Thiết kế hệ thống phát thông tin dưới nước sử dụng transducer trên FPGA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN HỆ THỐNG NHÚNG Đề tài: Thiết kế hệ thống phát thông tin dưới nước sử dụng transducer trên FPGA Giảng viên hướng dẫn: TS. Hàn Huy Dũng Hà Nội, 52021 NỘI DUNG DANH MỤC HÌNH VẼ i DANH MỤC BẢNG BIỂU ii CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG 1 1.1 FSK 1 1.1.1 Khái niệm 2 1.1.2 Đặc điểm 2 1.1.2 Ưu điểm, nhược điểm 3 1.1.2 Ứng dụng 3 1.2 FPGA 4 1.2.1 Khái niệm 4 1.2.2 Kiến trúc cơ bản của FPGA 4 1.2.3 Ứng dụng 5 CHƯƠNG 2. TRIỂN KHAI KHỐI ĐIỀU CHẾ FSK TRÊN FPGA 6 2.1 Tổng quan về hệ thống 6 2.1.1 Chỉ tiêu kỹ thuật 6 2.1.2 Yêu cầu hệ thống 6 2.1.2.1 Yêu cầu chức năng 6 2.1.2.2 Yêu cầu phi chức năng 7 2.2 Thiết kế chi tiết về hệ thống 7 2.2.1 Mô hình hệ thống 7 2.2.2 Chi tiết từng khối 8 CHƯƠNG 3. LINH KIỆN VÀ VI ĐIỀU KHIỂN 11 3.1 Khảo sát thị trường 11 3.2 Lựa chọn linh kiện 11 3.3 Thông số và chức năng của linh kiện 11 3.4 Giá thành cho linh kiện 13 CHƯƠNG 4. KẾ HOẠCH THỰC HIỆN 14 KẾT LUẬN 16 TÀI LIỆU THAM KHẢO 18 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Điều chế FSK: dạng sóng, bộ điều chế, phổ 1 Hình 1.2 Dạng sóng tín hiệu điều chế FSK 2 Hình 1.3 Cấu trúc cơ bản của FPGA 4 Hình 2.1 Sơ đồ điều chế FSK………………………………………………………………...6 Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống phát tín hiệu dưới nước 7 Hình 2.3 Chi tiết bộ điều chế FSK 8 Hình 2.4 Khối Bit_rate 8 Hình 2.5 Khối sin_data 9 Hình 2.6 Dạng của tín hiệu khi qua khối sin_data 9 Hình 2.7 Khối dac_out 9 Hình 3.1 Kit Nexys N3…………………………………………………………....................13 Hình 3.1 Transistor BC547…………………………………………………………............13 Hình 3.2 Op Amp LF356N 14 Hình 3.3 Tụ điện và điện trở..………………………………………………………............15   DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Bảng tính NRE Cost 7 Bảng 3.1 Thông số của các kit trên thị trường……………………………………….10 Bảng 3.3 Bảng giá thành 13 Bảng 3.4 Bảng kế hoạch thực hiện 14   LỜI NÓI ĐẦU Trên thế giới hiện nay, truyền thông dưới nước đang ngày càng phát triển được nghiêm cứu sâu hơn đẻ áp dụng cho rất nhiều mục đích khác nhau trong thực tế, như trong thăm dò tài nguyên biển, định vị dẫn đường trên biển, cho liên lạc quân sự trên biển… Trên thế giới là như vậy còn tại Việt Nam chúng ta với đường bờ biển trải dài hàng nghìn ki lô mét, dù mục đích có là thăm dò tài nguyên biển, định vị dẫn đường trên biển hay mục đích quân sự cũng đều đáng được quan tâm. Khi nghiêm cứu, xem xét về các mô hình truyền thông tin dưới nước, tuy có rất nhiều đặc tính, thông số môi trường đặc thù, ảnh hưởng lên kênh truyền khác hẳn với môi trường không gian tự do. Thế nhưng từ những kiến thức và thông tin về vô tuyến đồ sộ và dựa vào đó ta có thể đưa ra những phương pháp mô hình truyền kênh có thể phục vụ tốt cho lĩnh vực này. Nhằm phục vụ cho việc phát triển và nghiêm cứu, cũng như phục vụ cho môn học nhóm em xin giới thiệu đề tài “Thiết kế hệ thống phát thông tin dưới nước sử dụng transducer trên FPGA” làm đề tài thực hiện bài tập lớn của nhóm. Trong quá trình làm bài tập lớn, nhóm em đã cố gắng để hoàn thiện đề tài một cách tốt nhất. Nhưng với kiến thức và sự am hiểu còn hạn chế nên chắc sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Em mong thầy và các bạn có thể đóng ghóp thêm ý kiến để đề tài của bọn em được hoàn thiện hơn. Nhóm em xin gửi lời cảm ơn tới TS. Hàn Huy Dũng đã nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện tốt nhất về kiến thức cũng như tinh thần để chúng em hoàn thành tốt bài tập lớn này. Hà Nội, tháng 6 năm 2021 Nhóm thực hiện CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 FSK (Fequency Shilf Keying) 1.1.1 Khái niệm Là kỹ thuật điều chế số trong đó tần số của tín hiệu sóng mang thay đổi theo sự thay đổi của tín hiệu. FSK là một sơ đồ điều chế tần số, được dùng rộng rãi trong truyền số liệu. Trong FSK bit 1 được truyền đi bởi tần số fm và bit 0 bởi tần số fs. Ví dụ: Trong hệ thống truyền sử dụng tiêu chuẩn của hảng Bell bit 1 được truyền bởi tần số 1070 Hz (fm) Đường bao biên độ không đổi, đặc điểm này cho phép chúng không bị ảnh hưởng bởi tính phi tuyến thường gặp ở đường truyền của viva số và vệ tinh. FSK sử dụng 2 tần số sóng mang, tần số cao tương ứng với mức 1, tần số thấp tương ứng mức 0. S(t) = A.cos(2πf1t + β) binary 1 = A.cos(2πf2t + β) binary 0 1.1.2 Đặc điểm Dùng nhiều hơn hai tần số Băng thông được dùng hiệu quả hơn Khả năng lỗi nhiều hơn Mỗi phần tử tín hiệu nhiều hơn 1bit dữ liệu. Phổ của tín hiệu FSK

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN HỆ THỐNG NHÚNG Đề tài: Thiết kế hệ thống phát thông tin nước sử dụng transducer FPGA Giảng viên hướng dẫn: TS Hàn Huy Dũng Hà Nội, 5-2021 NỘI DUNG DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 2.1 Sơ đồ điều chế FSK……………………………………………………………… Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống phát tín hiệu nước Hình 2.3 Chi tiết điều chế FSK Hình 2.4 Khối Bit_rate Hình 2.5 Khối sin_data Hình 2.6 Dạng tín hiệu qua khối sin_data Hình 2.7 Khối dac_out DANH MỤC BẢNG BIỂU LỜI NĨI ĐẦU Trên giới nay, truyền thơng nước ngày phát triển nghiêm cứu sâu đẻ áp dụng cho nhiều mục đích khác thực tế, thăm dò tài nguyên biển, định vị dẫn đường biển, cho liên lạc quân biển… Trên giới Việt Nam với đường bờ biển trải dài hàng nghìn ki lơ mét, dù mục đích có thăm dị tài ngun biển, định vị dẫn đường biển hay mục đích quân đáng quan tâm Khi nghiêm cứu, xem xét mơ hình truyền thơng tin nước, có nhiều đặc tính, thơng số mơi trường đặc thù, ảnh hưởng lên kênh truyền khác hẳn với môi trường không gian tự Thế từ kiến thức thông tin vô tuyến đồ sộ dựa vào ta đưa phương pháp mơ hình truyền kênh phục vụ tốt cho lĩnh vực Nhằm phục vụ cho việc phát triển nghiêm cứu, phục vụ cho môn học nhóm em xin giới thiệu đề tài “Thiết kế hệ thống phát thông tin nước sử dụng transducer FPGA” làm đề tài thực tập lớn nhóm Trong q trình làm tập lớn, nhóm em cố gắng để hoàn thiện đề tài cách tốt Nhưng với kiến thức am hiểu cịn hạn chế nên khơng tránh khỏi thiếu sót Em mong thầy bạn đóng ghóp thêm ý kiến để đề tài bọn em hồn thiện Nhóm em xin gửi lời cảm ơn tới TS Hàn Huy Dũng nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện tốt kiến thức tinh thần để chúng em hoàn thành tốt tập lớn Hà Nội, tháng năm 2021 Nhóm thực CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 1.1.1 FSK (Fequency Shilf Keying) Khái niệm Là kỹ thuật điều chế số tần số tín hiệu sóng mang thay đổi theo thay đổi tín hiệu FSK sơ đồ điều chế tần số, dùng rộng rãi truyền số liệu Trong FSK bit truyền tần số fm bit tần số fs - Ví dụ: Trong hệ thống truyền sử dụng tiêu chuẩn hảng Bell bit truyền tần số 1070 Hz (fm) Đường bao biên độ không đổi, đặc điểm cho phép chúng không bị ảnh hưởng tính phi tuyến thường gặp đường truyền viva số vệ tinh FSK sử dụng tần số sóng mang, tần số cao tương ứng với mức 1, tần số thấp tương ứng mức S(t) = A.cos(2*π*f1*t + β) binary = A.cos(2*π*f2*t + β) binary 1.1.2 Đặc điểm - Dùng nhiều hai tần số - Băng thông dùng hiệu - Khả lỗi nhiều - Mỗi phần tử tín hiệu nhiều 1bit liệu - Phổ tín hiệu FSK Hình 1.1 Điều chế FSK: dạng sóng, điều chế, phổ - Dạng sóng tín hiệu FSK Hình 1.2 Dạng sóng tín hiệu điều chế FSK 1.1.3 Ưu điểm, nhược điểm o Ưu điểm :  Ít bị ảnh hưởng nhiễu lỗi so với ASK o Nhược điểm :  Tần số cao dễ bị nhiễu hạn chế tốc độ truyền  Khó đồng 1.1.4 Ứng dụng - Dùng rộng dãi truyền số liệu - Dùng để truyền liệu tốc độ 1200bp hay thấp mạng điện thoại - Có thể dùng tần số cao (3-30MHz) để truyền sóng radio cáp đồng trục 1.2 FPGA 1.2.1 Khái niệm Field Programmable Gate Arrays chip logic số lập trình được, tức sử dụng chúng để lập trình cho hầu hết chức thiết kế số FIELD nghĩa nơi sử dụng chip Field Programmable nghĩa lập trình nơi người sử dụng khác với số chip phải lập trình nơi sản xuất FPGA tạo thành từ mảng (matrix hay array) phần tử khả trình nên gọi Programmable Gate Array 1.2.2 Kiến trúc FPGA Bao gồm thành phần - Khối logic tái cấu hình, Configurable Logic Blocks (CLBs) thực chức logic Các kết nối bên trong, Porgrammable Interconnect lập trình để kết nối đầu vào đầu CLB khối I/O bên Các khối I/O cung cấp giao tiếp ngoại vi tín hiêu bên Hình 1.3 Cấu trúc FPGA a Khối logic tái cấu hình Mục đích việc lập trình khối logic FPGA để cung cấp tính tốn phần tử nhớ sử dụng hệ thống số Một phần tử logic gồm mạch tổ hợp lập trình, Flip-Flop chốt (latch) Ngồi khối logic đó, nhiều Chip FPGA gồm hỗn hợp khối khác nhau, số dùng cho chức cụ thể, chẳng hạn khối nhớ chuyên dụng, nhân (multipliers) ghép kênh (multiplexers) Tất nhiên, cấu hình nhớ sử dụng tất khối logic để điều khiển chức cụ thể phần tử bên khối b Kết nối lập trình Các liên kết FPGA dùng để liên kết khối logic I/O lại với để tạo thành thiết kế Bao gồm ghép kênh, transistor cổng đệm ba trạng thái Nhìn chung, transistor ghép kênh dùng cụm logic để kết nối phần tử logic lại với nhau, ba dùng cho cấu trúc định tuyến bên FPGA Một số FPGA cung cấp nhiều kết nối đơn giản khối logic, số khác cung cấp kết nối nên định tuyến phức tạp c Khối I/O khả trình I/O cung cấp giao tiếp khối logic kiến trúc định tuyến đến thành phần bên Một vấn đề quan trọng thiết kế kiến trúc I/O việc lựa chọn tiêu chuẩn điện áp cung cấp điện áp tham chiếu hỗ trợ Theo thời gian, kiến trúc FPGA phát triển thông qua việc bổ sung khối chức đặc biệt lập trình, nhớ (Block RAMs), logic số học (ALU), nhân, DSP-48 chí vi xử lý nhúng thêm vào nhu cầu nguồn tài nguyên cho ứng dụng Kết nhiều FPGA ngày có nhiều nguồn tài nguyên so với FPGA trước 1.2.3 Ứng dụng Ứng dụng xử lý tín hiệu số DSP, hệ thống hàng không, vũ trụ, quốc phòng, tiền thiết kế mẫu ASIC (ASIC prototyping), hệ thống điều khiển trực quan, phân tích nhận dạng ảnh, nhận dạng tiếng nói, mật mã học, mơ hình phần cứng máy tính, máy đánh cờ… Do tính linh động cao trình thiết kế cho phép FPGA giải lớp toán phức tạp mà trước thực nhờ phần mềm máy tính, ngồi nhờ mật độ cổng logic lớn FPGA ứng dụng cho tốn địi hỏi khối lượng tính toán lớn dùng hệ thống làm việc theo thời gian thực CHƯƠNG TRIỂN KHAI KHỐI ĐIỀU CHẾ FSK TRÊN FPGA 2.1 Tổng quan hệ thống 2.1.1 Các tiêu kỹ thuật - Tốc độ bit: KHz Tần số sóng mang bit 1: 16 KHz Tần số sóng mang bit 0: 13 KHz Hình 2.1 Sơ đồ điều chế FSK 2.1.2 Yêu cầu hệ thống a Yêu cầu chức - Data cần truyền bit - Tốc độ bit: 1Kbps - Tần số sóng mang bit 1: 16 Khz - Tần số sóng mang bit 0: 13 Khz b - Yêu cầu phí chức Khoảng cách truyền