Kết quả mô phỏng được thực hiện với tín hiệu gốc có dạng hình sin lý tưởng, trong thực tế hình dạng sóng tín hiệu AM/FM sau điều chế phức tạp hơn nhiều do tín hiệu gốc ban đầu rất phức[r]
(1)GIẢI PHÁP XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ TRONG THIẾT KẾ KHỐI KHUẾCH ĐẠI TRUNG TẦN ĐIỆN ĐÀI VÔ TUYẾN P-625
Nguyễn Tuấn Minh1*, Lê Thanh Hải1, Trần Đình Lâm1, Nguyễn Thị Thảo1, Phạm Quốc Hùng2
Tóm tắt:Bài báo trình bày số kết nghiên cứu thiết kế khối khuếch
đại trung tần (KĐTT) sử dụng phương pháp xử lý tín hiệu số cơng nghệ FPGA Khối KĐTT có chức chuyển tín hiệu điều chế AM/FM (điều biên/điều tần) có tần số 25 Mhz thành tín hiệu âm tần Phương pháp nghiên cứu dựa sở phân tích nguyên lý hoạt động khối KĐTT Nga sản xuất để xây dựng phương án thiết kế mơ hình Matlab-Simulink Kết thử nghiệm cho thấy khối KĐTT sử dụng giải pháp xử lý tín hiệu số có chất lượng tương đương so với khối Nga sản xuất Ưu điểm phương pháp đơn giản thiết kế, vật tư linh kiện có sẵn thị trường với chất lượng tốt
Từ khóa: P-625, KĐTT, AM/FM, FPGA
1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Điện đài vô tuyến P-625 thiết bị thông tin Nga sản xuất với nhiều tính đại, khả chống nhiễu cao, phù hợp với nhiều điều kiện tác chiến khắc nghiệt nhằm trang bị tàu Hải quân Điện đài P-625 có nhiều ưu điểm vượt trội với dải tần công tác rộng, khả chống nhiễu tốt giao diện đơn giản dễ sử dụng Khối KĐTT khối tuyến thu điện đài P-625 có chức tách sóng, giải điều chế tín hiệu điều chế AM/FM có tần số 25 Mhz thành tín hiệu âm tần sử dụng phương pháp trộn tần nhiều lần Một số tính kỹ chiến thuật khối KĐTT trình bày bảng [1]
Bảng 1. Các tính kỹ-chiến thuật khối KĐTT
TT Tính kỹ-chiến thuật Giá trị
1 Các loại điều chế: AM, FM
2
Độ nhạy máy thu (V) tần số điều chế 1000 Hz, hệ số điều chế 30%, di tần 1,5 kHz, điện áp tai nghe 5,2 V, tỷ số điện áp tín hiệu/tạp âm không nhỏ 3, không hơn:
3
3 Nguồn cung cấp (Vdc) 12,8
4 Kích thước (cm):
Dài x Rộng 17,2 x 8,5
(2)việc đảm bảo trang bị kỹ thuật đơn vị Do đó, việc nghiên cứu chế tạo khối KĐTT sử dụng phương pháp xử lý tín hiệu có ý nghĩa thiết thực
2 KHỐI KĐTT ĐIỆN ĐÀI P - 625
Khối KĐTT điện đài P-625 (hình 1) có hai dải thơng: Dải hẹp 18 kHz, dải rộng 60 kHz, chuyển đổi dải thơng thực rơ le Tín hiệu trung tần 25 Mhz chọn lọc tần số lân cận qua mạch lọc thạch anh đưa đến khuếch đại Tín hiệu sau khuếch đại đưa đến trộn tần Đưa đến trộn tần cịn có tín hiệu điện áp ngoại sai với tần số fns = 23,4 Mhz từ dao động ngoại sai sử dụng thạch anh Tín hiệu trung tần 1,6 Mhz từ tải trộn tần qua hai tầng khuếch đại Tín hiệu điều biên khuếch đại đến mức cần thiết đưa đến tách sóng biên độ, đến khối chuyển mạch AM/FM Tín hiệu điều tần sau khuếch đại, qua hạn biên, qua mạch tách sóng tần số đưa đến chuyển mạch AM/FM [1]
Hình 1.Sơ đồ khối khối KĐTT Nga sản xuất
3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
3.1 Khối KĐTT sử dụng phương pháp xử lý tín hiệu số
Khối KĐTT gồm mơ đun lọc tín hiệu đầu vào 25 Mhz, khuếch đại tín hiệu, biến đổi ADC, xử lý tín hiệu FPGA biến đổi DAC (hình 2)
Hình 2.Sơ đồ khối khối KĐTT sử dụng FPGA
(3)đại cao tần có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu 25 Mhz đến mức đủ lớn đưa đến mô đun chuyển đổi ADC Mơ đun ADC chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số trước đưa vào xử lý Do tần số lớn băng tần tín hiệu 25 Mhz nên theo định lý lấy mẫu Nyquist tần số lấy mẫu khoảng 50 Mhz Để đáp ứng yêu cầu tốc độ lấy mẫu này, nhóm đề tài chọn ADC HI5805 hãng Intersil HI5805 có tần số lấy mẫu tối đa Msps với 12 bit liệu Mạch ADC dùng HI5805 trình bày hình [2] Theo datasheet ADC HI5805 (bảng 2), độ lớn lý tưởng đơn vị lấy mẫu phép lượng tử hố: Q=0,00098 V Do đó, dải tín hiệu đầu vào (đỉnh-đỉnh) vào phải đảm bảo Q.212 tương ứng với 4,01 V (±2,005 V) Với mức tín hiệu dụng đầu vào µV, khuếch đại đầu vào cần khuếch đại 0,47.106 lần tương ứng với xấp xỉ 113 dB Trong q trình nghiên cứu, nhóm đề tài sử dụng hai tầng khuếch đại có hệ số khuếch đại 60 dB
Mơ đun FPGA (hình 4) đảm nhận chức tạo dao động nội điều khiển số NCO (Nummerically Controlled Oscillator), lọc số, trộn tần giải điều chế [3]
Bảng 2. Mã nhị phân đầu ADC HI5805 [2]
Khối NCO (hình 5): Tín hiệu số từ khối ADC có độ rộng 12 bit nên dao động lựa chọn có độ rộng 12 bit Khối NCO thực chất khối tạo hai nguồn dao động trực giao I (Inphase) Q (Quarature) hai tín hiệu hình Sin Cosin Tín hiệu dao động dùng để hiệu với tín hiệu đầu vào loại trừ thành phần sóng mang tín hiệu Khối NCO phát nhiều tần số khác hiệu chỉnh phần mềm Do đó, độ gia tăng góc pha Δθ tín hiệu đầu vào NCO
(4)Hình 3.Khối ADC dùng HI5805.
Hình 4.Mơ hình tổng thể mơ đun FPGA.
Hình 5.Sơ đồ khối NCO.
(5)Mô đun DAC (hình 6) có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu số sau xử lý sang dạng tín hiệu tương tự trước đưa vào khuếch đại tải Do tín hiệu ngõ tín hiệu âm nằm vùng tần số từ 20 Hz đến 20 kHz (tần số tai người nghe được), tức tần số mẫu tối đa khoảng 44 Ksps (theo định lý lấy mẫu Nyquist) [4]
Hình 6.Sơ đồ mạch DAC dùng DAC0808
3.2 Kết mô sản phẩm thực nghiệm
Qúa trình mơ thực hai chế độ AM FM (hình 7) Chế độ FM tương ứng với giá trị mô đun chọn chế độ AM/FM 1, chế độ AM tương ứng với giá trị Mô đun giải điều chế AM/FM gồm mô đun giải điều chế AM mô đun giải điều chế FM Việc lựa chọn giải điều chế tùy thuộc vào giá trị mô đun chọn chế độ
Mô đun tạo giả tín hiệu có chức tạo tín hiệu điều chế AM/FM 25Mhz (hình 9, hình 10) Tín hiệu dao động nhân với tín hiệu điều chế 25 Mhz đầu vào (hình 8) Do đó, tín hiệu sau trộn tần gồm hai thành phần: tín hiệu Baseband tín hiệu 50 Mhz (hình 11, hình 12) Sau qua mô đun lọc thông thấp, thành phần tín hiệu 50 Mhz bị loại bỏ, cịn lại tín hiệu Baseband (hình 13, hình 14) Kết tín hiệu thu sau giải điều chế trình bày hình 15 hình 16
(6)Hình 8.Sơ đồ mô modul trộn tần Matlab-Simulink
Hình 9.Tín hiệu điều chế FM 25Mhz. Hình 10.Tín hiệu điều chế AM 25Mhz.
Hình 11.Tín hiệu FM sau trộn tần số. Hình 12.Tín hiệu AM sau trộn tần số.
(7)Hình 15.Tín hiệu sau giải điều chế FM. Hình 16.Tín hiệu sau giải điều chế AM. Dạng sóng tín hiệu điều chế AM biến thiên hai đường bao tín hiệu gốc ban đầu Trong tín hiệu điều chế FM có tần số thay đổi theo biên độ tín hiệu gốc ban đầu Kết mô thực với tín hiệu gốc có dạng hình sin lý tưởng, thực tế hình dạng sóng tín hiệu AM/FM sau điều chế phức tạp nhiều tín hiệu gốc ban đầu phức tạp
Sau thời gian nghiên cứu lý thuyết, tính tốn thiết kế phần cứng kết mơ thu nhóm nghiên cứu chế tạo thành công khối KĐTT dựa công nghệ FPGA (hình 17)
Hình 17. Khối KĐTT sử dụng FPGA
Quá trình đánh giá chất lượng sản phẩm thực phịng thí nghiệm Điện tử chuyên dụng Viện Đỉện tử Các phương tiện đo bao gồm: đồng hồ đo điện áp - dòng điện VC88, máy phát sóng chuẩn SMA100A, máy phân tích phổ FSVR7 ô xy lô số DS0-V2012A
Bảng 3. Kết kiểm tra phịng thí nghiệm.
TT Tên tiêu Đăng ký
kỹ thuật
Kết thực tế
1 Nguồn cung cấp 12,8 Vdc 12,8