Đồ án Nghiên cứu bộ thu phát SSB đổi tần trực tiếp trên FPGA

Nội dung text: Đồ án Nghiên cứu bộ thu phát SSB đổi tần trực tiếp trên FPGA

1. BỘ THU PHÁT SSB TRÊN FPGA TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ===OoO=== BÁO CÁO ĐỒ ÁN III ĐÈ TÀI: NGHIÊN CỨU BỘ THU PHÁT SSB ĐỔI TẦN TRỰC TIẾP TRÊN FPGA GVHD: PGS. Nguyễn Thuý Anh Sinh viên thực hiện: STT HỌ TÊN MSSV LỚP 1. Phạm Thị Ánh Quyên 20102049 DT09_K55 Hà Nội, 01/2015 1
2. BỘ THU PHÁT SSB TRÊN FPGA MỞ ĐẦU Ngày nay, FPGA chứa lượng lớn bộ nhớ chuyên dụng nên có thể chế tạo vi xử lí trên nền tảng công nghệ FPGA. Khi FPGA được sử dụng song song thay vì tuần tự thì nó trở thành công cụ mạnh hơn nhiều so với vi xử lí. Gần đây, FPGA rất hay được sử dụng trong các hệ thống SDR (Software Defined Radio) vì khả năng tái cấu hình giúp các chức năng của thiết bị có thể thay đổi nhanh chóng. Một hệ thống CPU/MCU/ DSP cũng có thể làm được chuyện này. Tuy nhiên có nhiều ứng dụng tốc độ cao mà các MCU thậm chí cả các CPU/DSP trung bình cũng phải bất lực. Trong nhiều ứng dụng tốc độ cao đó có thể kể đến bộ thu phát SSB đổi tần trực tiếp. Thiết kế bộ thu phát SSB đổi tần trực tiếp, đồng nghĩa với việc nhúng bộ xử lí tín hiệu số tốc độ cao, kích thước nhỏ trong thiết bị radio. Trước ưu điểm của FPGA như vậy, em quyết định chọn đề tài Nghiên cứu bộ thu phát SSB đổi tần trực tiếp trên FPGA cho môn học Đồ án III. Hoàn thành đồ án giúp em hiểu rõ hơn về phương pháp điều chế tín hiệu tương tự SSB, nắm được các khối chức năng của bộ thu phát SSB đổi tần trực tiếp trên FPGA. Trong quá trình học tập và làm bài tập, em luôn nhận được sự quan tâm, định hướng và chỉ bảo của cô giáo, PGS. Nguyễn Thuý Anh. Em xin chân thành cảm ơn cô và chúc cô sức khoẻ! 2
3. BỘ THU PHÁT SSB TRÊN FPGA PHẦN A. ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ SSB. I. Khái niệm điều chế và giải điều chế tín hiệu Điều chế tín hiệu là quá trình biến đổi thông số của một tín hiệu tuấn hoàn theo sự thay đổi của tín hiệu mang thông tin cần truyền đi xa. Tín hiệu tuần hoàn gọi là sóng mang và quá trình có thể thay đổi một hoặc nhiều thông số của sóng mang. Các thông số thông thường là biên độ, pha, tần số. Tín hiệu mang thông tin gọi là tín hiệu được điều chế. Ở đầu thu bộ giải điều chế sẽ dựa vào sự thay đổi các thông số của sóng mang để tái tạo lại tín hiệu mang thông tin ban đầu. Ví dụ : Tín hiệu tiếng nói có tần số thấp, không thể truyền đi xa được. Người ta dùng một tín hiệu hình sin có tần số cao (để có thể truyền đi xa được) làm sóng mang. Biến đổi biên độ của tần số sin đó theo tín hiệu tiếng nói. Ở đầu thu người ta dựa vào sự thay đổi biên độ của tín hiệu thu được để tái tạo lại tín hiệu tiếng nói ban đầu. Các phương pháp điều chế cao tần thường dùng với tín hiệu liên tục Điều chế biên độ AM ( Amplitude Modulation) Điều chế đơn biên SSB ( Single Side Bande) Điều chế tần FM (Frequency Modulation) Điều chế pha PM ( Phase Mudulation) Giải điều chế tín hiệu là quá trình ngược lại với quá trình điều chế. Trong quá trình thu được có một trong các tham số : biên độ , tần số, pha của tín hiệu sóng mang được biến đổi theo tín hiệu điều chế và tuỳ theo phương thức điều chế mà ta có được các phương thức giải điều chế thích hợp để lấy lại thông tin cần thiết. 3
4. BỘ THU PHÁT SSB TRÊN FPGA Phương pháp giải điều chế còn gọi là phép lọc tin. Tuỳ theo hỗn hợp tín hiệu và các chỉ tiêu tối ưu về sai số ( độ chính xác) phải đạt được mà có các phương pháp giải điều chế thông thường như: Tách sóng biên độ Tách sóng tần số Tách sóng pha II. Vị trí của điều chế tín hiệu nói chung và của điều chế đơn biên SSB nói riêng trong điều chế thông tin : 4
5. BỘ THU PHÁT SSB TRÊN FPGA AM-SC Biên độ Điều chế AM tương tự SSB_SC Các phương pháp SSB điều chế VSB FM Góc pha PM PAM Điều chế Tương tự xung PPM PDM PCM Số Delta ASK Điều chế số PSK FSK Hình 1. Đóng góp của điều chế đơn biên SSB trong điều chế thông tin. 5
6. BỘ THU PHÁT SSB TRÊN FPGA Hình 2. Vị trí của điều chế tín hiệu nói chung và của điều chế đơn biên SSB nói riêng trong hệ thống thông tin, III. Phương pháp điều chế đơn biên SSB đổi tần trực tiếp SSB (Single Side Band) là một phương pháp điều chế tương tự, việc điều chế được thực hiện liên tục theo tín hiệu thông tin tương tự. SSB sử dụng các bộ lọc dải hẹp thích hợp để thu được chỉ một biên (hoặc là biên trên USB hoặc là biên dưới LSB), và loại bớt đi một biên còn lại. 6
7. BỘ THU PHÁT SSB TRÊN FPGA Hình 3. Tín hiệu điều chế SSB so với các tín hiệu điều chế khác Điều chế SSB đổi tần trực tiếp là quá trình điều chế đơn biên mà trực tiếp làm biến đổi tần số của một tín hiệu tuần hoàn theo sự thay đổi của tín hiệu mang thông tin cần truyền đi xa. Bảng 1. So sánh phương pháp điều chế SSB với các phương pháp điều chế tương tự khác. Phương pháp điều Độ phức tạp Băng thông tín hiệu Hiệu suất chế giải điều chế điều chế năng lượng AM-SC Cao Rộng Cao AM Thấp Rộng Thấp SSB-SC Cao Hẹp Cao SSB Thấp Hẹp Thấp VSB Cao Vừa phải Vừa phải 7
8. BỘ THU PHÁT SSB TRÊN FPGA Bảng 2. Ưu nhược điểm của điều chế SSB so với điều chế AM Điều chế tương tự SSB Điều chế tương tự AM Tín hiệu SSB thu được chỉ một biên Tín hiệu AM tồn tại cả USB (Upper ( hoặc USB hoặc LSB), biên còn lại Side Band) và LSB (Lower Side bị loại bớt đi band) Tiết kiệm băng thông hơn Băng thông lớn hơn Tiết kiệm công suất phát hơn khi Tiêu tốn công suất phát nhiều hơn xét trên cùng khoảng cách thông tin Yêu cầu cao Yêu cầu đơn giản hơn Yêu cầu của SSB cao hơn so với AM thông thường vì phải có bộ lọc nửa biên còn lại nên chi phí cao hơn và về mặt kĩ thuật sẽ giải quyết bài toán khó hơn so với AM thông thường Sở dĩ SSB tiết kiệm băng thông và tiết kiệm công suất phát khi xét trên cùng khoảng cách thông tin so với cách điều biên AM thông thường vì không phải truyền công suất sóng mang vô ích vào nửa biên còn lại! 8
9. BỘ THU PHÁT SSB TRÊN FPGA PHẦN B. BỘ THU PHÁT SSB ĐỔI TẦN TRỰC TIẾP TRÊN FPGA I. Nền tảng phần cứng 1.1. Công nghệ FPGA Field-programmable gate array (FPGA) là vi mạch dùng cấu trúc mảng phần tử logic mà người dùng có thể lập trình được. (Chữ field ở đây muốn chỉ đến khả năng tái lập trình “bên ngoài” của người sử dụng, không phụ thuộc vào dây chuyền sản xuất phức tạp của nhà máy bán dẫn). Vi mạch FPGA được cấu thành từ các bộ phận: Các khối logic cơ bản lập trình được (logic block) Hệ thống mạch liên kết lập trình được Khối vào/ra (IO Pads) Phần tử thiết kế sẵn khác như DSP slice, RAM, ROM, nhân vi xử lý. Hình 4. KIT FPGA của hãng Altera 9
10. BỘ THU PHÁT SSB TRÊN FPGA Thiết kế hay lập trình cho FPGA được thực hiện chủ yếu bằng các ngôn ngữ mô tả phần cứng HDL như VHDL, Verilog, AHDL, các hãng sản xuất FPGA lớn như Xilinx, Altera thường cung cấp các gói phần mềm và thiết bị phụ trợ cho quá trình thiết kế, cũng có một số các hãng thứ ba cung cấp các gói phần mềm kiểu này như Synopsys, Synplify Các gói phần mềm này có khả năng thực hiện tất cả các bước của toàn bộ quy trình thiết kế IC chuẩn với đầu vào là mã thiết kế trên HDL (còn gọi là mã RTL) 1.2. Tại sao là FPGA Tại sao phải dùng FPGA trong khi đã có trong tay MCU/CPU thậm chí cả các DSP cực mạnh? Vì: MCU/CPU/DSP vẫn cần các hardware khác bên cạnh trong các ứng dụng chuyên dụng. Để điều khiển VGA sử dụng CPU làm controller cần CPU với tốc độ 27Mhz hoạt động 100% CPU Các ứng dụng xử lý hình ảnh/video, các ứng dụng mạng neuron, IA cần tốc độ xử lý rất lớn. Mặc dù các DSP đủ mạnh và các SoC mạnh có thể thực hiện được, nhưng sự lựa chọn còn phụ thuộc vào vấn đề kinh tế. Với FPGA, chúng ta hoàn toàn có thể thiết kế ra một con CPU của chính mình Đến với FPGA, chúng ta có cơ hội để tiếp cận gần nhất thế giới của IC Chúng ta có thể thực hiện một hệ thống với đầy đủ CPU/Peripheral/IO và kết nối chúng theo ý muốn, hoặc thậm chí một hệ thống đầy đủ không cần cả CPU như các Chip giải mã/nén Video/Audio, các Chip xử lý hình ảnh/giọng nói, các Chip PID Motor Controller, Networking chip 10
11. BỘ THU PHÁT SSB TRÊN FPGA 1.3. Tại sao không kết hợp FPGA và vi điều khiển Co-design kết hợp năng lực về phần cứng của FPGA với ưu thế xử lý phần mềm của Vi điều khiển để tạo nên một hệ thống đầy sức mạnh. Ví dụ thiết kế một ứng dụng đo nhiệt độ phòng với cảm biến nhiệt có giao tiếp I2C. Nếu chỉ dùng MCU thông thường không có giao tiếp I2C thì sẽ gặp rất nhiều khó khăn (Phải lập trình ngắt, bắt sườn, mức của xung, ). Còn nếu chỉ sử dụng FPGA trong ứng dụng này cũng không ổn vì lúc đó sẽ gặp khó khăn nhất định trong các tính toán số học. Ví dụ cảm biến đo nhiệt độ bằng đơn vị độ F, trong khi muốn hiển thị độ C, mà muốn thực hiện các phép toán cộng trừ nhân chia để chuyển đổi độ F với độ C bằng FPGA là không hề đơn giản. Trong trường hợp này, chúng ta thiết kế theo phương thức co-design. FPGA phụ trách giao tiếp với cảm biến I2C và trả về các số liệu thô để MCU thực hiện các tính toán số học. Vậy, tại sao không lấy một MCU có sẵn giao tiếp I2C hoặc nối một controlller I2C với MCU? Câu trả lời là nếu sau này tìm thấy một cảm biến khác tốt hơn, chính xác hơn nhưng lại là giao tiếp SPI hoặc CAN, lúc đó phải bỏ nhiều công sức vào đó để thay đổi thiết kế (thay một MCU khác có SPI, CAN hoặc thay controller khác) trong khi nếu sử dụng khả năng tuỳ biến phần cứng của FPGA, thì có thể cấu hình lại giao thức I2C thành SPI hay CAN, Tuyệt vời hơn nữa là có thể lưu cấu hình của FPGA trong thẻ nhớ ngoài (MMC, compact flash) và MCU sẽ cấu hình lại FPGA ngay trong quá trình hoạt động mà không cần phải nạp lại chương trình. Thậm chí nhiều FPGA còn có đặt tính cấu hình lại một phần của FPGA trong khi các phần khác vẫn hoạt động mà không cần phải reset lại FPGA. 11
12. BỘ THU PHÁT SSB TRÊN FPGA Hình 5. Mô hình kết hợp FPGA và MCU Bài toán đặt ra là có nên kết hợp giữa FPGA và Vi điều khiển khi muốn thiết kế bộ thu phát SSB đổi tần trực tiếp? Mặc dù kết hợp năng lực về phần cứng của FPGA với ưu thế xử lý phần mềm của Vi điều khiển để tạo nên một hệ thống đầy sức mạnh, nhưng sự kết hợp này là tốn kém, có hạn chế trong thiết kế và tốc độ. II. Bộ thu phát SSB trên FPGA 1. Sơ đồ và mô tả các khối Cấu hình FPGA được tải tự động từ bộ nhớ flash khi được cấp nguồn. 1.1. ADC, DAC Bộ chuyển đổi tương tự - số ADC và số - tương tự DAC bao gồm: High-speed Analog to Digital Converter (ADC) Serial Flash Memory and Low-speed DAC High-speed Digital to Analog Converter (DAC) Đầu vào tương tự ADC và đầu ra tương tự DAC được cung cấp trực tiếp trên kết nối 2 chân và lọc tương tự bên ngoài. Điều này cho phép dùng mạch 2 lớp hoặc mạch đục lỗ mạ đồng cho mạch tương tự 12
13. BỘ THU PHÁT SSB TRÊN FPGA Hình 6. Giao diện cho ADC và DAC và cung cấp chuyển đổi số lên, xuống, lọc và kiểm soát mức tín hiệu. Một vài chức năng hoạt động ở 2 lần tốc độ lấy mẫu để chia sẻ nguồn tài nguyên. Các dòng đơn trong sơ đồ khối là các đường dẫn nơi mà mẫu pha I và mẫu vuông Q được xử lí ở tần số 160MHz. Các dòng đôi là các đường dẫn mà mẫu I và Q được xử lí ở 80MHz Phần cứng xử lí tín hiệu bắt đầu với DDS-Direct Digital Synthesizer, tần số của nó có thể là 0.02Hz. Trọng tâm của DDS là một bộ tích luỹ pha, cái mà gia số bởi giá trị trong thanh ghi tần số trung tâm ở chu kì thay thế của xung nhịp 160MHz. 10 bits trên của địa chỉ đầu ra pha một cổng kép hình sin 1024x18 ROM như bảng. Thêm vào một góc 90 độ bù vào chu kì đồng hồ thay thế tạo đầu ra cosin và sin. Đầu vào địa chỉ ROM chọn mục lân cận và nội suy tuyến tính được dùng để làm mượt đầu ra. Điểm khác biệt giữa các kênh lân cận là được nhân lên bởi bit 4-21 của bộ tích luỹ pha và rồi được thêm vào lối vào đầu tiên. Kênh mở rộng được sử dụng với độ 13
14. BỘ THU PHÁT SSB TRÊN FPGA trễ được thêm vào giữa các giai đoạn để sắp xếp kết quả. Thanh ghi dịch được cung cấp trong kiến trúc Xilinx giảm thiểu hoá nguồn năng lượng được sử dụng như một tế bào logic FPGA can thể cung cấp một thanh ghi dịch 1 đến 16 giai đoạn. Chu kì 8 xung nhịp dduwpcj dùng để tạo mỗi đầu ra. Thuật toán được mô tả ban đầu trong ứng dụng Motorola và sự kích thích nên dưới -112 dBc. Trong quá trình tiếp nhận, đầu vào từ ADC được nhân liên tiếp bởi các đầu ra cos và sin của DDS để tạo ra đầu ra băng cơ sở I và Q. Một bộ lọc CIC-Cascaded Integrator Comb( bộ lọc tích hợp ghép tầng) và hai bộ lọc FIR-Finite Impulse Response (bộ lọc đáp ứng xung) cung cấp downsampling và thiết lập băng thông nhận. Giữa 2 bộ lọc có khoảng nhiễu. AGC định mức tín hiệu và chuyển từ 2 mẫu 20bit sang 2 mẫu 16bit. Các tín hiệu nhận có thể đi qua bộ lọc lấy mẫu lại để được chuyển đổi thành tỉ lệ ko phải là phần nguyên của tốc độ lấy mẫu ADC Khi truyền, các mẫu có thể chuyển tín hiệu băng cơ sở thành tỉ lệ tương ứng với DAC. Tín hiệu có thể được nén hoặc cắt bớt để giảm PAPR- Peak to Average Power Ratio(đỉnh tỉ lệ năng lượng trung bình) và thông qua vào bộ lọc chuỗi. Thứ tự của các bộ lọc được đảo lại cho việc truyền: 2 bộ lọc FIR trước , bộ lọc CIC sau. Tín hiệu băng cơ sở I và Q upsampled được trộn với đầu ra DDS cosin và sin và được cộng vào nhau để tạo đầu ra cuối cùng DAC 1.2. Các bộ lọc (Filters) Bộ lọc CIC có thể downsample hoặc upsample bởi một giá trị nguyên giữa 10 và 640, chuyển đổi giữa 80 Msps và 8000-125 ksps. Một bộ lọc CIC được sử dụng vì nó có thể cung cấp sự tiêu thụ lớn và tỷ lệ nội suy trong khi chỉ sử dụng cộng và trừ. Nó thực sự là một bộ lọc trung bình động 14
15. BỘ THU PHÁT SSB TRÊN FPGA , cái mà được tối ưu hoá để sử dụng ít phần cứng. Thay vì tổng hợp một số cố định các mẫu ở mỗi rãnh, quá trình được đơn giản hoá để tổng hợp tất cả mẫu trong bộ tích luỹ ( tích hợp ) và rồi tính toán sự khác nhau giữa các trạng thái bộ tích luỹ tại hai thời điểm khác nhau - đầu tiên và cuối cùng của đường trung bình động. Đáp ứng tần số của điểm khác nhau là dạng hình lược nên phần đó được gọi là bộ lọc lược. Bộ tích luỹ có thế tràn khi có đủ bít để che hết khoảng thời gian khi mà bộ lọc là trung bình. Bộ lọc đa tầng cải thiện đáp ứng tần số và sự tích hợp và các điểm khác biệt có thể được nhóm lại với nhau. Điều này đơn giản hoá downsampling vì mẫu xen giữa có thể được bỏ qua. Điểm khác biệt chỉ cần một thanh ghi trễ miễn là chúng chỉ khả dụng cho mỗi mẫu đầu ra. Bộ tích luỹ phải xử lí tất cả mẫu đầu vào. Khi upsampling các điểm khác biệt trước các bộ tích hợp. Mạch CIC chứa bốn bộ tích hợp 56-bit và bốn bộ khác biệt 28-bit cho mỗi kênh. Bộ tích hợp được chia làm hai và giữa hai nửa 28-bit là bộ đệm để tối thiểu hoá trễ lan truyền. Bộ lọc CIC có lợi ích vốn có mà biến thiên theo sự suy luận hoặc nhân tố tiêu thụ vì vậy nó được bù đắp bởi thiết lập một nhân tố có lợi, cái mà điều khiển bộ dịch hoặc nhân. Lợi ích CIC là ba phần năng lượng của nhân tố nội suy hoặc bốn phần năng lượng của nhân tố tiêu thụ. 15
16. BỘ THU PHÁT SSB TRÊN FPGA Hình 7. Bộ lọc CIC Khi nhận, mức tăng CIC tối thiểu là 10^4 và mức tăng tối đa là khoảng 1.68 x 10^11. Đầu vào dữ liệu nhận được (RDI) được nhân với 0- 1024 và được dịch 0-15 bits bởi hai mộ nhân 4 đầu vào trước khi đưa vào bộ tích hợp đầu tiên. Bộ dịch cung cấp một đầu ra 43bits vì vậy nó được mở rộng tới 56bits bằng việc thêm vào 13 bits dấu. Điều này đưa ra giới hạn tăng 2^25 hoặc khoảng 3.3 x 10^7; 28bits đầu của bộ tích hợp cuối cùng sau đó được chuyển đến bộ phân biệt đầu tiên và đầu ra dữ liệu nhận (RDO) được lấy từ 18bits đầu của bộ phân biệt cuối cùng. Do đó, tín hiệu đầu vào được mong muốn tăng 38bits (2.75 x 10^11) tại thời điểm nó là đầu ra. Khi nhân tố tiêu thụ nhỏ nhất của 10 được sử dụng, hiệu chỉnh tăng có thể thiết lập đến 2.75 x 10^7. Khi nhân tố tiêu thụ lớn nhất của 640 được sử dụng, hiệu chỉnh tăng có thể thiết lập đến 1.63 x 10^0. Đầu vào dữ liệu truyền (TDI) được nhân với 08 trước khi được chuyển tới 21bits dưới của bộ phân biệt đầu tiên. 7bits trên là bản sao của các bits dấu. Đó là điều cần thiết vì giải pháp yêu cầu được phát triển bởi ít nhất 1 bit mỗi trạng thái. Đầu ra bộ phân biệt 28bits đầy đủ sau đó bị dịch 16
17. BỘ THU PHÁT SSB TRÊN FPGA 0-15 bits và được đưa tới bộ tích hợp đầu tiên. Điều này đưa ra phạm vi điều chỉnh mức tăng 2^18 hoặc khoảng 2.6 x 10^5. Lợi tăng CIC nhỏ nhất là 10^3 và lớn nhất là khoảng 2.6 x 10^8. Tổng lợi tăng có thể giữ ở mức 2.6 x 10^8, vì vây đầu vào 18bits phát triển lên tới 46bits. Kết quả là đầu ra dữ liệu truyền (TDO) được khai thác ở bộ tích hợp cuối cùng và 10bits đầu được bỏ qua. Hai bộ lọc FIR thực hiện theo bộ lọc CIC. Đầu tiên được dùng cho downsampling bởi một nhân tố của 250 và thứ hai được dùng để thiết lập hình dạng của dải thông cuối cùng. Nó cũng có thể downsample hoặc upsample bởi một nhân tố lên đến 20 phụ thuộc vào độ dốc của màn lọc. Bộ lọc FIR đầu tiên xuất kết quả 18-bit, bộ lọc thứ hai xuất kết quả 20-bit. Bộ lọc CIC thực chất là bộ lọc FIR với tất cả hệ số bằng 1 và có đáp ứng tần số cố định trong đó chỉ một phần nhỏ của phần trung tâm là phẳng. Các bộ lọc FIR hoạt động bằng cách nhân các mẫu tín hiệu với hệ số chủ động và hệ số thụ động và cộng tổng chúng lại với nhau. Bộ lọc FIR tiêu thụ nhiều nguồn hơn bộ lọc CIC nhưng điều này cho phép tạo đáp ứng tần số để xác định yêu cầu kĩ thuật. Cả hai bộ lọc đều sử dụng hệ số 24bit để giảm đáp ứng giả. Sự kích thích giảm từ 4-5 dB một bit hệ số phụ thuộc yếu tố hình dạng bộ lọc và số lượng downsampling hoặc upsampling. Khoảng nhiễu tạo giá trị tuyệt đối của mẫu I và mẫu Q bằng việc bổ sung giá trị thụ động. Nó được so sánh với giới hạn và nếu nó vượt quá , đầu ra thiết lập về 0. Hai thanh ghi đếm xung ở sườn lên của xung tỉ lệ đơn(sclk) thẳng hàng với đầu ra tương đương với hai mẫu liên quan. Tín hiệu là trễ trong ba thanh ghi và thanh ghi thứ tư bị thiết lập lại khi qua mẫu cuối. Logic này được đặt giữa các bộ lọc FIR vì vậy khoảng trống xảy ra trước tiên tới bộ lọc bờ dốc cuối cùng. 17
18. BỘ THU PHÁT SSB TRÊN FPGA Hình 8. Bộ lọc FIR Mỗi bộ lọc sử dụng hai khối RAMs cổng kép 18k. Một cổng của RAM dữ liệu được dùng để lưu trữ các mẫu khi chúng đến. Bộ đếm mẫu xác định địa chỉ được sử dụng và nó tăng sau mỗi lần viết. Khi bộ lọc bắt đầu, nội dung của bộ đếm mẫu được lưu và sử dụng như địa chỉ cơ sở cho cổng khác, cổng mà được sử dụng khôi phục lại mẫu cho xử lí tín hiệu bởi bộ lọc. Mẫu I và Q được lưu lần lượt trong RAM và được truy cập trong pha đối diện của xung chủ 80 MHz. Khối RAM thứ hai lưu trữ câu lệnh bao gồm chỉ số 9bit, một hệ số 24bit, một bit cho phép ghi và một kết thúc của bit lọc. CPU có thể tải lệnh thông qua cổng rộng 9bit. Lệnh được đánh địa chỉ bởi bộ đếm chương trình được khôi phục lại qua hai chu kì xung nhịp và được sử dụng để xử lí mẫu I trong một chu lì xung nhịp và mẫu Q trong chu kì xung nhịp tiếp theo. Dữ liệu được đọc từ RAM dữ liệu ở địa chỉ hiện tại bằng cách trừ chỉ số từ thanh ghi địa chỉ cơ sở. Sau đó nó được nhân với hệ số sử dụng hai bộ nhân chuyên dụng 18x18 và hai bộ cộng để tính tổng các kết quả đó lại. Việc đó 18
19. BỘ THU PHÁT SSB TRÊN FPGA tạo một sản phẩm 42bit mà được tính tổng luân phiên trong hai bộ tích luỹ 42bit. Bộ tích luỹ được chia thành ba đoạn 14bit để giảm trễ truyền lan mang theo và cộng xảy ra qua 3 chu kì xung nhịp. Mỗi đoạn gồm một bộ cộng và một bộ nhân. Nó cung cấp một trễ 2 xung nhịp để hỗ trợ hai kênh. Bộ nhân có một cổng nối đến 0 vì vậy chúng có thể được dùng để chuyển đổi giữa tải và tích luỹ bởi tín hiệu Z3, Z4, Z5. Tổng kết quả cuối cùng sau đó được làm tròn đến 18 hoặc 20bit. 1.3. Bộ điều khiển CPU Một CPU(80 MHz 16bit) có 1 tập lệnh RISC bao gồm thao tác bit để xử lí giao thức và đa phần cứng, đa tích lũy và chia cho xử lí tín hiệu. Nó cũng cho phép cộng, trừ, tải hoặc so sánh các hằng số 8bit trong 1 tập lệnh hoặc cùng một hoạt động với các hằng số 16bit dùng một lệnh tiền tố. Ngoài ra, lệnh đọc và ghi bộ nhớ hỗ trợ địa chỉ gián tiếp với độ dịch offset trong khi lệnh vào và ra dùng địa chỉ trực tiếp. Điều này tạo mã nén nhanh 19
20. BỘ THU PHÁT SSB TRÊN FPGA Hình 9. CPU và các thiết bị ngoại vi CPU có 8KB lệnh chuyên biệt và bộ nhớ dữ liệu được truy cập đồng thời qua 2 cổng. Nó được bổ sung bởi 1 số modun mà cung cấp I/O và tăng tốc thuật toán chung cho giao tiếp số và xử lí tín hiệu số như lọc , phát hiện và sửa lỗi. Chúng được truy cập thông qua cổng I/O và bộ nhớ đệm 2 cổng. Lợi ích của kiến trúc này là CPU có thể bắt đầu nhiều hoạt động song song 1.4. Điều chế và giải điều chế Dùng CORDIC-coordinate rotation digital computer (điều phối luân phiên số) để điều chê và giải điều chế tín hiệu khi một sóng mang đơn được sử dụng. Đó là thuật toán thực thi hàm lượng giác chỉ sử dụng cộng và dịch. Cho điều chế biên độ AM-amplitude modulation và điều chế pha FM- phase modulation, nó có thể xoay tín hiệu vào để thay đổi pha hoặc đo pha và độ lớn của đầu vào. FM: đầu vào được tích hợp, đầu ra được phân biệt . Sự truyền và nhận SSB dùng ắc quy 16bit xoay pha liên tiếp. Chức năng 20
21. BỘ THU PHÁT SSB TRÊN FPGA này như BFO và cung cấp độ phân giải 0.12Hz ở 8ksps. CPU truy cập modem thông qua FIFO 15 từ với 2 cổng vào 16bit, bao gồm trong đó cả độ lớn và pha hoặc thông tin I và Q. Hình . Mạch điều chế và giải điều chế Đơn vị khôi phục thời gian tạo tín hiệu lỗi dùng trong tối ưu hóa lấy mẫu song song FSK và PSK. Sự phát hiện null và bộ tương quan pha cung cấp phục hồi thời gian cho tiếp nhận OFDM . Biến đổi Fourier nhanh FFT được cung cấp cho OFDM hoặc MFSK. Nó di chuyển dữ liệu giữa 2 RAM trong khi chuyển đổi miền thời gian và tần số. Vùng bộ đệm thời gian kết nối trực tiếp với tuner và bộ đệm tần số được đọc hoặc viết bởi CPU. Khi nhận, mẫu I và Q của của tín hiệu vào tích lũy trong 1 RAM, modun xử lí rồi tính toán FFT và đặt pha và độ lớn cho mỗi giải điều chế trong RAM thứ 2. Khi truyền, CPU đặt dữ liệu trong RAM thứ hai và được chuyển đổi thành một loạt các mẫu trong RAM I/Q 21
22. BỘ THU PHÁT SSB TRÊN FPGA 2. Sơ đồ nguyên lí 2.1. Mô tả chung Phần cứng dựa trên Xilinx XC3S250E FPGA. Lưu ý với XC3S500E cố cấu hình chân tương tự với gói TQFP 100 chân. - PCB 2.5” x 2.4” - Xilinx XC3S500E FPGA - Một ADC 80Msps - Giao diện lớp vật lý(PHY) Ethrnet 100Mbps - Bộ nhớ flash 4 Megabit - Một cổng JTAG - Một DAC tốc độ thấp - Một cổng RS-485 để debug và điều khiển - 10 chân nối trực tiếp với 5 cổng vào ra I/O của FPGA có thể được sử dụng cho debug, điều khiển mạch tương tự và/hoặc đính kèm 1 thiết bị âm thanh CODEC 2.2. Sơ đồ sơ lược PCB xử lí tín hiệu số DCP-3 có thể chia làm 6 phần và sơ đồ mỗi phần như sau: Ethernet Interface High-speed Analog to Digital Converter (ADC) Serial Flash Memory and Low-speed DAC High-speed Digital to Analog Converter (DAC) Voltage Regulator and JTAG Interface Clock Oscillators 22
23. BỘ THU PHÁT SSB TRÊN FPGA 2.2.1. Giao diện Ethernet 23
24. BỘ THU PHÁT SSB TRÊN FPGA 2.2.2. ADC tốc độ cao 24
25. BỘ THU PHÁT SSB TRÊN FPGA 2.2.3. DAC tốc độ thấp và bộ nhớ Flash nối tiếp 25
26. BỘ THU PHÁT SSB TRÊN FPGA 2.2.4. DAC tốc độ cao 26
27. BỘ THU PHÁT SSB TRÊN FPGA 2.2.5. Giao diện chỉnh áp và JTAG 27
28. BỘ THU PHÁT SSB TRÊN FPGA 2.2.6. Máy đo xung 28
29. BỘ THU PHÁT SSB TRÊN FPGA KẾT LUẬN Như vậy bộ thu phát SSB dựa trên công nghệ FPGA được bao quanh bởi một bộ điều khiển Ethernet, một chuyển đổi tương tự - số và hai chuyển đổi số - tương tự. Bộ thu sẽ số hóa điện áp của anten, bộ truyền sử dụng chuyển đổi hướng số học tới RF. PHỤ LỤC STT NỘI DUNG Hình 1 Đóng góp của điều chế đơn biên SSB trong điều chế thông tin Hình 2 Vị trí của điều chế tín hiệu nói chung và của điều chế đơn biên SSB nói riêng trong hệ thống thông tin, Hình 3 Tín hiệu điều chế SSB so với các tín hiệu điều chế khác Bảng 1 So sánh phương pháp điều chế SSB với các phương pháp điều chế tương tự khác. Bảng 2 Ưu nhược điểm của điều chế SSB so với điều chế AM Hình 4 KIT FPGA của hãng Altera Hình 5 Mô hình kết hợp FPGA và MCU Hình 6 Giao diện cho ADC và DAC và cung cấp chuyển đổi số lên, xuống, lọc và kiểm soát mức tín hiệu. Hình 7 Bộ lọc CIC Hình 8 Bộ lọc FIR Hình 9 CPU và các thiết bị ngoại vi Hình 10 Mạch điều chế và giải điều chế 29
30. BỘ THU PHÁT SSB TRÊN FPGA MỤC LỤC MỞ ĐẦU 2 PHẦN A. ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ SSB 3 I. Khái niệm điều chế và giải điều chế tín hiệu 3 II. Vị trí của điều chế tín hiệu nói chung và của điều chế đơn biên SSB nói riêng trong điều chế thông tin : 4 III. Phương pháp điều chế đơn biên SSB đổi tần trực tiếp 6 PHẦN B. BỘ THU PHÁT SSB ĐỔI TẦN TRỰC TIẾP TRÊN FPGA 9 I. Nền tảng phần cứng 9 1.1. Công nghệ FPGA 9 1.2. Tại sao là FPGA 10 1.3. Tại sao không kết hợp FPGA và vi điều khiển 11 II. Bộ thu phát SSB trên FPGA 12 1. Sơ đồ và mô tả các khối 12 1.1. ADC, DAC 12 1.2. Các bộ lọc (Filters) 14 1.3. Bộ điều khiển CPU 19 1.4. Điều chế và giải điều chế 20 2. Sơ đồ nguyên lí 22 2.1. Mô tả chung 22 2.2. Sơ đồ sơ lược 22 2.2.1. Giao diện Ethernet 23 2.2.2. ADC tốc độ cao 24 2.2.3. DAC tốc độ thấp và bộ nhớ Flash nối tiếp 25 2.2.4. DAC tốc độ cao 26 2.2.5. Giao diện chỉnh áp và JTAG 27 2.2.6. Máy đo xung 28 KẾT LUẬN 29 PHỤ LỤC 29 MỤC LỤC 30 30