Thiết kế máy phát thanh tần số HF ứng dụng công nghệ SDR trên nền tảng FPGA

Thiết kế máy phát thanh tần số HF ứng dụng công nghệ SDR trên nền tảng FPGA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP

Thiết kế máy phát thanh tần số HF ứng dụng công nghệ SDR trên nền tảng FPGA

Giảng viên hướng dẫn : PGS Ts Đỗ Trọng Tuấn

Tháng 3 - 2017

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

I GIỚI THIỆU 1

II LÝ THUYẾT 1

2.1 Điều chế và giải điều chế 1

2.2 Điều chế biên độ AM 1

2.2.1 Phương trình điều chế và hệ số điều chế 1

2.2.2 Phổ của tín hiệu AM 1

2.2.4 Công suất của tín hiệu AM 1

2.3 Nền tảng phát triển 1

2.3.1 Kit DE2-70 1

2.3.2 Công cụ lập trình Quatus II 1

III THIẾT KẾ 1

3.1 Yêu cầu chức năng 1

3.2 Thiết kế trên phần mềm Quatus II 1

3.2.1 Khối điều khiển AudioControl 1

3.2.2 Khối điều chế AudioModulation 1

IV THỰC THI TRÊN KIT DE2 1

Kết luận 1

I GIỚI THIỆU

Nội dung thực tập

Trong kỳ thực tập tốt nghiệp, chúng em thực hiện một mô hình máy phát thanh quảng bá tần số HF, thiết kế trên mô hình SDR Máy phát thanh sau đó được triển khai thực tế trên Kit DE2-70 và được kiểm nghiệm với máy thu thanh thương mại

Mục tiêu

Mục tiêu của kỳ thực tập là thiết kế máy phát thanh có các thông số:

- Dải tần hoạt động: 0.5-30MHz

- Phương thức điều chế: AM, FM

- Mô hình thiết kế: Software Defined Radio triển khai trên Kit DE2-70 do Terasic sản xuất

2

II LÝ THUYẾT

2.1 Điều chế và giải điều chế

 Định nghĩa:

- Điều chế là quá trình biến đổi một trong các thông số sóng mang cao tần

(biên độ, tần số hoặc pha) tỷ lệ với tín hiệu điều chế băng gốc (BB-Base Band)

 Mục đích của điều chế:

- Đối với một anten, bức xạ năng lượng của tín hiệu cao tần có hiệu quả khi

bước sóng của nó (tương ứng cũng là tần số) cùng bậc với kích thước vật lí của anten

- Tín hiệu cao tần ít bị suy hao khi truyền đi trong không gian.

- Mỗi dịch vụ vô tuyến có một băng tần(kênh) riêng biệt Quá trình điều chế

giúp chuyển phổ của tín hiệu băng gốc lên các băng tần thích hợp

 Điều kiện điều chế:

- Tần số sóng mang cao tần f C ≥ 8

10f max, trong đó f max là tần số cực đại của tín hiệu điều chế BB

- Thông số sóng mang cao tần (biên độ, tần số, hoặc pha) biến đổi tỉ lệ với

biên độ tín hiệu điều chế BB mà không phụ thuộc vào tần số của nó

- Biên độ sóng mang cao tần lớn hơn biên độ tín hiệu điều chế BB: V ω>V m

-2.2 Điều chế biên độ AM

Điều chế biên độ Amplitude Modulation (AM) hay còn gọi là điều biên là một kỹ thuật được sử dụng trong điện tử viễn thông, phổ biến nhất là dùng để truyền thông tin qua một sóng mang vô tuyến Kỹ thuật này là thay đổi biên độ của tín hiệu sóng mang theo biên độ của tín hiệu thông tin cần gửi đi, hay nói cách khác là điều chế sóng mang bằng biên độ theo tín hiệu mang tin

Hình1:Đường bao cao tần AM lặp lại dạng tín hiệu điều chế

m (t)=V m cos⁡(ω m t)

2.2.1 Phương trình điều chế và hệ số điều chế

Tín hiệu sóng mang thường là tín hiệu sin có tần số cao

x C (t )=V C cos ⁡(ω C t )

Tín hiệu AM có dạng:

y AM (t )=[ V¿¿C+m(t )]cos ⁡(ω C t)¿

Xét trường hợp m(t) là một tín hiệu sin đơn tần: m(t) = V m cos ⁡(ω m t )

y AM (t )=[V C+V mcos(ω m t) ]cos(ω C t)=V C[1+V m/V Ccos(ω m t) ]cos(ω C t)

= V C[1+m Acos(ω m t) ]cos(ω C t)

m A : Hệ số điều chế (chỉ số điều chế) Để điều chế không méo thì m A ≤1

Trong trường hợp m(t) là tổng các tín hiệu sin đơn tần:

m(t) = V1cos ⁡(ω1t) + V2cos ⁡(ω2t) +V3cos ⁡(ω3t) +

mA = √m12

+m22

+m32

+… với m i=V i

V c; i=1,2,3,

4

Trong trường hợp tổng quát: m A=V max−V min

V max+V min

2.2.2 Phổ của tín hiệu AM

Ta có: y AM (t )=[ V¿¿C+m(t )]cos ⁡(ω C t)=V C cos ⁡(ω C t)+m(t )cos ⁡(ω C t )¿

F

→ Y AM=π V C[δ(ω−ω C)+δ(ω+ ω C) ]+1

2[M(ω−ω C)+M(ω+ω C)]

Trong đó: m(t) F → M(ω)

Xét trường hợp m(t) là một tín hiệu sin đơn tần: m(t) = V m cos ⁡(ω m t )

Y AM=π V C[δ(ω−ω C)+δ(ω+ω C) ]+¿

+π V m

2 [δ(ω−ω C−ω m)+δ(ω−ω C+ω m)+δ(ω+ω C−ω m)+δ(ω+ω C+ω m)]

Hình2:Phổ của tín hiệu AM với tín hiệu điều chế sin đơn tần

Hình3:Phổ của tín hiệu AM với tín hiệu phức hợp

a.Tín hiệu điều chế b.Tín hiệu AM

c.Mật độ phổ 1 biên tín hiệu điều chếd.Mật độ phổ AM một phía

2.2.4 Công suất của tín hiệu AM

Tín hiệu AM sau điều chế được đưa qua một điện trở Công suất rơi trên điện trở khi đó gọi là công suất chuẩn:

P AM St=P C St+1

2P m St

Trong đó: P C St là công suất của sóng mang; P m St là công suất của tín hiệu điều chế

Khi cho qua điện trở R:

Nếu tín hiệu là điện áp thì: P AM=P AM St

R Nếu tín hiệu là dòng điện thì: P AM=P AM St × R

Hiệu suất điều chế: Bằng công suất có ích (công suất mang tin tức) chia cho công suất của toàn bộ tín hiệu AM

ƞ=

1

2P m

P AM =

1

2P m S t

P AM

2.3 Nền tảng phát triển

2.3.1 Kit DE2-70

Hình4:Kit DE2-70

Mạch thí nghiệm Terasic DE2-70 là mạch kit FPGA được xây dựng trên nền tảng FPGA Altera phiên bản Cyclone 2 Mạch được sử dụng nhiều trong thí nghiệm giáo dục

Mạch DE2-70 có một chip FPGA với 70000 phần tử logic, đủ lớn cho hầu hết các mục đích thí nghiệm Ngoài ra trên mạch cũng có nhiều ngoại vi phục vụ xử lý âm thanh, hình ảnh, mạng… cho phép triển khai nhiều bài toán mà không cần thêm ngoại vi gắn ngoài

6

Trong hệ thống em sử dụng ADC là ADS830 (Texas Instruments)

Một vài thông số chính:

- Nguồn cấp: 5V

- Dải động: 65dB

- Tỉ số tín hiệu/nhiễu: 49.5dB

- Độ rộng bus dữ liệu: 8bit

- Giao tiếp: song song

- Tốc độ lấy mẫu: 60MSPS

Để giao tiếp với ADC này, ta đọc dữ liệu từ các chân dữ liệu (D7- D0) trong đó bit có trọng số cao nhất là D7

Nhìn biểu đồ thời gian trên ta có thể thấy: dữ liệu được đưa ra các chân dữ liệu chậm 4 clock so với điện áp thực

DAC

Trong hệ thống này, DAC được sử dụng là DAC902E

Một số thông số chính:

- Nguồn cấp: 5V

- Dải động: 50-80dB phụ thuộc tần số

- Độ rộng bus dữ liệu: 12bit

- Tốc độ lấy mẫu: lên tới 200MSPS

Audio codec

CODEC là bộ điều khiển ngoại vi âm thanh của máy

Trong đề tài này chúng em sử dụng chip codec WM8731, là chip được gắn sẵn trên kit, encoder WM8731 có các thông số chính:

- Tần số lấy mẫu 8ksps – 96ksps

- Chỉnh được âm lượng trái phải, âm lượng tổng của cả đầu ra và đầu vào

- Độ phân giải ADC DAC 24bit

tiếp

được dịch ra chân ADCDAT.

Khung truyền dữ liệu

2.3.2 Công cụ lập trình Quatus II

Trong phạm vi đề tài này chúng em sử dụng phần mềm Quatus II do Altera phát hành để lập trình mô tả phần cứng, trong đó VHDL và Verilog HDL là hai ngôn ngữ chính được dùng

Hình4:Phần mềm Quatus II

10

III THIẾT KẾ

3.1 Yêu cầu chức năng

Chức năng chính

Các thông số kĩ thuật

3.2 Thiết kế trên phần mềm Quatus II

Sơ đồ khối tổng quát

Hình5:Sơ đồ khối tổng quát

Sơ đồ khối trên hình 5 gồm hai khối chính:

 AudioControl: Là khối điều khiển Audio CODEC của Kit DE đồng thời là khối

tạo ra các dữ liệu điều khiển

 AudioModulation: Là khối nhận dữ liệu âm thanh từ ADC của Audio CODEC và

điều chế.

Các đầu vào đầu ra:

3.2.1 Khối điều khiển AudioControl

Hình6:Sơ đồ khối AudioControl

Sơ đồ trên hình 6 gồm 4 khối chính:

3.2.2 Khối điều chế AudioModulation

Điều chế AM

Ta biết rằng để điều chế biên độ, tín hiệu cần điều chế được nhân với sóng mang

Để thực hiện trên FPGA, ta có sơ đồ khối cụ thể như sau:

Hình7:Sơ đồ khối AudioModulation

12

Sơ đồ trên hình 7 gồm các khối:

IV THỰC THI TRÊN KIT DE2

Các thiết bị sử dụng:

Bên phát:

Hình8:Lắp đặt trên kit DE2-70

14

Hình9:Khối DAC cao tần

Hình10:Dữ liệu đầu vào âm thanh lấy từ LineIn(hoặc có thể MicIn)

Hình11: Mạch khuếch đại

Bên thu:

16

Hình12:Đài thu AM

Quá trình thực hiện:

Như hình trên ta có thể thấy mô hình thử nghiệm:

để khuếch đại công suất cao tần.

Kết quả

Đài AM thu được âm thanh đã phát từ máy phát

18

Kết luận

Trong quá trình thực tập chúng em đã hoàn thiện phần điều khiển khối Audio CODEC và điều chế AM, trong thời gian tiếp theo chúng em sẽ bước vào phần điều chế

FM, SSB và giải điều chế