Nghiên cứu bộ thu phát SSB đổi tần trực tiếp trên FPGA (1)

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.. Hoàn thành đồ án giúp em hiểu rõ hơn về phươn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

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!

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

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 :

Các phương pháp điều chế

Điều chế tương tự

Điều chế xung

Điều chế số

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

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

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

bị loại bớt đi

Tín hiệu AM tồn tại cả USB (Upper Side Band) và LSB (Lower Side 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 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

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

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

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

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

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

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

, 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

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

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