Ứng dụng thuật giải cordic mô phỏng bộ định hướng anten trên cấu trúc fpga

LỜI CẢM ƠN Lời Luận Án Tốt Nghiệp xin trân trọng gởi đến q Thầy Cô lời cảm ơn chân thành nhất! Tôi xin chân thành gởi lời cảm ơn đến: - Phòng Đào tạo Sau Đại học trường Đại học Bách Khoa TPHCM tạo điều kiện tốt cho suốt trình học tập trường - Các thầy cô thuộc chuyên ngành Vô tuyến Điện tử cung cấp cho kiến thức chuyên môn q báu - Các bạn cung cấp tài liệu, trao đổi kiến thức động viên suốt trình thực đề tài - Xin đặc biệt cám ơn Ts Lê Tiến Thường ThS Hoàng Đình Chiến tận tình hướng dẫn giúp hoàn thành đề tài tốt nghiệp Tp HỒ CHÍ MINH, ngày 06/12/2002 Học viên thực NGUYỄN TRỌNG HẢI Abstract This thesis studies the concepts of beamforming, the considerations to observe when designing an digital beamformer using the Coordinate Rotations Digital Computer (CORDIC) algorithm Characteristics of the digital beamformer hardware are simulated using MAX_PLUS II software and FLEX10K devive of ALTERA A MATLAB toolbox is developed in conjunction with formulae to aid simulation, experimentation and visualisation of beamforming techniques and parameters Beamforming is the process of combining the outputs of an array of sensors in such a way as to achieve spatial selectivity Beams are combined to form spatial maps, or images, of two and three dimensional volumes In communications, beamforming is used to point an antenna at the signal source to reduce interference and improve communication quality In direction finding applications, beamforming can be used to steer an antenna to determine the direction of the signal source Digital beamformers additionally require fast and efficient processing engines to compute the large number of phase shifts The CORDIC algorithm is such an engine and an implementation of an optimised word-parallel pipelined processor using minimal hardware is shown Mục lục MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 TOÅNG QUAN .4 1.2 MỤC ĐÍCH CỦA LUẬN ÁN .5 1.3 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯC .5 1.4 CẤU TRÚC CỦA LUẬN ÁN .5 CHƯƠNG ANTEN DÃY VÀ SỰ ĐỊNH HƯỚNG SỐ 2.1 ANTEN DÃY HAI PHẦN TỬ 2.2 DÀN ANTEN TUYẾN TÍNH N PHẦN TỬ 2.3 DÀN ANTEN HƯỚNG NGANG .12 2.4 DAØN ANTEN HƯỚNG ĐỨNG 13 2.5 PHASED (SCANNING) ARRAY (DÀN ANTEN HƯỚNG TÙY Ý) 14 2.6 PLANAR ARRAY 16 2.7 BIỂU THỨC ĐIỀU KHIỂN HƯỚNG PHÁT XẠ TỔNG QUÁT 18 2.7.1 Điều khiển búp hướng .19 2.7.2 Mô dãy tuyến tính dùng MatLab 20 2.7.3.Hàm cửa sổ chữ nhật độ phân giải búp hướng .22 2.8 ĐIỀU KHIỂN HƯỚNG PHÁT XẠ (BEAMFORMING) .23 2.8.1 Định hướng số 24 2.8.2 Sơ đồ khối điều khiển búp hướng đơn giản miền thời gian 27 2.8.3 Caùc hướng lượng tử hoá 28 2.9 CÁC YẾU TỐ QUAN TRỌNG CỦA BỘ TẠO BÚP HƯỚNG 29 2.9.1 Các điều kiện hoạt ñoäng 29 2.9.2 Spatial Aliasing 30 2.9.3 Độ rộng búp hướng 33 2.9.4 Số búp hướng 35 Trang Mục lục 2.8.5 Trọng số dãy .37 2.8.6 Laáy mẫu không đồng 38 2.8.7 Sự hội tụ búp hướng 39 2.10.TÓM LẠI 42 CHƯƠNG CÁC KỸ THUẬT ĐỊNH HƯỚNG .44 3.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP LẤY MẪU 44 3.1.1 Phương pháp lấy mẫu nội suy (Interpolation sampling) 44 3.1.2 Phương pháp lấy mẫu cầu phương (Quadrature sampling) .46 3.2 KỸ THUẬT ĐỊNH HƯỚNG NỘI SUY (Interpolation Beamforming) 47 3.3 KỸ THUẬT ĐỊNH HƯỚNG CẦU PHƯƠNG 48 3.4 KỸ THUẬT ĐỊNH HƯỚNG TRONG MIỀN TẦN SỐ 50 3.4.1 Biến đổi Fourier rời rạc .51 3.4.2 Bộ tạo búp hướng dịch pha 51 3.5 TỔNG KẾT CÁC KỸ THUẬT ĐỊNH HƯỚNG 53 3.5.1 Kỹ thuật định hướng miền thời gian 53 3.5.2 Kỹ thuật định hướng miền tần số .53 3.5.3 Các yêu cầu thực định hướng 53 3.5.4 Sơ đồ định hướng 54 3.6 TÓM LẠI 56 CHƯƠNG THUẬT GIẢI CORDIC 57 4.1 CAÙC PHƯƠNG TRÌNH CORDIC CƠ BẢN .57 4.2 CÁC CẤU TRÚC PHẦN CỨNG CORDIC .61 4.2.1 Cấu trúc cordic từ nối tiếp 62 4.2.2 Cấu trúc CORDIC từ song song .63 4.3 ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA CORDIC 64 4.4 CẤU TRÚC CORDIC SỬA ĐỔI 67 4.5 TĂNG ĐỘ PHÂN GIẢI GÓC 70 4.6 TÓM TẮT 70 Trang Muïc luïc CHƯƠNG CẤU TRÚC BỘ ĐỊNH HƯỚNG DỊCH PHA 71 5.1 CẤU TRÚC BỘ ĐỊNH HƯỚNG 71 5.1.1 Khối xử lyù CORDIC 72 5.1.2 Ngõ vào định hướng 73 5.1.3 Ngõ định hướng 76 5.2 ĐIỀU KHIỂN BỘ ĐỊNH HƯỚNG .76 5.3 TÓM LẠI 83 CHƯƠNG THỰC HIỆN BỘ TẠO BÚP HƯỚNG DỊCH PHA 84 6.1 CẤU TRÚC FPGA 88 6.1.1 So sánh việc thực FPGA ASIC 87 6.1.2 Môi trường thiết kế phần cứng 88 6.1.3 Các ngôn ngữ mô tả phần cứng .88 6.1.4 Các công cụ phần mềm hỗ trợ 89 6.2 THỰC HIỆN BỘ ĐỊNH HƯỚNG DỊCH PHA 90 6.2.1 Khối xử lý CORDIC 90 6.2.2 Khoái FIFO 92 6.2.3 Các khối điều khiển 93 6.3 TOÙM LAÏI 98 CHƯƠNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG .99 7.1 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB 99 7.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG BẰNG MAX+PLUSII 125 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 142 Tài liệu tham khảo 144 Trang Chương Tổng quan CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN Lọc không gian tìm thấy nhiều ứng dụng radar, sonar, robotic, truyền thông, y học thiên văn Thông tin không gian mô tả phản xạ từ vật thể phát cảm biến (sensor) hay dãy cảm biến nh không gian ba chiều (hai chiều) nhận tổ hợp búp hướng Một búp hướng hình thành cách tập trung ngõ sensor theo hướng mong muốn Có nhiều phương pháp thực khác để định búp hướng, nhiên nhóm thành hai nhóm chính: học điện tử Trong suốt kỷ trước nhà khoa học sử dụng đặc tính anten parabol để định búp hướng, đặc tính học hệ thống bị giới hạn tốc độ quét, giá thành bảo dưỡng cao Hiện nay, thường sử dụng phương pháp không học dựa việc lọc không gian gọi định búp hướng (beamformer) Phương pháp trình kết hợp ngõ dãy cảm biến tạo khả lựa chọn không gian (lọc không gian) Quá trình định búp hướng thực cách sử dụng máy tính số kết hợp với phần cứng điện tử, giá thành bảo dưỡng thấp có tốc độ quét cao Việc thực phần cứng điều khiển búp hướng số cần số lượng phép tính đáng kể Các kỹ thuật gần sử dụng ASIC (Application Specific Integrated Circuits) FPGA (Field Programmable Gate Arrays) cung cấp khả thực thiết kế phức tạp cách nhanh chóng, hiệu có giá thành rẻ Điều khiển búp hướng trình kết hợp ngõ anten dãy (các cảm biến dãy) để đạt lựa chọn không gian thích hợp Các hướng kết hợp để tạo ánh xạ hay hình ảnh không gian (hai ba chiều) Thêm vào định búp hướng đa chiều (Multi-dimentional beamformer) yêu cầu xử lý nhanh hiệu để tính toán số lượng lớn phép toán dịch pha Việc thực dựa thuật toán CORDIC (COordinate Rotations DIgital Computer) để xử lý tối thiểu phần cứng Trang Chương Tổng quan Kỹ thuật ASIC/FPGA tạo khả để thực thuật toán nâng cao sử dụng cấu trúc song song để tăng tốc độ tính toán Kỹ thuật định búp hướng lựa chọn luận văn dựa độ dịch pha tín hiệu cảm biến phức, sử dụng thuật toán quay vector CORDIC 1.2 MỤC ĐÍCH CỦA LUẬN ÁN Nội dung đề tài ứng dụng thuật giải CORDIC mô dịch pha tạo búp hướng anten dựa cấu trúc FPGA, kết hợp với mô MATLAB để kiểm tra kết ngõ Ngôn ngữ mô tả phần cứng sử dụng AHDL ALTERA Phần mềm mô tả phần cứng mô hoạt động phần cứng MAXPLUS II ALTERA 1.3 KẾT QUẢ Luận văn thực yêu cầu đặt điều khiển hướng xạ kỹ thuật dịch pha phần tử anten ba cấu trúc bản: linear array, circular array planar array Thiết kế sơ đồ khối mô phần cứng kỹ thuật điều khiển dịch pha thuật giải CORDIC dựa cấu trúc FPGA Chương trình mô thể cách chi tiết đặc tính xạ cấu trúc giàn anten, qua giúp ta nhiều việc khảo sát thiết kế anten dãy cách phù hợp với yêu cầu thực tế 1.2 CẤU TRÚC CỦA LUẬN ÁN Cấu trúc luận án bao gồm chương thực nhiệm vụ sau: • Đưa mô hình lý thuyết giàn anten phương pháp điều khiển hướng phát xạ giàn anten • Ứng dụng thuật giải CORDIC mô dịch pha tạo búp hướng anten dựa cấu trúc FPGA, cụ thể cấu trúc FLEX10K ALTERA Trên sở đó, chương phân bố sau: Chương Tổng quan Chương Giàn anten định hướng số Chương Các kỹ thuật định hướng Trang Chương Tổng quan Chương Thuật toán CORDIC Chương Cấu trúc định hướng dịch pha Chương Thực định hướng dịch pha Chương Kết mô Chương Kết luận hướng phát triển Trang Chương Anten dãy định hướng số CHƯƠNG ANTEN DÃY VÀ SỰ ĐỊNH HƯỚNG SỐ Thông thường, mô hình xạ phần tử đơn tương đối rộng phần tử cung cấp tính định hướng thấp Trong thực tế cần độ định hướng cao để thực liên lạc khoảng cách lớn Điều đạt cách tăng kích thước trường điện anten, tăng kích thước phần tử riêng lẻ thường tạo nên đặc tính định hướng không thuận tiện Vì vậy, ứng dụng thực tế thường tăng điện trường anten cách phối hợp nhiều anten với gọi giàn anten (antennas array) Phần bày bao gồm số khái niệm giàn anten, phương pháp điều khiển hướng phát xạ cách thay đổi trọng số phức Phương pháp định hướng số (digital beamforming) đề cập, phần bao gồm mô cấu trúc định hướng số phần mềm MATLAB 2.1 GIÀN ANTEN HAI PHẦN TỬ Xét giàn anten gồm hai dipole chiều dài hữu hạn đặt ngang trục z hình 2.1 : z z d/2 d/2 θ θ1 r1 θ1 r r2 θ2 r1 d/2 θ y θ2 d/2 Trường xa Hai diplope hữu hạn Hình 2.1 Giàn anten hai phần tử Trang r y r2 Chương Anten dãy định hướng số Trường xạ tổng hai phần tử, giả sử ghép nối phần tử, tổng hai trường thành phần, mặt phẳng y_z, ta có: ⎫ kl l ⎧ e − j (kγ − ( β / ) ) e − j (kγ − ( β / ) ) cos θ + cos θ ⎬ E t = E1 + E = iθ xjη ⎨ r1 r2 4π ⎩ ⎭ (2.1) Với β độ lệch phần tử trường xa, ta có: (2.2) θ1 ≈ θ ≈ θ d cos θ d r2 = r + cos θ cho bieán pha r1 = r2 = r cho biến biên độ r1 = r − (2.3) (2.4) (2.1) trở thành: kl le − jkr ⎡1 ⎤ E t = iθ xjη cos θ x cos⎢ (kd cos θ + β )⎥ 4π ⎣2 ⎦ (2.5) từ (2.5) ta thấy trường tổng cộng giàn trường phần tử đơn đặt gốc nhân với hệ số, cách tổng quát, gọi hệ số giàn anten AF (Array Factor) Trong trường hợp giàn anten xét, hệ số giàn anten: ⎡1 ⎤ AF = cos⎢ (kd cos θ + β )⎥ ⎣2 ⎦ (2.6) chuẩn hoá ta coù: ⎡1 ⎤ AFn = cos⎢ (kd cos θ + β )⎥ ⎣2 ⎦ (2.7) Hệ số giàn anten đại lượng thay đổi theo vị trí điểm cần khảo sát, độ lệch pha phần tử anten & độ dài phần tử anten Bằng cách thay đổi khoảng cách d góc lệch pha hai điều khiển AF tức điều khiển trường giàn anten Tổng quát hoá kết đạt ta có mô hình luật nhân cho giàn anten gồm phần tử đồng : Trang Chương Kết mô Kết mô chương trình (thời gian yêu cầu 100us) Trang 128 Chương Kết mô Kết mô chương trình thời gian - 25us Kết mô chương trình thời gian 25 - 50us Trang 129 Chương Kết mô Kết mô chương trình thời gian 50 - 75us Kết mô chương trình thời gian 75 - 100us Trang 130 Chương Kết mô Kết mô khối addsub Kết mô khối accumulator Trang 131 Chương Kết mô Kết mô khối beamcontrol (thời gian yêu cầu 63us) Trang 132 Chương Kết mô Kết mô khối beamcontrol khoảng thời gian 0-30us Trang 133 Chương Kết mô Kết mô khối beamcontrol khoảng thời gian 30 - 63us Trang 134 Chương Kết mô Kết mô khối cordic accumulator Kết mô khối cordic cordic Trang 135 Chương Kết mô Kết mô khối cordic cordic unit Kết mô khối FIFO Trang 136 Chương Kết mô Kết mô khối Gain control Kết mô khối sample control Trang 137 Chương Kết mô Kết mô khối sample control (tt) Kết mô khối shifter Trang 138 Chương Kết mô Kết mô khối system Trang 139 Chương Kết luận hướng phát triển CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Luận án thực yêu cầu đặt phần nhiệm vụ: Khảo sát loại giàn anten (linear array, circular array, planar array) khả điều khiển hướng xạ chúng Tìm hiểu khái niệm lọc không gian, yếu tố quan trọng tạo búp hướng điều kiện dãy, điều kiện môi trường, spatial aliasing, độ rộng búp hướng, số búp hướng ảnh hưởng trường gần, trường xa Tìm hiểu phương pháp định hướng phương pháp định hướng miền thời gian phương pháp định hướng miền tần số, ưu nhược điểm phương pháp thể hiện, từ lựa chọn phương pháp định hướng dịch pha để thực luận án Ứng dụng thuật giải CORDIC mô định hướng anten dựa cấu trúc FPGA (FLEX10K), kết hợp với mô MATLAB để thể cách chi tiết đặc tính xạ cấu trúc anten (linear array, circular array planar array) Thuật giải CORDIC phù hợp với việc tính toán pha cho định hướng dịch pha, sai số thuật giải thể phần mô Phạm vi ứng dụng đề tài Trong công nghệ GSM CDMA tương lai SDMA để thiết kế anten thông minh điều khiển đường downlink bám theo thuê bao giảm nhiễu đồng kênh, tăng chất lượng phục vụ, tăng dung lượng kênh, Radar nhằm tăng tốc độ quét main beam nhanh, nhạy xác cao so với lọai Radar chuyển mạch cơ, kỹ thuật định hướng để thiết kế hệ thống anten thu đo định vị phát xạ vô tuyến điện Giới hạn đề tài Do hạn chế mặt thời gian nên việc thi công thực hệ thống anten dãy điều khiển hướng xạ cực đại kỹ thuật dịch pha chưa thể thực Luận án dừng lại việc mô MAX+PLUSII MATLAB để kiểm chứng Môi trường tín hiệu sử dụng trình nghiên cứu dừng lại mức độ đơn giản: nhiễu fading gây môi trường multipath Trang 142 Chương Kết luận hướng phát triển mà tồn nhiễu nhiệt Trong thực tế, môi trường multipath có nhiều thành phần fading tác động ta phải thay đổi ma trận trọng số anten cho tỷ số SNR hệ thống anten dãy lớn môi trường nhiễu Hướng phát triển đề tài Tính toán vector ma trận trọng số anten môi trường Multipath, bổ sung thuật toán không lặp lại để đạt hướng xạ cực đại mong muốn Trang 143 TÀI LIỆU THAM KHẢO TS Lê Tiến Thường, Ths Hoàng Đình Chiến, Nguyễn Lê Hùng – “Ứng dụng mạng Neural vào hệ thống anten thông minh” – Tạp chí Khoa học Công Nghệ số 32,33/2002 Phan Anh – “Lý thuyết anten” – Nhà xuất đại học trung học chuyên nghiệp – 1982 G.A Hampson – “A beamformer implementation capable of calculating multiple independent beams with interference rejection using hardware efficient CORDIC rotations” - www.nfra.nl (*.pdf file) G.A Hampson – “Development of Reconfigurable Digital Beamformer using Altera FPGA and Mega Functions” – www.nfra.nl (*.pdf file) Xilinx: Preliminary Product Specification - Virtex 2.5 V Field Programmable Gate Arrays, http://www.xilinx.com/products 9/5-00 Grant Hampson and Andrew Paplinski – “Fast implementation of Phase Shift Beamformer” – Department of Electrical Engineering, Linköping University SE-581 83 Linköping, SWEDEN, E-mail: henriko, larsw@isy.liu.se Harold Mott – “Antennas for Radar and Communications” – A wileyinterscience Publication – ISBN – 471-57538-0 Volder J – “The CORDIC trigonometric computing technique” – IRE Trans Electronic Computing Vol EC-8, pp330 – 334 Sept 1959 Richard C.Johnson and Henry Jasik – “Antenna applications reference guide” – McGraw-Hill – ISBN 0-07-032284-8 10 Theodore S Rappaport – “Smart antennas, adaptive arrays, algorithms & wireless position location” – Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc Trang 144 ... Đưa mô hình lý thuyết giàn anten phương pháp điều khiển hướng phát xạ giàn anten • Ứng dụng thuật giải CORDIC mô dịch pha tạo búp hướng anten dựa cấu trúc FPGA, cụ thể cấu trúc FLEX10K ALTERA Trên. .. Chương Anten dãy định hướng số 2.4 DÀN ANTEN HƯỚNG ? ?ỨNG Thay giàn anten hướng ngang, thực tế cần giàn anten hướng dọc theo trục giàn tức hướng ? ?ứng Dó nhiên ta mong muốn định hướng theo hướng ? ?ứng. .. Chương Giàn anten định hướng số Chương Các kỹ thuật định hướng Trang Chương Tổng quan Chương Thuật toán CORDIC Chương Cấu trúc định hướng dịch pha Chương Thực định hướng dịch pha Chương Kết mô Chương