通信工程专业课程设计实践——基于FPGA的数字信号处理系统
数字信号处理（DSP）是通信工程专业的核心技术之一，涉及到信号采集、滤波、变换、编解码、调制解调等多个环节。FPGA（现场可编程门阵列）是一种可重构的硬件平台，具有高速、低功耗、并行处理、灵活配置等优点，适合实现复杂的DSP算法。本文介绍了一种基于FPGA的数字信号处理系统的课程设计方案，包括系统架构、功能模块、设计流程、测试结果等内容，旨在培养学生的DSP理论知识和FPGA实践能力。
系统架构
本系统采用Xilinx公司的Spartan-6系列FPGA芯片作为主控制器，外接ADC（模数转换器）、DAC（数模转换器）、LCD（液晶显示器）、按键等外设，构成一个完整的DSP系统。系统框图如图1所示。
图1 系统框图
系统主要分为三个部分：输入部分、处理部分和输出部分。输入部分负责将模拟信号转换为数字信号，并送入FPGA内部进行处理。处理部分负责对数字信号进行各种DSP算法的运算，如滤波、变换、编解码等。输出部分负责将处理后的数字信号转换为模拟信号，并输出到外界。LCD和按键用于显示和控制系统的工作状态和参数。
功能模块
本系统实现了以下几种常用的DSP功能模块：
1.FIR（有限冲激响应）滤波器：用于对输入信号进行低通、高通、带通或带阻滤波，去除噪声或保留感兴趣的频段。
2.FFT（快速傅里叶变换）：用于对输入信号进行频域分析，得到其幅度谱和相位谱。
3.DTMF（双音多频）编解码器：用于对输入信号进行DTMF编码或解码，实现电话拨号或按键识别等功能。
4.QPSK（正交相移键控）调制解调器：用于对输入信号进行QPSK调制或解调，实现数字信息的传输。
每个功能模块都可以通过按键进行选择和切换，LCD显示当前选择的功能和相关参数。
设计流程
本系统的设计流程主要包括以下几个步骤：
1.需求分析：根据课程要求和实际情况，确定系统的功能和性能指标，以及所需的硬件和软件资源。
2.算法设计：根据DSP理论知识，设计各个功能模块的算法和数学模型，确定所需的运算资源和存储资源。
3.仿真验证：使用MATLAB或其他软件工具，对各个功能模块的算法进行仿真验证，检查其正确性和有效性，优化其参数和性能。
4.硬件实现：使用Verilog HDL或其他硬件描述语言，对各个功能模块的算法进行硬件实现，编写相应的代码和测试激励，使用ISE或其他综合工具进行综合、布局、布线等操作，生成可烧录的比特流文件。
5.软件编程：使用C语言或其他软件语言，编写外设驱动程序和用户界面程序，实现系统的初始化、配置、控制和显示等功能。
6.系统集成：将FPGA芯片与外设连接，将比特流文件和软件程序烧录到FPGA芯片中，进行系统集成测试，检查系统的功能和性能是否满足需求。
测试结果
本系统经过测试，能够正常工作，实现了预期的功能和性能。以下是一些测试结果的截图：
1.FIR滤波器：输入一个含有噪声的正弦信号，选择低通滤波器，输出一个去除噪声的正弦信号。图2为输入信号的波形，图3为输出信号的波形。
图2 输入信号波形
图3 输出信号波形
1.FFT：输入一个复合信号，选择FFT功能，输出其幅度谱和相位谱。图4为输入信号的波形，图5为输出信号的幅度谱，图6为输出信号的相位谱。
图4 输入信号波形
图5 输出信号幅度谱
图6 输出信号相位谱