实验 (2626)

实验结果及分析 (2828)

FPGA实验——流水灯 (2828)

MATLAB实验——复杂噪声产生实验 (2929)

FPGA实验——噪声产生及正弦信号产生 (3131)

MATLAB实验——数字下变频及匹配滤波 (3131)

DSP实验——匹配滤波 (3333)

DSP实验——中端闪灯 (3333)

DSP实验——单频信号产生 (3434)

DSP实验——二相编码信号产生 (3434)

DSP实验——线性调频信号产生 (3434)

FPGA实验——数字下变频实验 (3434)

DSP实验——链路口测试实验 (3535)

实验总结 (3535)

实验分工 (3535)

参考资料 (3535)

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。

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/Verilog HDL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

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。

实验步骤

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。

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([m n])

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([m n])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([m n])

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([m n])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：Hz

t=1e-3;%随机序列长度，单位：s

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

FPGA实验——噪声产生及正弦信号产生

计数器模块：

Rom模块：

选中信号q，右击鼠标，弹出下拉列表Display Format->Analog Waveform选中后，弹出对话框：

将其值改为5后即可得到下图

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；

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。 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

()s t ，其频谱为()S ω，那么匹配滤波器的频率响应和冲激响应分别可表示为：

()()j m H j kS j e ωωω-=-

()()()

1m h t F H j ks t t ω-==-???? 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

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) 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Visual DSP++中，新建工程TSdsp1，选择session：ADSP-TS101 TigherSharc Cycle accurate Simulator platform，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.var twidik[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Visual DSP++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。

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HL2 LED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。