CHƢƠNG 2 GIA CễNG VÀ XỬ Lí TÍN HIỆU
2.2. Xử lý tớn hiệu
2.2.5.1. Bo xử lớ tớn hiệu số DSP56307EVM của hóng Motorola
Bo mạch DSP56307EVM (EValuation Module) cú giỏ thành hợp lý, ứng
dụng hiệu quả cao trong cỏc lĩnh vực vụ tuyến (wireless), truyền thụng
(telecommunication) và những ứng dụng đa phƣơng tiện (multimedia). Phần cứng
đƣợc chỉ ra trong Hỡnh 2.53, Hỡnh 2.54.
- Bộ vi xử lý tớn hiệu số DSP56307 24 bớt:
Nền tảng là DSP56300 khả năng xử lý cao cấp: thực hiện 100 triệu cõu lệnh trong 1 giõy (MIPS) với tần số đồng hồ 100 MHz.
Bộ đồng xử lý lọc mở rộng (Enhanced Filter Coprocessor - EFCOP) hỗ trợ cho cỏc thuật toỏn lọc (filter algorithm), chẳng hạn nhƣ FIR, IIR
Bộ đồng xử lý on-chip filtering và echo-cancellation hoạt động song song với lừi DSP
Bộ nhớ gắn liền bờn trong bộ vi xử lý.
Hỡnh 2.53 Bo mạch DSP56307 của hóng Motorola - RAM 64K on-chip - RAM 64K on-chip
- Bộ nhớ flash chỉ đọc cú thể lập trỡnh, cú thể xúa 128K x 8 bớt (Flash
Programmable Erasable Read Only Memory - PEROM) cho chế độ
hoạt động độc lập.
- 192 x 24 bớt bootstrap ROM
- 64 x 24 bớt RAM tĩnh tốc độ nhanh cho bộ nhớ mở rộng - Bộ mó húa õm tần 16 bớt (16-bit CD-quality audio codec)
Hai kờnh biến đổi A/D 16 bớt
Hai kờnh biến đổi D/A 16 bớt
Phần mềm cú thể chọn lựa dữ liệu theo định dạng 8 bớt hay 16 bớt
Cỏc chốt cắm stereo cho tớn hiệu õm tần vào/ra và headphones
- Cỏc đầu nối:
RS-232
ESSI1
SCI (Serial Communication Interface)
Hỡnh 2.54 Sơ đồ khối chức năng của DSP56307EVM
Một số tớnh năng của DSP56307EVM cú liờn quan đến việc thiết kế CODEC CS4218
Đõy là một bộ mó húa õm tần 16 bớt cụng nghệ CMOS giỳp cho bo mạch số này cú khả năng kết nối đƣợc với thế giới tớn hiệu thực bờn ngoài. Sơ đồ đƣợc chỉ ra trờn Hỡnh 2.55. CS4218 cú hai bộ biến đổi A/D kiểu delta/sigma, hai bộ biến đổi D/A kiểu delta/sigma, cỏc bộ lọc chống xuyờn kờnh lối vào (anti-aliasing), cỏc bộ lọc làm trơn lối ra, hệ số khuếch đại lối vào cú thể lập trỡnh và cỏc bộ suy giảm lối ra cú thể lập trỡnh. Cỏc bộ phận của CODEC này cho phộp nhận dữ liệu ngoài vào từ CODEC, xử lý và truyền lại trở ra cũng qua CODEC. Dữ liệu qua cỏc cổng nối tiếp ESSI của bo mạch và một số chõn chuyờn dụng của CODEC.
Hỡnh 2.55 Sơ đồ khối CODEC CS4218
HI08 Host Port:
HI08 Host Port là một giao tiếp của DSP56307 dựng để truyền dữ liệu giữa thiết bị ghộp nối với bo mạch DSP, cũng nhƣ đƣa cỏc lệnh từ thiết bị vào điều khiển DSP. Bus dữ liệu 8 bớt HI08 cho phộp truyền cỏc dữ liệu 8 bớt, 16 bớt, 24 bớt.
Cỏc chõn của cổng HI08 cú thể cung cấp giao tiếp vào ra đa năng GPIO (General Purpose I/O) lờn đến 16 kết nối GPIO.
2.2.5.2. Thiết kế và chế tạo A/D, D/A tốc độ cao ch bo mạch DSP56307
Trờn thực tế, rất khú cú thể kết nối cỏc tớn hiệu thời gian thực (real-time) với DSP56307EVM vỡ tần số lấy mẫu của CS4218 thấp (từ 8 kHz đến 48 kHz). Vỡ thế, nhiệm vụ của chỳng ta là thiết kế thờm cỏc khối khỏc kết nối vào DSP56307 để tăng tần số lấy mẫu để cú thể thu thập tớn hiệu thời gian thực, thực hiện cỏc thuật toỏn lọc, nộn xung cho cỏc hệ định vị vụ tuyến hoạt động trong vựng tần số cao. Một trong cỏc giải phỏp là thiết kế thờm cỏc khối biến đổi A/D, D/A tần số cao kết nối vào EVM hoạt động thay cho CODEC.
Cỏc bộ A/D, D/A đƣợc thiết kế cú tần số lấy mẫu cực đại 10 MHz, đỏp ứng đƣợc cho cỏc tớn hiệu thời gian thực tần số cao (chẳng hạn tớn hiệu rađa). Tần số lấy mẫu này cú thể thay đổi theo xung lấy mẫu đƣa từ bờn ngoài vào nuụi hoạt động của ADC. Sơ đồ khối tổng thể đƣợc trỡnh bày trong Hỡnh 2.56.
Hỡnh 2.56 Sơ đồ khối kết nối song song giữa cổng HI08 với khối A/D, D/A Tớn hiệu tƣơng tự bờn ngoài đƣợc đƣa vào A/D 12 bớt AD9220A R, xung lấy Tớn hiệu tƣơng tự bờn ngoài đƣợc đƣa vào A/D 12 bớt AD9220A R, xung lấy mẫu lấy từ khối phỏt xung mẫu bờn ngoài đƣa vào chõn clock của IC. Sau mỗi chu kỡ lấy mẫu, ta cú chuỗi dữ liệu 12 bớt tại 12 lối ra của ADC. Cỏc chuỗi dữ liệu này đƣợc chốt giữ lại bởi 2 bộ chốt 8 bớt HD74HC374P để giữ cho dữ liệu ổn định trƣớc khi đi vào DSP. Dữ liệu đƣợc chốt tại sƣờn dƣơng của xung lấy mẫu, vỡ thế độ rộng xung là khoảng thời gian để giữ cho tớn hiệu đạt sự ổn định.
Dữ liệu đƣợc đƣa vào DSP thụng qua cổng HI08, hoạt động trong chế độ GPIO với 16 chõn GPIO. Sau khi đƣợc xử lý trong DSP, dữ liệu số đƣợc đƣa trở ra HI08 và truyền ra ngoài qua khối D/A 12 bớt AD565A trở lại tớn hiệu tƣơng tự đƣa ra ngoài. Ở đõy sử dụng giao tiếp HI08 kết nối A/D, D/A ngoài với DSP tăng đỏng kể tốc độ xử lý so với sử dụng CODEC CS4218 ở cựng một tần số lấy mẫu bởi vỡ khi dựng CODEC, mỗi bớt dữ liệu đƣợc truyền giữa CODEC và DSP thụng qua cổng nối tiếp ESSI. Hỡnh ảnh khối A/D, D/A chế tạo đƣợc đƣa ra trong Hỡnh 2.57.
Hỡnh 2.57 Sơ đồ mạch in khối A/D, D/A tốc độ cao
Hỡnh 2.58 trỡnh bày kết quả thực nghiệm kiểm tra hoạt động của cỏc khối A/D, D/A vừa chế tạo. Cỏc khối này đƣợc nối vào DSP56307 và viết phần mềm bộ lọc thụng thấp FIR với tần số lấy mẫu 2 MHz. Trờn dao động kớ AL2200, tớn hiệu trờn là tớn hiệu lối vào, tớn hiệu dƣới là tớn hiệu đó qua A/D, DSP56307, bộ lọc FIR, D/A và trở ra là tớn hiệu tƣơng tự đó xử lớ lọc. Dải thụng từ 0 Hz đến 200 kHz.
Hỡnh 2.58 Tớn hiệu trước và sau bộ lọc FIR dải thụng 0 Hz - 200 kHz, tần số lấy
mẫu 2 MHz, kết nối cỏc khối A/D, D/A tốc độ cao với DSP56307EVM (a) 82 kHz, (b) 189 kHz, (c) 250 kHz
Kết luận chƣơng 2.
Chƣơng 2 này đƣợc xem là một chƣơng quan trọng nhất của luận ỏn, tập trung chớnh vào cỏc kỹ thuật tớn hiệu số và xử lý tớn hiệu số để xõy dựng nờn đƣợc một hệ thống rađa hiện đại. Phần kết quả, thảo luận và trỡnh bày những đúng gúp của luận ỏn trong phần này đƣợc túm lƣợc nhƣ sau:
Gia cụng tớn hiệu:
Phần này tập trung vào hai loại dạng súng chớnh: mó Barker và dạng súng
LFM, vỡ hai dạng súng này thớch hợp cho quỏ trỡnh nộn xung xử lý tớn hiệu phản xạ.
• Quỏ trỡnh mụ phỏng:
- Sử dụng phần mềm Goldwave và khả năng xử lớ số của card õm thanh mỏy tớnh tạo ra dạng súng điều tần tuyến tớnh LFM.
- Sử dụng Matlab viết chƣơng trỡnh mụ phỏng phõn tớch phổ tớn hiệu LFM.
- Sử dụng Matlab Simulink tạo mó Barker, mó M phỏt xen kẽ và điều chế khúa
dịch pha nhị phõn BPSK để phỏt xen kẽ hai mó này, lũn phiờn tỡm kiếm cỏc
mục tiờu gần và xa
• Chế tạo khối phỏt mó Barker của tớn hiệu rađa.
- Chế tạo mạch vi điều khiển PIC16F877A
- Tạo cỏc chuỗi mó Barker 5 bớt, 7 bớt, 11 bớt, 13 bớt, độ rộng bớt 2.00 às - Phỏt mó Barker 13 bớt cú độ rộng bớt thay đổi: 0,8 às, 3,2 às
• Chế tạo khối điều chế mó pha nhị phõn BPSK từ mó Barker lờn súng mang tần
số trung tần 10,3 MHz.
Những đúng gúp của kết quả này là:
o Mạch điện rất đơn giản do sử dụng vi điều khiển PIC16F977A vỡ theo một số đề tài nghiờn cứu trƣớc đõy, phải sử dụng mạch gồm rất nhiều trigơ mắc nối tiếp nhau rất phức tạp.
o Mạch điện cú thể phỏt ra rất nhiều loại mó khỏc nhau, chỉ cần sửa mó
chƣơng trỡnh C mà hoàn toàn khụng phải thay đổi linh kiện hay nguyờn
o Cú thể dễ dàng thay đổi thụng số kỹ thuật của mó, vớ dụ nhƣ độ rộng bớt, tần số lặp lại xung, biờn độ. Hơn nữa, rất quan trọng là cú thể tạo ra cỏc bớt cú độ rộng rất hẹp (~0,2 às), thời gian chuyển sƣờn rất ngắn (~12 ns). Nếu khụng dựng VĐK và viết phần mềm phỏt mó tốt, sẽ khụng thực hiện đƣợc. Ta đó biết rằng bớt càng hẹp, độ phõn giải càng cao.
o Với sự phỏt mó của VĐK, kết hợp vào IC hợp kờnh tƣơng tự, cú thể dễ
dàng kết nối cỏc súng sin trung tần để hỡnh thành ra tớn hiệu rađa xung điều chế mó Barker 13 bớt lờn súng trung tần IF. Một lần nữa, kỹ thuật VĐK lại đƣợc ỏp dụng rất hiệu quả.
Xử lý tớn hiệu:
• Sử dụng Matlab viết chƣơng trỡnh mụ phỏng:
- Khảo sỏt phạm vi phỏt hiện cực đại Rmax và tỉ số SNR theo thụng số rađa.
- Sử dụng bộ lọc phối hợp và hàm đỏnh giỏ độ khụng rừ ràng xột trong hai trƣờng hợp khụng và cú nộn xung để đƣa ra giải phỏp nõng cao độ phõn giải R của rađa.
- Đỏnh giỏ xỏc suất phỏt hiện PD và xỏc suất bỏo động lầm Pfa theo SNR. - Nghiờn cứu kĩ thuật tớch lũy xung để cải thiện PD vàPfa.
- Tớnh toỏn PD vàPfa cho 5 mụ hỡnh mục tiờu của Swerling
- Sử dụng Matlab Simulink thiết kế mạch nộn xung cho tớn hiệu BPSK của hai
loại mó Barker và mó M xen kẽ.
- Thiết kế mụ phỏng một số bộ lọc số dựng Goldwave, FDAtool của Matlab kết
hợp Modelsim, VHDL.
• Chế tạo phần cứng:
- Sử dụng bo mạch TMS320C6416T 1GHz của hóng Texas Instrument thiết kế
chế tạo cỏc bộ lọc đỏp tuyến xung chiều dài hữu hạn FIR và đỏp tuyến xung
chiều dài vụ hạn IIR cho cỏc tớn hiệu rađa với cỏc thụng số và cấu trỳc bộ lọc
cú thể dễ dàng thay đổi. Đú là cỏc bộ lọc thụng thấp, thụng cao, dải thụng, dải chặn, bộ lọc đa băng.
o Xõy dựng một quy trỡnh tạo ra cỏc bộ lọc số dựa trờn bo mạch TMS320C6416T dựa trờn cả Matlab, mụi trƣờng Code Composer Studio và ngụn ngữ lập trỡnh C.
o Bộ lọc số ƣu việt hơn bộ lọc tƣơng tự là việc linh hoạt thay đổi thụng số
và cấu hỡnh bộ lọc nhƣ loại bộ lọc thấp hay bộ lọc cao, bộ lọc dải thụng hay bộ lọc dải chặn, dải tần truyền qua, tần số trung tõm, tần số cắt… Trong khi với bộ lọc tƣơng tự, rất khú cú thể tỡm đƣợc giỏ trị cỏc linh kiện để đạt đƣợc chớnh xỏc giỏ trị cỏc thụng số đề ra theo yờu cầu. Hơn nữa, muốn cú một bộ lọc mới, thỡ cần thay đổi giỏ trị linh kiện, thậm chớ thay đổi sơ đồ nguyờn lớ mạch điện. Trong khi với bộ lọc số ở đõy, với sự trợ giỳp đắc lực của Matlab, ta cú thể dễ dàng thay đổi tập hệ số bộ lọc và nạp trở lại vào trong một tập mó lệnh C duy nhất.
o Tần số làm việc của bo mạch này rất cao, 1 GHz, nờn cú thể xử lớ đƣợc
cỏc tớn hiệu thời gian thực của cỏc ứng dụng cao tần.
- Thiết kế chế tạo khối biến đổi A/D, D/A tốc độ cao kết nối vào bo DSP56307
EVM thụng qua cổng Host Port HI08. Những đúng gúp của kết quả này là:
o Hoàn thiện và tăng cƣờng khả năng của bo DSP56307 EVM để xử lớ cỏc
tớn hiệu tần số cao thời gian thực vỡ rằng trong bo mạch này chỉ tớch hợp CODEC CS4218 với A/D, D/A hoạt động trong vựng õm tần.
o Dễ dàng thực hiện cỏc thuật toỏn khi đó thu thập và cú khả năng hoàn trả
cỏc tớn hiệu tƣơng tự cao tần sau khi qua cỏc khõu xử lớ số. Một số thuật toỏn đó thực hiện thành cụng là lọc FIR, thuật toỏn tớch lũy và thuật toỏn trừ trong nhiều chu kỡ để tăng tỉ số tớn hiệu / tạp và tăng cƣờng khả năng phỏt hiện cỏc mục tiờu di động.
Túm lại, với những kết quả mới mà luận ỏn đạt đƣợc trong chƣơng 2 này đó gúp một phần quan trọng và đỏp ứng đƣợc một mục tiờu lớn của luận ỏn. Đú là xõy dựng nờn hệ thống xử lớ tớn hiệu số hiện đại trong rađa, xử lý đƣợc nhiều bài toỏn hơn, thụng minh, chớnh xỏc hơn và dễ thực hiện hơn cỏc hệ thống rađa truyền thống.
CHƢƠNG 3. CHẾ TẠO TUYẾN THU PHÁT SIấU CAO TẦN
3.1. Tuyến thu
3.1.1. Khối dao động nội sử dụng kỹ thuật tổ hợp tần số PLL [103,104]
3.1.1.1. Kỹ thuật tổ hợp tần số dựng vũng khúa pha [10,71, 83]
Lƣu đồ vũng khúa pha PLL (phase lock loop) đƣợc đƣa ra trong Hỡnh 3.1 với cỏc phần tử cơ bản của gồm cú:
So pha (phase comparator): Cú hai lối vào và một lối ra, thế lối ra tỉ lệ thuận với
sự sai khỏc pha của hai tớn hiệu vào (Hỡnh 3.2). Bộ so pha cú thể thực hiện với tớn hiệu tƣơng tự cũng nhƣ tớn hiệu số. Thụng số đặc trƣng của bộ so pha là hệ số chuyển đổi Kd:
Kd=Ve/∆θ [Volt/rad] (3.1)
Trong đú: Ve: điện thế lối ra trung bỡnh [V]
Kd: hệ số chuyển đổi [Volt/rad]
∆θ: sự sai khỏc pha của tớn hiệu lối vào
Hỡnh 3.1 Lưu đồ vũng khúa pha PLL
So pha Lọc tần thấp Voltage Controlled Oscillator (VCO) Bộ chia N Lối vào tần số chuẩn Lối ra RF Bộ chia R
Hỡnh 3.2 Khối so pha
Bộ lọc tần thấp (LPF): Cú cỏc vai trũ:
o Xỏc định dải mà quỏ trỡnh khúa cú thể thực hiện
o Thiết lập cỏc đặc trƣng của hệ thống, lọc tớn hiệu nhiễu
o Thực hiện lại quỏ trỡnh giữ chập khi hệ tồn tại quỏ trỡnh giữ chập do nhiễu
o Xỏc định dải đỏp ứng tần số của hệ ứng với sự thay đổi của tần số vào
Bộ lọc đƣợc dựng cú thể là bộ lọc thụ động (Passive) hoặc bộ lọc chủ động (Active). Bộ lọc chủ động đƣợc sử dụng nhiều hơn bởi vỡ chỳng cú cỏc thụng số đặc trƣng tốt hơn và mạch điện đơn giản hơn.
Bộ dao động cú tần số điều khiển bằng điện ỏp (Voltage Controlled Oscillator-
VCO)
Nú là một bộ dao động cú tần số lối ra tỉ lệ thuận với điện thế điều khiển Ud
Hỡnh 3.3 Khối so pha Đặc trƣng của VCO: Đặc trƣng của VCO:
o Độ lệch tần số (Frequency excursion): khoảng tần số biến thiờn của VCO
Ud ω0 =K0. Ud f0= ω0/2π VCO Fi Fo Ud
o Độ tuyến tớnh (Linearity): là khoảng tần số (W1 - W2) phụ thuộc tuyến tớnh vào thế điều khiển
o Hệ số biến đổi K0 (Conversion gain): K0=W0/Vc (Vc: thế điều khiển)
Cỏc bộ chia:
Để tần số giảm xuống mức phự hợp trƣớc khi đƣa vào bộ so pha. Vũng khúa pha cú nhiệm vụ phỏt hiện và điều chỉnh những sai số của tần số phỏt so với tần số chuẩn, nghĩa là PLL làm cho tần số W’r của tớn hiệu bỏm theo tần số Wv vào chuẩn.
Tớn hiệu phản hồi từ đầu ra sẽ đƣợc lấy trở lại để so sỏnh pha với tớn hiệu chuẩn. Nhiệm vụ này do bộ so sỏnh về pha đảm nhiệm,sau đú sẽ đƣa ra thế điều khiển Ud hoặc I,cỏc đại lƣợng điều khiển này phụ thuộc vào sự lệch pha giữa tớn hiệu phản hồi và tớn hiệu chuẩn.
Tớn hiệu điều khiển này sẽ đƣợc nối với bộ VCO.Thế điều khiển này sẽ làm thay đổi tần số dao động của nú sao cho hiệu của tần số vào và tần số chuẩn tiến dần tới 0 hay W’r = Wv.
Để hiểu rừ nguyờn lý hoạt động ta xét trƣờng hợp đơn giản :
Tớn hiệu vào và tớn hiệu so sỏnh đều là hỡnh SIN, vũng bỏm pha thuộc loại tuyến tớnh, dựng mạch nhõn tƣơng tự để so sỏnh pha.
Với cỏc giả thiết trờn, ta thấy khi khụng cú tớn hiệu vào thỡ tớn hiệu hiệu chỉnh
Ud = 0 vỡ tớn hiệu ra của bộ so sỏnh pha bằng Uv .U’r . Mạch VCO dao động tại tần số riờng W0 của nú,W0 đƣợc gọi là tần số dao động tự do.
Khớ cú tớn hiệu vào, bộ so sỏnh pha và tần số của tớn hiệu vào với tần số chuẩn. đầu ra so sỏnh pha sẽ xuất hiện tớn hiệu Ud mà trị số tức thời của nú tỷ lệ với hiệu pha (hiệu tần số) của 2 tớn hiệu vào tại thời điểm đú.Vỡ Ud=KUvU’r , nờn trong