Đề tài Nghiên cứu bộ thu phát SSB đổi tần trực tiếp trên FPGA

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 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 1 BỘ THU PHÁT SSB TRÊN FPGA 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! 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. 2 BỘ THU PHÁT SSB TRÊN FPGA 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. 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 : 3 BỘ THU PHÁT SSB TRÊN FPGA Hình 1. Đóng góp của điều chế đơn biên SSB trong điều chế thông tin. 4 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. 5 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 chế Độ phức tạp giải điều chế Băng thông tín hiệu điều chế Hiệu suất 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 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 ( hoặc USB hoặc LSB), biên còn lại Tín hiệu AM tồn tại cả USB (Upper Side Band) và LSB (Lower Side 6 BỘ THU PHÁT SSB TRÊN FPGA bị loại bớt đi band) Tiết kiệm băng thông hơn Băng thông lớn hơn Tiết kiệm công suất phát hơn khi xét trên cùng khoảng cách thông tin Tiêu tốn công suất phát nhiều hơn 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! PHẦN B. BỘ THU PHÁT SSB ĐỔI TẦN TRỰC TIẾP TRÊN FPGA I. Nền tảng phần cứng I.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: 7 BỘ THU PHÁT SSB TRÊN FPGA • 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 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) I.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: 8 BỘ THU PHÁT SSB TRÊN FPGA 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 I.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. 9 BỘ THU PHÁT SSB TRÊN FPGA 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. 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. 10 [...]... 20 BỘ THU PHÁT SSB TRÊN FPGA 2.2.1 Giao diện Ethernet 21 BỘ THU PHÁT SSB TRÊN FPGA 2.2.2 ADC tốc độ cao 22 BỘ THU PHÁT SSB TRÊN FPGA 2.2.3 DAC tốc độ thấp và bộ nhớ Flash nối tiếp 23 BỘ THU PHÁT SSB TRÊN FPGA 2.2.4 DAC tốc độ cao 24 BỘ THU PHÁT SSB TRÊN FPGA 2.2.5 Giao diện chỉnh áp và JTAG 25 BỘ THU PHÁT SSB TRÊN FPGA 2.2.6 Máy đo xung 26 BỘ THU PHÁT SSB TRÊN FPGA KẾT LUẬN Như vậy bộ thu phát SSB. .. 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 17 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 thu t toán chung cho giao tiếp số và xử lí tín hiệu số như lọc , phát. .. 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 15 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...BỘ THU PHÁT SSB TRÊN FPGA 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... 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 tạo một sản phẩm 42bit mà được tính tổng luân phiên trong hai bộ tích luỹ 16 BỘ THU PHÁT SSB TRÊN FPGA 42bit Bộ tích luỹ được chia thành ba... được cộng vào nhau để tạo đầu ra cuối cùng DAC 12 BỘ THU PHÁT SSB TRÊN FPGA 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 , cái mà được tối ưu hoá... 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... CPU đặt dữ liệu trong RAM thứ hai và được chuyển đổi thành một loạt các mẫu trong RAM I/Q 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 19 BỘ THU PHÁT SSB TRÊN FPGA - 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... 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 14 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... 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 13 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 01024 và được dịch 0-15 bits bởi hai mộ nhân 4 đầu vào trước khi đưa vào bộ tích hợp đầu tiên Bộ dịch . 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:. 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. 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. 10 BỘ THU PHÁT SSB TRÊN FPGA 1.1. ADC, DAC Bộ chuyển đổi tương