Nghiên cứu thiết kế bộ lọc phối hợp dùng trong đài rada sử dụng tín hiệu điều tần tuyến tính

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Vũ Thị Hân NGHÊN CỨU, THIẾT KẾ BỘ LỌC PHỐI HỢP DÙNG TRONG ĐÀI RA ĐA SỬ DỤNG TÍN HIỆU ĐIỀU TẦN TUYẾN TÍNH Chuyên ngành: Điện tử viễn thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Điện tử viễn thông NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS Phạm Thành Công Hà Nội – Năm 2013 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan tồn nội dung đề cập luận văn “Nghiên cứu, thiết kế lọc phối hợp dùng đài đa sử dụng tín hiệu điều tần tuyến tính’’ viết dựa kết nghiên cứu theo đề cương cá nhân hướng dẫn TS.Phạm Thành Công Mọi thông tin số liệu tham khảo trích dẫn đầy đủ nguồn sử dụng luật quyền quy định Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm nội dung luận văn Hà Nội, ngày 25 tháng năm 2012 Học viên Vũ Thị Hân MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ LỜI NÓI ĐẦU PHẦN MỞ ĐẦU 10 Lý chọn đề tài 10 Lịch sử nghiên cứu 10 Mục đích nghiên cứu luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu 11 Tóm tắt nội dung luận văn 11 Phương pháp nghiên cứu 12 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC VÀ YÊU CẦU CHIẾN – KỸ THUẬT ĐỐI VỚI ĐÀI RA ĐA CẢNH GIỚI PHÒNG KHÔNG 13 1.1 Những nét đặc trưng hệ thống đa cảnh giới phịng khơng 13 1.2 Phân loại đài đa 16 1.2.1 Phân loại theo công dụng 16 1.2.2 Theo dấu hiệu kỹ thuật 17 1.3 Sơ đồ cấu trúc tổng quát đài đa cảnh giới 19 1.4 Các yêu cầu chiến – kỹ thuật đài đa cảnh giới 21 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ TÍN HIỆU DẢI RỘNG 23 2.1 Khái niệm – Phân loại – Ưu điểm tín hiệu dải rộng 23 2.1.1 Khái niệm 23 2.1.2 Phân loại 24 2.1.3 Các ưu điểm tín hiệu dải rộng 25 2.2 Thiết bị thu xử lý tương quan lọc phối hợp 26 2.2.1 Bộ lọc phối hợp đặc tính xung 27 2.2.2 Đặc tính tần số lọc phối hợp 29 2.2.3 Dạng tín hiệu đầu lọc tối ưu 31 2.2.4 Tỷ số tín/tạp lối lọc tối ưu 34 2.2.5 Lọc tối ưu tín hiệu điều tần tuyến tính 35 2.3 Các dạng tín hiệu điều chế tần số đặc trưng 38 2.3.1 Tín hiệu điều tần tuyến tính (LFM) 38 2.3.2 Tín hiệu điều tần theo luật chữ V 42 2.3.3 Chuỗi mã M 44 CHƯƠNG 3: XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐIỀU TẦN TUYẾN TÍNH TRONG BỘ LỌC PHỐI HỢP SỬ DỤNG KỸ THUẬT FFT 47 3.1 Đặc điểm xây dựng hệ thống hình thành xung điều tần tuyến tính 47 3.1.1 Hệ thống hình thành xung ĐTTT theo phương pháp thụ động 47 3.1.2 Hệ thống hình thành xung ĐTTT phương pháp chủ động 48 3.1.3 Đặc điểm xây dựng hệ thống xử lý tín hiệu phản xạ đa phát xạ xung điều tần tuyến tính 49 3.2 Phân tích thuật tốn xây dựng sơ đồ cấu trúc lọc phối hợp 49 3.2.1 Phân tích thuật tốn 51 3.2.2 Sơ đồ cấu trúc lọc phối hợp 52 3.3 Xử lý tín hiệu điều tần tuyến tính lọc phối hợp sử dụng kỹ thuật FFT 53 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ LỌC PHỐI HỢP DÙNG TRONG ĐÀI RA ĐA SỬ DỤNG TÍN HIỆU ĐIỀU TẦN TUYẾN TÍNH 56 4.1 Xây dựng mô hình kiểm tra tính BLPH 57 4.2 Công cụ phần mềm thiết kế lọc phối hợp 57 4.3 Thiết kế BLPH sử dụng kỹ thuật FFT 66 4.4 Import chương trình thiết kế vào phần cứng 68 KẾT LUẬN 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Ý nghĩa Thuật ngữ FPGA Field Programmable Gate Array Mạng cổng lập trình LFM Linear Frequency Modulation Điều tần tuyến tính CW radar Continous Wave radar Ra đa phát xung liên tục FFT Fast Fourier Transform Biến đổi nhanh Fourier IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi ngược FFT DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số VHSIC Hadware Description Ngôn ngữ mô tả phần cứng Language VHSIC VHDL BLPH Bộ lọc phối hợp BLTU Bộ lọc tối ưu TMTDĐ Tách mục tiêu di động Xử lý tương quan XLTQ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Hệ thống đa 13 Hình 1.2 Phân loại đài đa 16 Hình 1.3 Sơ đồ cấu trúc tổng quát đài đa cảnh giới .21 Hình 2.1 Dạng tín hiệu đặc tuyến xung cần có lọc phối hợp 29 Hình 2.2 Bộ lọc tính mơ đun tích phân tương quan 29 Hình 2.3 Dạng đặc tuyến biên độ - tần số đặc tuyến pha – tần số BLTU .31 Hình 2.4 Đồ thị minh họa tượng cộng pha hài BPH 33 Hình 2.5 Sự phụ thuộc thời gian giữ chậm lọc vào tần số 36 Hình 2.6 Bộ lọc làm dây giữ chậm tán sắc 37 Hình 2.7 Dạng tín hiệu đầu lọc tối ưu tín hiệu điều tần 38 Hình 2.8 Tín hiệu điều tần tuyến tính đầu sau lọc nén 40 Hình 2.9 Giản đồ bất định xung điều tần tuyến tính 42 Hình 2.10 Tín hiệu điều tần hình chữ V qui luật điều chế 43 Hình 2.11 Giản đồ bất định xung điều tần hình chữ V .43 Hình 2.12 Sơ đồ mạch tạo chuỗi mã M 45 Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc đơn giản tuyến hình thành phát xạ xung điều tần tuyến tính theo phương pháp thụ động .47 Hình 3.2 Phương pháp thụ động hình thành xung điều tần tuyến tính 48 Hình 3.3 Sơ đồ cấu trúc thiết bị hình thành xung điều tần tuyến tính theo phương pháp tích cực .49 Hình 3.4 Sơ đồ đảo ngược qui luật điều chế tần số xung tín hiệu phản xạ 50 Hình 3.5 Sơ đồ cấu trúc đài đa hình thành xung phát xạ điều tần tuyến tính theo phương pháp thụ động thu nén xung nhờ sơ đồ đảo ngược qui luật điều chế tần số lọc mã 51 Hình 3.6 Sơ đồ cấu trúc lọc phối hợp 53 Hình 4.1 Mơ hình kiểm tra hoạt động lọc phối hợp 56 Hình 4.2 Tín hiệu đầu lọc phối hợp có tín hiệu phản xạ từ mục tiêu 57 Hình 4.3 Tài nguyên Xillinx Blockset Blockset thư viện Matlab Simulink 58 Hình 4.4 Một chương trình thiết kế mơi trường phần mềm Matlab Simulink 61 Hình 4.5 Sơ đồ khối mức cao Board ML605 .63 Hình 4.6 Hình ảnh Board ML605 .64 Hình 4.7 Mơ hình kiểm tra hoạt động lọc phối hợp 64 Hình 4.8 Mơ đun tạo giả tín hiệu 65 Hình 4.9 Mơ hình nhân 66 Hình 4.10 Mơ đun thực FFT .66 Hình 4.11 Mơ đun IFFT 67 Hình 12 Mơ kết lọc phối hợp 67 Hình 13 Kết biên dịch từ phần mềm Matlab tạo chương trình Xillinx 68 LỜI NÓI ĐẦU Trong năm gần đây, phát triển nhảy vọt khoa học kỹ thuật đặc biệt kỹ thuật điện tử - tin học làm thay đổi nội dung chất lượng thiết bị điện tử Công nghệ chế tạo linh kiện điện tử cho phép chế tạo IC tổ hợp lớn dạng tín hiệu phức tạp bắt đầu ứng dụng rộng rãi tất lĩnh vực vơ tuyến viễn thơng, đa, điều khiển Tín hiệu phức tạp đáp ứng yêu cầu cao tính kỹ, chiến thuật cần có hệ thống thiết bị đa đại Ứng dụng chủ yếu đa liên tục sử dụng tín hiệu phức tạp quan sát, phát mục tiêu bay, xác định khoảng cách vận tốc mục tiêu so với trạm đa liên tục Những năm gần đây, xuất nhiều sản phẩm ứng dụng công nghệ đa liên tục lĩnh vực như: đa cảnh giới tầm trung, đa kiểm soát biên giới, đa đo sơ tốc đạn pháo, đa đo bám quỹ đạo đạn, đa kiểm sốt phương tiện giao thơng… Ở nước ta, thiết bị đa sử dụng quân đội chủ yếu loại đa xung trang bị từ năm 70 kỷ trước theo công nghệ Liên Xô trước Hiện tại, số sở nghiên cứu quân đội trang bị số loại đa liên tục khả ứng dụng mức độ hạn chế Luận văn tốt nghiệp với đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế lọc phối hợp dùng đài đa sử dụng tín hiệu điều tần tuyến tính’’ với nội dung cụ thể sau: - Tìm hiểu tổng quan tín hiệu điều tần tuyến tính - Tìm hiểu tổng quan lọc phối hợp - Thiết kế lọc phối hợp dùng đài đa sử dụng tín hiệu điều tần tuyến tính Với lòng biết ơn chân thành, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS.Phạm Thành Công tận tình bảo có đóng góp q báu, giúp đỡ em suốt trình làm luận văn Và cuối em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy, cô giáo Viện Điện tử - Viễn thơng nói riêng Trung tâm đào tạo sau đại học, đồng nghiệp nói chung dạy bảo cung cấp cho em kiến thức quý báu trình học tập trường Cảm ơn gia đình, bạn bè khích lệ, ủng hộ tơi năm qua Trong q trình nghiên cứu khơng thể tránh khỏi thiếu sót, mong nhận ý kiến đóng góp chân thành thầy cô đồng nghiệp Hà Nội, tháng 06 năm 2012 Học viên thực Vũ Thị Hân - Sử dụng phần mềm này, không hỗ trợ cho việc mô sử dụng công cụ mô mạnh Matlab mà từ chương trình xây dựng chương trình biên dịch nạp vào phần cứng Xillinx sử dụng modul trình biên dịch khác Xillinx Trên hình 10 ví dụ chương trình thiết kế mơi trường phần mềm Matlab Simulink có sử dụng tài nguyên cơng cụ Xillinx Blockset Hình 4.4: Một chương trình thiết kế môi trường phần mềm Matlab Simulink Phần cứng sử dụng board ML605 sử dụng chip Virtex-6 XC6VLX240T-1FFG1156FPGA Sơ đồ khối mức cao ML605 thể hình sau: 58 Hình 4.5: Sơ đồ khối mức cao Board ML605 Hình thể hình ảnh Board ML605 59 Hình 4.6: Hình ảnh Board ML605 ML 605 hỗ trợ cấu hình mơ hình • SelectMAP tớ (sử dụng Platform Flash XL với oxilo 47 MHz) • BPI-Up chủ (sử dụng thiết bị Linear BPI Flash) • JTAG (sử dụng cáp USB-A Mini-B) • JTAG (sử dụng ACE CF hệ thống card CompactFlash) ML605 hỗ trợ BPI-Up tớ, JTAG, SelectMAP chủ Các chế độ thiết lập cách cài đặt lựa chọn M[2:0] 010, 101 110 bảng đây: 60 Dạng cấu hình M[2:0] Độ rộng Bus(1) Hướng CCLK Master Serial(2) 000 Output Master SPI(2) 001 Output Master BPI-Up(2) 010 8,16 Output Master BPI-Down(2) 011 8,16 Output Master SelectMAP(2) 100 8,16 Output JTAG 101 Input (TCK) Slave SelectMAP 110 8,16,32 Input Slave Serial(3) 111 Input Chú ý: Các mơ hình bus cấu hình song song tự động lựa chọn cấu hình logic Trong dạng cấu hình Master, chân CCLK nguồn clock cho cấu hình logic Virtex-6 FPGA Đây lựa chọn mặc định cho phép đầu cuối pull-up bên dạng chân Mức điện áp I/O Có 16 bank I/O Virtex Điện áp cấp cho bank I/O FPGA cách sử dụng board ML605 cho bảng 61 U1 FPGA Bank I/O Rail Điện áp Bank VCC2V5_FPGA 2.5V Bank12(1) FMC_VIO_B_M2C 2.5V Bank 13 VCC2V5_FPGA 2.5V Bank 14 VCC2V5_FPGA 2.5V Bank 15 VCC2V5_FPGA 2.5V Bank 16 VCC2V5_FPGA 2.5V Bank 22 VCC2V5_FPGA 2.5V Bank 23 VCC2V5_FPGA 2.5V Bank 24 VCC2V5_FPGA 2.5V Bank 25 VCC1V5_FPGA 1.5V Bank 26 VCC1V5_FPGA 1.5V Bank 32 VCC2V5_FPGA 2.5V Bank 33 VCC2V5_FPGA 2.5V Bank 34 VCC2V5_FPGA 2.5V Bank 35 VCC1V5_FPGA 1.5V Bank 36 VCC1V5_FPGA 1.5V 62 4.3 Thiết kế lọc phối hợp sử dụng kỹ thuật FFT Dựa vào chức năng, nguyên lý lọc phối hợp sử dụng kỹ thuật FFT trình bày Trong nội dung luận văn xây dựng mơ hình để kiểm tra tính năng, kết làm việc lọc phối hợp sử dụng kỹ thuật FFT Thiết kế mơ hình mơi trường phần mềm Matlab Simulink có sử dụng tài ngun cơng cụ DSP Builder thể hình 11 Hình 4.7: Mơ hình kiểm tra hoạt động lọc phối hợp Thành phần chức mô đun lọc phối hợp bao gồm: -Mơ đun phổ tín hiệu phát, mơ đun tính phổ tín hiệu thu có chức biến đổi tín hiệu phát tín hiệu phản xạ trở từ miền biên độ - thời gian sang miền biên độ - tần số Kết đầu mô đun thành phần thực ảo phổ tín hiệu đầu vào 63 Hình 4.8: Mơ đun tạo giả tín hiệu -Mơ đun nhân thực phép tốn nhân tích chập hai tín hiệu dạng số phức đầu vào; Đây mảng nhân số có dấu Tín hiệu sau hai FFT tín hiệu thực ảo, mảng nhân nhân tạo hai tín hiệu thực ảo tương ứng đưa vào IFFT, độ rộng đầu chuẩn hóa cịn 16 bít Hình 4.9: Mơ hình nhân 64 Hình 4.10: Mơ đun thực FFT Có hai FFT thực hồn tồn giống nhau, nhiệm vụ biến đổi tín hiệu phản xạ tín hiệu ảnh gương điều tần tuyến tính thị tần sang miền tần số Hai tín hiệu ta lấy chu kỳ phát đài Tín hiệu gồm phần thực phần ảo đưa tương ứng vào phần thực ảo FFT -Mô đun IFFT thực chức biến đổi nghịch đảo FFT, biến đổi tín hiệu từ miền biên độ - tần số sang miền biên độ - thời gian; 65 Hình 4.11: Mơ đun IFFT -Mơ đun tính cơng suất tín hiệu thực chức chuyển tín hiệu phức với thành phần thực thành phần ảo thành dạng giá trị tuyệt đối; -Mô đun đồng thời gian thực chức đồng mặt thời gian hệ thống Kết làm việc lọc phối hợp thể hình 13: 66 Hình 4.12: Mơ kết làm việc lọc phối hợp 4.4 Import chương trình thiết kế DSP Builder vào phần cứng Như nội dung luận văn giới thiệu trên, từ chương trình xây dựng Matlab kết hợp với Xillinx biên dịch nạp vào phần cứng Xillix sử dụng mơ đun trình biên dịch khác Xillix Trong mơi trường thiết kế Matlab kết hợp với Xillix, mô đun Signal Generator thực chức tạo biên dịch thiết kế Matlab thành chương trình Xliinx nạp thiết kế bo mạch Xillix Vì vậy, thiết kế ln phải có mơ đun Signal Generator, đưa mơ đun hay mơ đun khác thư viện vào thiết kế cách giữ trái chuột kéo vào cửa sổ thiết kế 67 Hình 4.13: Kết biên dịch từ phần mềm Matlab tạo chương trình Xillinx 68 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Sau thời gian tím hiểu, em hoàn thành nội dung luận văn “Nghiên cứu, thiết kế lọc phối hợp dùng đài đa sử dụng tín hiệu điều tần tuyến tính” với nội dung sau: -Tìm hiểu tín hiệu điều tần tuyến tính; -Tìm hiểu tổng quan lọc phối hợp; -Thiết kế lọc phối hợp dùng đài đa sử dụng tín hiệu điều tần tuyến tính cơng nghệ Matlab kết hợp với Xillinx Trong đài đa đại, người ta thường sử dụng cấu trúc tín hiệu phát dải rộng thay việc phát tín hiệu xung đơn trước Vì vậy, cán nghiên cứu xử lý tín hiệu việc nắm bắt ngun lý hệ thống xử lý tín hiệu phức tạp nhiệm vụ quan trọng Việc thực luận văn giúp em tìm hiểu nguyên lý hoạt động bước đầu thiết kế lọc phối hợp công nghệ Matlab Xillinx Trên luận văn em, cố gắng em cố gắng hoàn thành chưa đầy đủ Em mong thầy đồng nghiệp đóng góp thêm ý kiến để em áp dụng vào thực tế Cuối cùng, lần cho phép em chân thành cảm ơn thầy giáo TS.Phạm Thành Công tận tình hướng dẫn giúp em hồn thành mục tiêu, tiến độ 69 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 1) PGS – TS.Nguyễn Đức Luyện, Cơ sở thống kế đa, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Hà Nội 2003 2) PGS – TS.Nguyễn Đức Luyện, Nguyên lý đa, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Hà Nội 2003 3) PGS – TS Hoàng Thọ Tu, Cơ sở xây dựng đài đa cảnh giới phịng khơng, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Hà Nội 2003 4) Bassem R.Mahafza, Matlab Simulations for Radar Systems Design, 2004 5) Merrill Skolnik, Radar handbook, 1991 6) Nadav Levanon and Eli Mozeson, Radar signals, 2004 7) ALTERA, DSP Builder User Guide, 2007 70 PHỤ LỤC: CHƯƠNG TRÌNH TẠO TÍN HIỆU KÍCH PHÁT % chuong trinh tao tin hieu phat clear all close all clc taup = 300e-6; % rong xung la 240 us f0 = 150e+3; % tan so ban dau la 150 Khz f1 = 150e+3; b = 50e+3; fs = 500e+3; % tan so lay mau 500 Khz % dai thong 50 Khz nfft = 512; % fft 512 diem t = (0:1/fs:511/fs); for k = 1:length(t) if k