Nghiên cứu phát triển phân hệ xử lý tín hiệu trong máy thu SDR

Kĩ thuật SDR - mang lại sự mềm dẻo, sự nâng cấp dễ dàng, nhanh chóng, và chi phí thấp đây sẽ là công nghệ chủ chốt trong sự phát triển các thiết bị vô tuyến hiện đại, dưới đây sẽ đi sâu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Luận văn tốt nghiệp dưới đây là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân tôi, được thực hiện trên cơ sở tìm hiểu lý thuyết, kiến thức kinh điển nghiên cứu và khảo sát dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS:

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Bách Khoa

Hà Nội, tôi xin tỏ lòng biết ơn đến sự hướng dẫn tận tình của PGS.TS Vũ Văn Yêm, người thầy đã dành nhiều thời gian chỉ bảo, hướng dẫn và giúp đỡ

chi tiết, cụ thể để tôi hoàn thành luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy, cô giáo trong viện Điện tử Viễn thông, Viện đào tạo sau đại học trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã dạy dỗ

và truyền đạt những kiến thức khoa học trong thời gian tôi học tập và nghiên cứu ở trường và luôn tạo điều kiện để tôi thực hiện tốt luận văn cao học này

Tôi xin cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã luôn động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn này

Nguyễn Mạnh Linh

MỤC LỤC

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

DANH MỤC HÌNH VẼ

MỞ ĐẦU 1

Chương I TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ SOFTWARE DEFINE RADIO 2

I Một số sơ đồ khối chức năng của các thiết bị radio (kiểu cũ) 2

I.1 Hệ thống vô tuyến lai (Hybrid Radio Architecture) 2

I.1.1.Sơ đồ khối chức năng hệ thống hybrid đơn sóng mang 2

I.1.2 Sơ đồ khối chức năng hệ thống hybrid đa sóng mang 3

I.2 Sơ đồ khối chức năng các thiết bị sử dụng SDR 4

II Khái niệm về SDR – Software Define Radio 7

II.1 Khái niệm SDR 7

II.2 Sơ đồ khối chức năng SDR cơ bản 9

II.3 Mô hình kiến trúc SCA - Software communication Architechture 11

III Xu hướng phát triển 13

III.1 Nhận xét về ưu, nhược điểm 13

III.2 Xu hướng phát triển 13

III.2.1 Hệ thống thông tin vô tuyến thích nghi - Adaptive Radio 14

III.2.2 Hệ thống thông tin vô tuyến nhận thức - Cognitive Radio 14

III.2.3 Hệ thống thông tin vô tuyến thông minh - Intelligent Radio 15

Chương II NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN PHÂN HỆ XỬ LÝ TÍN HIỆU TRONG MÁY THU SDR 16

I Platform phát triển công nghệ SDR 16

I.1 Platform SDR phát triển sản phẩm của hãng Lyrtech 16

I.1.1 Thông tin cơ bản về hãng Lyrtech 16

I.1.2 Sơ đồ khối chức năng hệ thống SFF SDR 16

I.1.4 Phát triển theo kiến trúc SCA -Software Communication

Architecture 26

I.2 Platform SDR phát triển sản phẩm của hãng Spectrum 26

I.2.1 Thông tin cơ bản về hãng Spectrum 26

I.2.2 Platform SDR-4000 27

II.2.4 Mô hình SCA phát triển sản phẩm Spectrum 42

III.2 Một số nền tảng phát triển khác 52

Chương III PHÁT TRIỂN WAVEFORM TRONG PHÂN HỆ XỬ LÝ SDR LYTECH 55

I Phát triển wavefrom FM, AM, LSB, USB trên FPGA 55

I.1 Sơ đồ khối và nguyên lý làm việc 55

I.2 Mô hình phát triển thực tế 57

II Phát triển waveform xử lý, điều khiển trên DSP 58

II.1 Kiến trúc hệ thống trên DSP DM6446 58

II.2 Các khối xử lý chính 59

III Hoàn chỉnh sản phẩm và demo 63

IV Kết luận và hướng phát triển tiếp theo 65

IV.1 Một số kết luận rút ra 65

IV.2 Phát triển và mở rộng tính năng cho wavefrom hiện tại 65

IV.3 Hướng phát triển wavefrom mới 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

PHỤ LỤC 75

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Thuật ngữ Tiếng Anh Ý nghĩa Tiếng Việt

SDR Software Define Radio Công nghệ phát triển máy vô tuyến dựa

Oscillators

Bộ điều khiển dao động số

LNA Low-noise amplifier Bộ lọc tạp âm thấp

DDC Digital Down Converters Bộ giảm tần số lấy mẫu tín hiệu

DUC Digital Up Converters Bộ tăng tần số lấy mẫu tín hiệu

ADC analog-to-digital converter Bộ biến đổi tín hiệu tương tự sang số DAC digital-to-analog converter Bộ biến đổi tín hiệu số sang tương tự

PA power amplifier Bộ khuếch đại công suất

IF Intermediate frequency Tín hiệu trung tần

RF Radio frequency Tín hiệu cao tần

JPEO Joint Program Executive

Architechture

IEEE Institute of Electrical and

Electronics Engineers

Viện kỹ nghệ Điện và Điện Tử

Interconnection

Mô hình phân lớp

BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát sóng

Interface

Giao diện lập trình ứng dụng

DSA Dynamic Spectrum Access Truy nhập phổ tín hiệu động

SFF Small Form Factor Nền tảng phát triển quy mô nhỏ của hãng

xuất MBDK Model-based design kits Thiết kế theo mô hình modul

VPBE video processing back end Bus dữ chiều đi liệu tốc độ cao (Texas

Instruments) VPFE video processing front end Bus dữ chiều đến liệu tốc độ cao (Texas

Instruments) CCS Code Composer Studio Công cụ phát triển sản phẩm của Texas

Instruments SPI Serial Peripheral Interface Giao tiếp ngoại vi nối tiếp

SMA SubMiniature version A Chuẩn đầu connector kết nối trong vô

tuyến

oscillators

Giao động điều khiển bởi điện áp

XMC Switch Mezzanine Card Chuẩn kết nối chuyển mạch tốc độ cao PMC PCI Mezzanine Card Chuẩn khe cắm kết nối tốc độ cao

EMIF External Memory Interface Giao diện bộ nhớ mở rộng

GPIO General Purpose

Input/Output

Chần ngoại vi vào/ra mục đích chung

BGAN Broadband Global Area

Network

Hệ thống mạng toàn cầu

UART Universal asynchronous

receiver/transmitter

Chuẩn giao tiếp không đồng bộ

PWM Pulse-width modulation Điều chế độ rộng xung

CVSD Continuously Variable

Slope Delta-modulation

Chuẩn nén tín hiệu thoại hiệu thông dụng

MELP (Mixed-Excitation Linear

Predictive

Chuẩn nén tín hiệu thoại hiệu suất cao

Standard

Chuẩn mã mật tín hiệu nâng cao

FM Frequency modulation Phương thức điều chế tín hiệu theo tần số

AM Amplitude modulation Phương thức điều chế tín hiệu theo biên

độ USB Up Side Band Phương thức điều chế tín hiệu theo đơn

biên trên LSB Lower Side Band Phương thức điều chế tín hiệu theo đơn

biên dưới  

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 Sơ đồ hệ thống hybrid đơn sóng mang 2

Hình 2 Hệ thống hybrid đa sóng mang 3

Hình 3 Sơ đồ khối chức năng trong kiến trúc SDR cơ bản 4

Hình 4 Quá trình chuyển tín hiệu cao tần 6

Hình 5 Mô hình khối chức năng trong kiến trúc SDR 7

Hình 6 Sơ đồ khối máy thu SDR 9

Hình 7 Sơ đồ khối máy phát SDR 10

Hình 8 Mô hình phân lớp phần cứng và phần mềm trong kiến trúc SDR 11

Hình 9 Cấu trúc tổng quát mô hình SCA 12

Hình 10 Một số khái niệm về xu hướng phát triển tiếp theo SDR 14

Hình 11 Sơ đồ khối chức năng hệ thống SFF SDR 16

Hình 12 Sơ đồ khối chức năng hệ thống RF front-end 17

Hình 13 Sơ đồ khối chức năng Low-band RF của SFF 17

Hình 14 Sơ đồ khối chức module Data conversion 18

Hình 15 Sơ đồ khối chức module Digital processing 20

Hình 16 Sơ đồ Flow phát triển SFF SDR 22

Hình 17 Sơ đồ kiến trúc SCA 26

Hình 18 Mô hình tổng quát của SDR 27

Hình 19 Mô hình SDR-4000 28

Hình 20 Board transceiver XMC-3321 28

Hình 21 Board Processing Pro-4600 29

Hình 22 Quan hệ giữa XMC-3321 với Pro-4600 30

Hình 23 Sơ đồ khối và Layout của XMC-3321 32

Hình 24 Sơ đồ cấu tạo, chức năng các thành phần của module PRO-4600 38

Hình 25 Sơ đồ các thành phần của module MPC8541 PowerPC processor 39

Hình 26 Sơ đồ Turing Fabric FPGA 40

Hình 27 Sơ đồ Tesla User FPGA 41

Hình 28 Sơ đồ liên kiết của DSP TMS320C64 41

Hình 29 Mô hình SCA phát triển sản phẩm Spectrum 44

Hình 30 Mô hình mô tả các bước xử lý waveform SCA 45

Hình 31 Cơ chế hoạt động SCA trong platform của Spectrum 48

Hình 32 Các thành phần chính trong SCA 49

Hình 33 Mối quan hệ giữa các thành phần trong SCA 50

Hình 34 Mối quan hệ giữa các thành phần trong SCA Spectrum 50

Hình 35 Mô tả trao đổi giữa GPP và DSP, FPGA thông qua CORBA 51

Hình 36 Các thành phần trong hệ thống SDR Spectrum 52

Hình 37 Cấu trúc GNU Radio 53

Hình 38 Board USRP 54

Hình 39: Sơ đồ khối, nguyên lý làm việc phần phát 55

Hình 40: Sơ đồ khối, nguyên lý làm việc phần thu 55

Hình 41: Mô hình phát triển trên platform Lyrtech 57

Hình 42: Kiến trúc hệ thống trên DSP DM6446 58

Hình 43: Đồ luồng xử lý Task_MainUI 60

Hình 44: Đồ luồng xử lý Task_AudioToRadioProcessing 61

Hình 45: Đồ luồng xử lý Task_AudioFromRadioProcessing 62

Hình 46: Đồ luồng xử lý Task_AudioFromRadioProcessing (tiếp) 63

Hình 47 Thiết bị thông tin chạy waveform FM, DSB, LSB, USB và giao diện người sử dụng 64

Hình 48 Mạch xử lý tín hiệu số trong máy 64

Hình 49 Mô hình xử lý dữ liệu ở phía phát 67

Hình 50 Mô hình xử lý dữ liệu ở phía thu 67

Hình 51 Mô hình waveform trên DSP/Microblaze 68

Hình 52 Xử lý trên DSP 69

Hình 53 Xử lý phần RF 70

Hình 54 So sánh mã số PN 71

MỞ ĐẦU

Trong thời đại bùng nổ thông tin, con người không những giao tiếp qua thông tin thoại mà còn cần tới giao tiếp thông tin theo dữ liệu, video, điều khiển v v, các giao thức truyền thông tin này thay đổi rất nhanh theo sự phát triển của công nghệ cũng như nhu cầu của con người Vì vậy yêu cầu sản xuất ra những thiết bị radio có khả năng nâng cấp, cập nhật một cách dễ dàng không quá tốn kém là một yêu cầu cấp thiết

Kĩ thuật SDR - mang lại sự mềm dẻo, sự nâng cấp dễ dàng, nhanh chóng, và chi phí thấp đây sẽ là công nghệ chủ chốt trong sự phát triển các thiết bị vô tuyến hiện đại, dưới đây sẽ đi sâu vào tìm hiểu, phân tích công nghệ SDR trong việc phát triển các thiết bị thông tin vô tuyến tân tiến hiện nay mà trọng tâm nghiên cứu là phân hệ xử lý tín hiệu ứng dụng trong các thiết bị thu phát vô tuyến

Chương I TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ SOFTWARE DEFINE RADIO

I Một số sơ đồ khối chức năng của các thiết bị radio (kiểu cũ)

I.1 Hệ thống vô tuyến lai (Hybrid Radio Architecture)

Trải qua thời gian dài tồn tại, các hệ thống thuần analog đã cho thấy chi phí là đắt và đôi lúc là thiếu tin cậy Các hệ thống này thường tiêu tốn nhiều băng thông

và công suất, dễ bị ảnh hưởng bởi tác động của môi trường

Vào những năm 1980, do những yêu cầu về việc tối ưu hóa băng thông và giảm thiểu giá thành sản phẩm, kiến trúc vô tuyến đã được phát triển từ thuần analog sang các hệ thống kết hợp giữa tương tự và số

I.1.1.Sơ đồ khối chức năng hệ thống hybrid đơn sóng mang

Sơ đồ chức năng của hệ thống lai đơn sóng mang giữa tương tự và số như sau:

Hình 1 Sơ đồ hệ thống hybrid đơn sóng mang

Kiến trúc này đã trở nên rất phổ biến vào đầu những năm 1990 trong các hệ thống radio số

Vì các hệ thống này thường hoạt động ở dải tần số cao nên thường phải có các

bộ trộn tần (Mixer) để đẩy tần số cao về tần số băng cơ bản Số lượng mixer cần thiết phụ thuộc vào tần số cao tần và hiệu năng hoạt động của hệ thống Sơ đồ minh

Bộ lọc đầu vào Frx có nhiệm vụ hạn băng và lọc lấy giải tần mong muốn Ngoài ra ở các tầng chuyển tiếp (gọi là các conversion stage) cũng cần phải có các

bộ lọc để lọc lấy giải tần ở IF và loại bỏ nhiễu ảnh trung tần

Với các hệ thống cổ điển IF1 thường là 140MHz hoặc 70MHz, IF2 thường là 10.7MHz

Tín hiệu sau khi đẩy về băng gốc cũng được lọc và đưa vào bộ biến đổi ADC Tại đây tín hiệu số hóa được giải điều chế và equalization (Quá trình equalization thực chất là quá trình điều chỉnh biên độ tín hiệu về một ngưỡng định trước, để đảm bảo cường độ tín hiệu sau giải điều chế)

Các bộ giải mã kênh thực hiện việc giải mã các kênh đã ghép xen và sửa lỗi nếu có

Giải mã thoại (voice decoding) thực thi việc chuyển tín hiệu dữ liệu thành luồng bit thông tin

Quá trình điều chế cũng qua các bước ngược lại so với quá trình giải điều chế:

mã hóa thoại, mã kênh, điều chế, lọc, đưa qua biến đổi DAC, đẩy lên trung tần, lọc, khuếch đại công suất, lọc trước khi truyền, đưa ra anten và phát đi

I.1.2 Sơ đồ khối chức năng hệ thống hybrid đa sóng mang

Hệ thống lai đa sóng mang có thể được thực hiện bằng cách mở rộng các kênh truyền nhận của các hệ thống đơn sóng mang

Nhiều kênh truyền đồng nghĩa với việc giá thành sản phẩm cao, tiêu tốn năng lượng và phức tạp trong quá trình bảo trì hệ thống

Trong hầu hết các trường hợp như vậy, các hệ thống truyền nhận được kết hợp vào trong 1 thiết bị Thông thường bộ phận xử lý tín hiệu băng gốc bao gồm card xử

lý tín hiệu Với các tín hiệu RF dải rộng, hệ thông xử lý tín hiệu băng gốc có thể dễ dàng được thêm vào các card xử lý băng gốc Có thể thấy được sự phức tạp trong cấu trúc phần cứng của kiến trúc này, nó sẽ không là một điểm bất lợi khi các giao thức truyền thông không thay đổi trong một thời gian hợp lý Thực tế ngày nay các giao thức truyền thông thay đổi nhanh theo sự phát triển của công nghệ, sự phát triển của các giao thức, khi đó với kiến trúc phần cứng phức tạp sẽ gây ra sự ảnh hưởng tới chi phí cũng như vòng đời của thiết bị, khi mà thiết bị vừa mới ra đời thì giao thức truyền thông đã thay đổi Đây là một trong những lý do cơ bản để SDR ra

đời và giải quyết bài toán đó

I.2 Sơ đồ khối chức năng các thiết bị sử dụng SDR

Hình vẽ 3 dưới mô tả kiến trúc cơ bản của các thiết bị trên nền tảng SDR:

Mục đích của kiến trúc SDR là hướng tới các hệ thống dải rộng đa sóng mang, với các nguyên lý cơ bản và chức năng đều dựa trên các thiết bị đơn sóng mang Kiến trúc này được phân chia thành 2 hệ thống con: hệ thống định nghĩa bởi phần cứng và hệ thống định nghĩa bởi phần mềm

Hệ thống phần cứng bao gồm các thành phần vật lý ở mức thấp (các bộ khuếch đại công suất, khuếch đại tạp âm thấp, ADC )

Phần cứng bao gồm hệ thống thu phát dải rộng, đây là điểm khác cơ bản về phần cứng so với các hệ thống hybrid Thay vì đưa các tần số sóng mang riêng biệt

về băng gốc, RF front-end đưa toàn bộ dải phổ về tần số trung tần mong muốn

Hệ thống số được định nghĩa bởi phần mềm bao gồm phần chuyển đổi tín hiệu số và phần xử lý băng gốc

Interpolation là một thành phần quan trọng trong các hệ thống thông tin số, bởi vì tốc độ lấy mẫu trong miền số phải là số nguyên lần tốc độ symbol điều chế (vì thế bên thu và bên phát mới có thể đồng bộ) Một hệ thống SDR hỗ trợ nhiều tần

số sóng mang hoặc nhiều tốc độ symbol khác nhau với một bộ dao động cố định, thì tất yếu sẽ không thể tránh khỏi tốc độ lấy mẫu không trùng với số nguyên lần tốc độ symbol Khi đó bộ Interpolation có nhiệm vụ đẩy tần số lấy mẫu lên bằng số nguyên (số nguyên sau nó) lần tốc độ symbol

Ngược lại với Interpolation là khối decimation với chức năng giảm tần số mẫu của tín hiệu

Quá trình chuyển tín hiệu từ cao tần về tín hiệu băng gốc trong một hệ thống SDR được thực hiện như sau:

Hình 4 Quá trình chuyển tín hiệu cao tần

(A): Tín hiệu cao tần

(B): Tín hiệu trung tần trước khi đưa vào xử lý tại băng gốc

(C): Tín hiệu sóng mang cần làm việc tại băng gốc

Hệ thống phần cứng SDR thường được xây dựng với khả năng đáp ứng nhiều bài toán thông tin khác nhau Với các bài toán thông tin khác nhau, hệ thống sẽ đưa

ra các đáp ứng khác nhau bằng phần mềm (waveform) để giải quyết bài toán đó Khi sự phát triển bùng nổ của các công nghệ xử lý tín hiệu số như: uP, DSP, FPGA, … thì SDR dần được hoàn thiện và tiến tới khả năng can thiệp sau hơn bên trong hệ thống phần cứng Hình vẽ dưới đây mô tả hệ thống SDR ở mức cao hơn:

Hình 5 Mô hình khối chức năng trong kiến trúc SDR

II Khái niệm về SDR – Software Define Radio

Từ các phân tích trên ta có thể đi đến khái niệm cơ bản về SDR,

II.1 Khái niệm SDR

Thời đại bùng nổ thông tin, con người không những giao tiếp qua thông tin thoại mà còn cần tới giao tiếp thông tin theo dữ liệu, video, điều khiển v v, các giao thức truyền thông tin này thay đổi rất nhanh theo sự phát triển của công nghệ cũng như nhu cầu của con người Vì vậy yêu cầu sản xuất ra những thiết bị radio có khả năng nâng cấp, cập nhật một cách dễ dàng không quá tốn kém là một yêu cầu cấp thiết

Kĩ thuật SDR - mang lại sự mềm dẻo, sự nâng cấp dễ dàng, nhanh chóng, và chi phí thấp – sẽ là công nghệ chủ chốt trong sự phát triển các thiết bị radio hiện đại

Tổ chức SDR Forum và IEEE đã thống nhất đưa ra định nghĩa về SDR là:

“Một hệ thống Radio được gọi là SDR nghĩa là một phần hoặc toàn bộ chức năng của lớp vật lý được định nghĩa bởi phần mềm (software).”

Một hệ thống Radio là bất cứ hệ thống nào mà có thể truyền, nhận thông tin bằng sóng điện từ Lớp vật lý ở đây bao gồm: cách điều chế, độ rộng băng tần, tần

số tín hiệu Hiển nhiên khi lớp vật lý có thể định nghĩa bằng phần mềm thì tất cả các lớp trên (của mô hình OSI): Datalink, network, transport, session, presentation và application đều có thể được xác định bằng phần mềm

Công nghệ SDR định nghĩa một tập hợp các công nghệ hardware và software

mà dựa trên đó tất cả các chức năng hoạt động ( và cả xử lý ở lớp vật lý) của thiết bị radio được thực hiện thông các phần mềm và firmware chạy trên các linh kiện khả trình Các linh kiện này bao gồm FPGA, DSP, GPP, SoC

Như vậy:

¾ Một hệ thống Radio được gọi là SDR nghĩa là một phần hoặc toàn bộ chức năng của lớp vật lý được định nghĩa bằng software Điều này có nghĩa là tất

cả các lớp trong mô hình 7 lớp OSI đều có thể định nghĩa bằng phần mềm

Có thể so sánh một cách trực quan giữa SDR và một máy tính đa chức năng Tác dụng của máy tính được xác định bởi chương trình ứng dụng chạy trên

nó Còn hệ thống SDR khi nạp waveform1 sẽ thành một thiết bị thu vệ tinh, nạp waveform2 thành trạm BTS, nạp waveform3 sẽ thành một thiết bị thu phát FM ở dải sóng cực ngắn…

¾ Công nghệ SDR được dựa trên sự phát triển của công nghệ khả trình FPGA, DSP, GPP, SoC Sự phát triển của công nghệ khả trình đã thúc đẩy công nghệ SDR phát triển

¾ Tuy nhiên, không phải bất cứ thiết bị Radio nào có FPGA, DSP, GPP đều gọi

là SDR Chỉ những thiết bị có khả năng thay đổi dạng sóng (lớp vật lý) một cách mềm dẻo, linh hoạt băng phần mềm mới được gọi là SDR

¾ Để có thể lập trình được đến tận lớp vật lý, các thiết bị khả trình không phả kết nối và ghép lại với nhau một cách giản đơn mà phải theo những nguyên

ƒ Việc xử lý tín hiệu bằng số phải được thực hiện ở tất cả các lớp (trong mô hình OSI) và phải xử lý ở thời gian thực

ƒ Tính mềm dẻo và linh hoạt, ít chi phí trong việc cập nhật và nâng cấp phần mềm

II.2 Sơ đồ khối chức năng SDR cơ bản

Các khối chức năng trong kiến trúc phần cứng thiể bị radio dần được thực hiện trên các linh kiện khả trình FPGA, DSP… hình vẽ dưới đây biểu diễn sơ đồ khối hệ thống máy thu phát SDR:

Khối DDC trong hình vẽ 6 có chức năng thay thế cho khối NCO, Mixer, Decimation trong mô hình hình 3 Nhiệm vụ của DDC là:

ƒ Chọn lọc lấy kênh cần thu

ƒ Lọc bỏ các kênh lân cận

ƒ Giảm tốc độ lấy (từ tốc độ lấy mẫu của ADC) xuống tốc độ lấy mẫu thấp

Hình 6 Sơ đồ khối máy thu SDR

Khối DUC trong hình vẽ 7 có chức năng thay thế cho khối NCO, Mixer, Interpolation trong mô hình hình vẽ 3 Nhiệm vụ của DUC là:

ƒ Tăng tốc độ lấy mẫu lên bằng tốc độ lấy mẫu của DAC

ƒ Lọc bỏ các tần số ảnh gây ra khi tăng tốc độ lấy mẫu

ƒ Upmixer, đưa kênh thông tin lên tần số mong muốn

Hình 7 Sơ đồ khối máy phát SDR

Tiếp sau khi xây dựng kiến trúc phần cứng cơ bản đáp ứng công nghệ SDR, các tổ chức viễn thông, các tổ chức quân sự trên thế giới đã tiến hành xây dựng mô hình phần mềm trên SDR, mô hình này xây dưng với mục đích chuẩn hóa các giao diện lập trình, nhằm thống nhất kiến trúc phần mềm chung về cho các tổ chức, các thành viên phát triển công nghệ SDR Hình vẽ dưới đây mô tả mô hình phân lớp phần cứng và phần mềm trong kiến trúc SDR:

Hình 8 Mô hình phân lớp phần cứng và phần mềm trong kiến trúc SDR

Dưới đây sẽ miêu tả kiến trúc phần mềm sử dụng trên nên tảng SDR

II.3 Mô hình kiến trúc SCA - Software communication Architechture

Mô hình kiến trúc SCA được phát triển bởi Joint Program Executive Office (JPEO) Joint Tactical Radio System (JTRS) Mô hình kiến trúc này đã được phát triển để hỗ trợ cho hệ thống SDR, dựa trên các tiến bộ công nghệ tiên tiến hiện nay

để tăng cường khả năng tương tác giao tiếp của các hệ thống nhằm làm giảm thời gian phát triển và chi phí triển khai SCA đã được phát triển với mục đích:

¾ Cung cấp các khả năng tương tác giữa các thành phần thực thi khác nhau của SCA

¾ Tận dụng các tiêu chuẩn thương mại khác để giảm chi phí phát triển

¾ Giảm thời gian phát triển phần mềm thông qua khả năng tái sử dụng phân hệ thiết kế tích hợp khác

¾ Được xây dựng trên kiến trúc, khuân mẫu thương mại, có thể tái sử dụng và phát triển thuận tiện hơn

Cấu trúc mô hình tổng quát của SCA:

Waveforms /Applications framework

Core Frameworks MiddleWare

(Object Request Broker - ORB)

Operating System - OS Hardware Driver Hardware

Hình 9 Cấu trúc tổng quát mô hình SCA

Hardware: là nền tảng phần cứng được sử dụng, hiện tại có nhiều hãng cung

cấp nền tảng phần cứng cho hệ thống SDR trong đó có Spectrum và Pentek…nền tảng phần cứng thường sử dụng các chip khả trình như FPGA, DSP để đảm bảo tính linh hoạt của phần cứng

Hệ điều hành (OS): thực thi nhiệm vụ từ lớp trên đưa xuống phần cứng thực

hiện Hiện tại phổ biết nhất là các hệ điều hành như Intergrity OS; VxWorks OS; Linux OS

Middleware ORB: có nhiệm vụ vận chuyển, điều phối các packages của các

nodes khác nhau (FPGA, DSP) xuống dưới OS để thực hiện Hiện phổ biến các middleware như: OmniORB hay ORBExpress…

Core Frameworks: cung cấp các giao diện, các API cho người phát triển các

waveform ứng dụng ở lớp trên Hiện phổ biến các Core Frameworks như SCARI, OSSIE…

Chi tiết về SCA có thể tham khảo theo tài liệu chuẩn: SCA_version_2_2_2.pdf

Trên đây đã mô tả khái quát được công nghệ SDR, SCA sử dụng cho các thiết

bị radio, chi tiết về công nghệ SDR trên các nền tảng của các hãng phát triển chi tiết tại phần IV

III Xu hướng phát triển

III.1 Nhận xét về ưu, nhược điểm

• Với khả năng đáp ứng của kiến trúc phần cứng và khả năng xử lý mềm dẻo, linh hoạt của phần mềm các thiết bị sử dụng công nghệ SDR sẽ tạo ra các thiết

bị với nhiều tính năng khác nhau (multiband, multimode)

• Cho phép thay đổi phương thức truyền tin một cách linh hoạt Điều này rất

có lợi trong thông tin quân sự, tránh được việc đối phương thu nhận được thông tin

• Đối với các nhà sản xuất thiết bị có thể sản xuất một họ sản phẩm trên một nền kiến trúc chung, vì vậy việc đưa ra một sản phẩm mới nhanh hơn Hơn nữa phần mềm có thể được kế thừa qua nhiều sản phẩm sẽ giảm được chi phí một cách đáng kể Một lợi ích nữa là có thể cập nhật phần mềm, sửa lỗi các thiết bị

đã được bán thông qua việc nạp chương trình qua radio

• Đối với các nhà cung cấp dịch vụ, họ có thể nâng cấp hạ tầng thông qua việc update software Cùng một thiết bị có thể hoạt động ở nhiều giao thức, nhiều mạng khác nhau (do được nạp các chương trình khác nhau)

• Đối với người sử dụng, đặc biệt thông tin quân sự, SDR cho phép họ có thể kết nối với bất kì thiết bị nào khác mà họ cần (chỉ cần thay đổi phần mềm)

III.2 Xu hướng phát triển

Xu hướng phát triển tiếp theo công nghệ SDR được đề cập trong tổ chức diễn đàn SDR thế giới, diễn đàn SDR đưa ra các khái niệm về các thiết bị, hệ thống thông tin vô tuyến thông minh tiếp theo như mô tả bên dưới

Hình 10 Một số khái niệm về xu hướng phát triển tiếp theo SDR

III.2.1 Hệ thống thông tin vô tuyến thích nghi - Adaptive Radio

Adaptive radio là thiết bị thông tin vô tuyến có khả năng nhận biết được một

số tham số của hệ thống truyền thông hiện tại ví dụ như cường độ tín hiệu, độ nhạy thu, nhiễu, tỷ lệ lỗi tín hiệu… từ đó thiết bị sẽ điều chỉnh các tham số hoạt động phù hợp với môi trường để cải thiện chất lượng cũng như hiệu quả của thiết bị Adaptive radio cơ bản xây dựng trên công nghệ SDR, thiết bị khi đó cho phép mức độ cao hơn về tự khả năng thích nghi, nâng cao được hiệu suất, chất lượng dịch vụ trong hệ thống thông tin liên lạc

III.2.2 Hệ thống thông tin vô tuyến nhận thức - Cognitive Radio

Cognitive radio là thiết bị thông tin vô tuyến được biết đến như là một thiết bị

ở mức cao hơn so với SDR và Adaptive radio Cognitive radio là thiết bị vô tuyến

có khả năng nhận thức được trạng thái của môi trường đang hoạt động, chẳng hạn như vị trí, phổ tần số tại vị trí sử dụng, từ đó thiết bị có thể đưa ra quyết định về phương thức, cơ chế hoạt động của nó để phù hợp với môi trường làm việc Thông qua ví dụ, nếu thiết bị điện thoại di động có khả năng nhận biết được với vị trí hiện tại hoạt động ở mạng 2G, 3G hay qua GPS … là tốt nhất ở phổ tần số nào là tốt nhất

…, khi đó thiết bị sẽ tự động điều chỉnh sang mạng hay phổ tần tốt hơn để hoạt

động như vậy sẽ rất thuận tiện cho người sử dụng đầu cuối trong việc liên lạc thông tin với bất kỳ ai, bất kì khi nào

III.2.3 Hệ thống thông tin vô tuyến thông minh - Intelligent Radio

Intelligent Radio là cognitive radio có khả năng học máy (machine learning) Điều này cho phép thiết bị cognitive radio nhận thức để cải thiện cách thức mà nó thích nghi với những thay đổi trong hoạt động và môi trường để phục vụ tốt hơn nhu cầu của người dùng cuối Ngoài việc sử dụng công nghệ SDR, và cải tiến của adaptive radio Intelligent Radio và cognitive radio còn hỗ trợ truy cập phổ tần động (Dynamic Spectrum Access - DSA), cho phép hệ thống lựa chọn phổ tần số, trong

đó thiết bị sẽ hoạt động ở một vị trí nhất định và trong một khoảng thời gian nhất để tối ưu hóa việc sử dụng của phổ tần có sẵn và tránh nhiễu với các thiết bị vô tuyến hoặc các hệ thống vô tuyến khác [14]

Như vậy, chương I trên đây trình bày quá trình hình thành công nghệ SDR, từ

đó đưa ra khái niệm, đặc điểm, mô hình về công nghệ SDR Và những xu hướng phát triển tiếp theo của công nghệ SDR Tiếp theo sau đây là phần trình bày về nền tảng phát triển công nghệ SDR cụ thể của các hãng lớn trên thế giới

Chương II NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN PHÂN HỆ XỬ LÝ TÍN HIỆU

TRONG MÁY THU SDR

 Phần dưới đây, mô tả 2 nền tảng phát triển SDR của 2 hãng Lyrtech, và Spectrum Đây là 2 nền tảng phát triển thiết bị, hệ thống thông dụng trên thế giới

I Platform phát triển công nghệ SDR

I.1 Platform SDR phát triển sản phẩm của hãng Lyrtech

I.1.1 Thông tin cơ bản về hãng Lyrtech

Lyrtech là hãng chuyên nghiên cứu các sản phẩm công nghệ cao tại Canada, đặc biệt về xử lý tín hiệu số, thành lập cách đây 25 năm, hãng đã phát triển nhiều nền tảng phần cứng và ứng dụng rộng rãi trong dân sự cũng như quân sự

I.1.2 Sơ đồ khối chức năng hệ thống SFF SDR

SFF của hãng Lyrtech gồm ba module chính như hình vẽ:

Hình 11 Sơ đồ khối chức năng hệ thống SFF SDR

I.1.2.1 RF front-end

™ Sơ đồ chức năng:

Hình 12 Sơ đồ khối chức năng hệ thống RF front-end

Hình vẽ dưới biểu diễn sơ đồ khối chức năng Low-band RF của SFF

Hình 13 Sơ đồ khối chức năng Low-band RF của SFF

™ Chức năng:

• Tín hiệu cao tần được đưa qua RF front-end Tại đây tùy thuộc dải tần làm việc tín hiệu được đưa qua các bộ lọc hạn băng (bộ lọc 250MHz-500MHz hoặc 500MHz-1000MHz) Tín hiệu sau khi được lọc lấy dải tần mong muốn sẽ được cho qua bộ khuếch đại tín hiệu với hệ số khuếch đại là 18dB

• Tín hiệu sau khuếch đại được trộn tần tại Mixer với tín hiệu tạo ra từ

bộ dao động điều khiển bởi điện áp VCO và vòng khóa pha PLL để đưa về tín hiệu trung tần 30MHz với băng thông của tín hiệu là 20MHz hoặc 5MHz (tùy thuộc ứng dụng) Tín hiệu IF này sau đó được chuyển qua bộ chuyển đổi dữ liệu Data Conversion Module

• Phần phát của RF front-end tương tự nhưng ngược lại với phần thu

I.1 2.2 Data conversion module

™ Sơ đồ chức năng:

™ Cấu tạo:

• 2 ADC ADS5500 14 bit, tốc độ 125MSPS

• DAC5687 - 2kênh, 16bit, 500MSPS

• FPGA Virtex-4 làm nhiệm vụ điều khiển các bộ ADC, DAC, các bộ khuếch đại và tạo dao động

I.1.2.3 Digital processing module

™ Sơ đồ chức năng:

Hình 15 Sơ đồ khối chức module Digital processing

™ Cấu tạo:

Khối này bao gồm các phần tử xử lý:

• DSP của TI: TMS320DM6446 Trên DSP này lại bao gồm 2 phần tử xử lý:

• 128MB NAND Flash

• Audio codec (8kHz – 48kHz)

• Giao tiếp Ethernet 10/100-Mbps

• Giao tiếp HMI (Push button, dip switches, Led)

xử lý cũng đủ để đáp ứng yêu cầu của hệ thống

• Vi xử lý ARM thường đóng vai trò là khối xử lý trung tâm, có nhiệm vụ khởi tạo hệ thống (nạp chương trình DSP, FPGA), điều khiển hoạt động của các phần tử xử lý khác, điều khiển ngoại vi, điều khiển vào ra, quyết định cách thức hoạt động của hệ thống, điều khiển DSP thực hiện quá trình điều chế, giải điều chế

• FPGA tùy ứng dụng có thể được sử dụng như các bộ chọn kênh, lọc số, các bộ chuyển đổi sample rate (DUC, DDC) Trong nhiều trường hợp FPGA còn được xây dựng như một bộ vi xử lý, thực hiện các tác vụ của một vi xử lý

• DSP với ưu thế về tính toán, thường được sử dụng để xây dựng các bộ lọc

âm tần, thực hiện các quá trình điều chế, giải điều chế, mã hóa, mã mật

• Việc phân chia các tác vụ của từng phần tử xử lý như trên đôi khi chỉ là tương đối, thực tế hệ thống có thể thực hiện theo nhiều cách, với các tác

vụ được phân phối một cách tùy biến và linh động

I.1.3 Flow và công cụ phát triển SFF SDR

I.1.3.1 Flow phát triển SFF SDR

Platform SFF SDR phát triển các ứng dụng thông qua các khối xử lý DSP, FPGA, ARM từ đó tạo thành các ứng dụng theo từng mục đích khác nhau Các ứng dụng DSP được phát triển trên công cụ CCS, tạo thành các DSP block (hoặc có thể lấy trực tiếp từ thư viện MBDK) và có thể mô phỏng trên matlap, thông qua MBDK của Lyrtech tạo thành các file chương trình trên DSP, cũng tương tự đối với FPGA Hình vẽ dưới đây mô tả cô đọng flow phát triển SFF

I.1.3.2 Các công cụ phát triển

Bên cạch các công cụ chuyên dụng phát triển các ứng dụng cho FPGA, DSP như ISE, CCS …Lyrtech đã tích hợp và phát triển bộ công cụ ADP gồm các thư viện block trên matlab cho DSP, FPGA từ đó thuận tiện cho việc mô phỏng thuật toán, mô phỏng các ứng dụng trên matlab và có thể biên dịch trực tiếp thành các file

.out, bit chạy trên các khối xử lý Dưới đây là một số DSP block và FPGA block

cơ bản trong MBDK của ADP lyrtech

DSP block lib

STT Tên Ý nghĩa

1 Audio codec configuration Module cấu hình tham số Audio

codec

2 Audio Codec Input Module xử lý đầu vào Audio codec

3 Audio Codec Output Module xử lý đầu ra Audio codec

5 CMD File Generator Module tạo file cấu hình

6 Custom Register Module điều khiển thanh ghi

7 Data Conversion Module

configuration

Module cấu hình tham số tham số Data Conversion

11 Power Monitoring Module điều khiển nguồn

thống

13 RF module configuration Module cấu hình tham số khối RF

14 VPBE (FPGA->DSP) Module xử lý dữ liệu từ FPGA->DSP

15 VPFE (DSP->FPGA) Module xử lý dữ liệu từ DSP->FPGA

FPGA block lib

1 Custom Register Cấu hình thanh ghi

2 Data Conversion Chuyển đổi dữ liệu

3 Module Input (ADC) Điều khiển đầu vào ADC

4 FPGA configuration Cấu hình FPGA

7 VPSS ( DSP<->FPGA) Bus dữ liệu

I.1.4 Phát triển theo kiến trúc SCA -Software Communication Architecture

SCA là mô hình phần mềm bao gồm driver cho nền tảng phần cứng, hệ điều hành, các milldeware, sau cùng là phần ứng dụng SCA cung cấp hệ thống phát triển các ứng dụng (waveform) nhanh đối với các hệ thống thông tin vô tuyến lớn Khi đó, việc phát triển ứng dụng sẽ độc lập và có thể kế thừa waveform của các nền tảng phần cứng khác nhau Hình vẽ 17 dưới đây mô tả phân lớp trong kiến trúc SCA

Hình 17 Sơ đồ kiến trúc SCA

I.2 Platform SDR phát triển sản phẩm của hãng Spectrum

I.2.1 Thông tin cơ bản về hãng Spectrum

Spectrum là một trong những công ty hàng đầu và tiên phong trong việc phát triển các sản phẩm trên nền tảng SDR

Dưới đây là một số platform phát triển SDR của Spectrum:

• SDR-2000: phát triển các hệ thống SDR thuộc dòng low-cost, giao tiếp

• SDR-3000: phát triển các hệ thống SDR có mật độ cao, đòi hỏi hiệu năng cao, nhiều channel, ứng dụng cho các thiết bị đòi hỏi khả năng xử lý thông tin cao, như wireless gateway, satellite commulications…

• SDR-4000: phát triển các hệ thống SDR có mật độ cao, đòi hỏi hiệu năng cao, mà vẫn đảm bảo được kích thước nhỏ, ứng dụng cho các thiết bị đòi hỏi khả năng xử lý thông tin cao, kích thước nhỏ, ví dụ cho Tactical MILCOM Development and Deployment Platform

I.2.2 Platform SDR-4000

I.2.2.1 Mô tả chung:

SDR-4000 là platform sử dụng công nghệ SDR mới và cơ bản phù hợp các tiêu chí phát triển sản phẩm nhỏ gọn, cơ động

Mô hình tổng quát của SDR

tạo bởi FPGA được tạo thành các tín hiệu số baseband có tốc phù hợp đưa và khối

sử lý Pro-4600

XMC-3321 bao gồm:

- 01 FPGA Xilinx dùng cho việc phát triển các ứng dụng của nhà phát triển (ví

dụ phát triển các bộ DDC, DUC…)

- 01 FGPA Xilinx dùng cho việc thực hiện truyền dữ liệu tốc độ cao

I.2.2.2.2 Board Processing Pro-4600

Hình 21 Board Processing Pro-4600

Board Pro-4600 đóng vai trò thực hiện việc xử lý tín hiệu baseband từ

XMC-3321, Pro-4600 thực hiện chức năng quản lý chung, quyết định sự vận hành của toàn bộ hệ thống Thực thi việc giao tiếp giữa các module, xử lý tín hiệu số, thực hiện việc điều chế, giải điều chế, thực thi các bộ lọc …

Pro-4600 bao gồm:

• 01 MPC8541E GPP cho xử lý tín hiệu băng gốc và quản lý hệ thống

• 01 TI C6416 DSP cho xử lý tín hiệu số

• FPGA Xilinx XC4LX60 phát triển các ứng dụng định nghĩa bởi nhà phát triển

• FPGA Xilinx Virtex-4 FPGA (FX60) đóng vai trò thực hiện truyền dữ liệu tốc độ cao

Hình vẽ dưới biểu diễn mối quan hệ giữa XMC-3321 với Pro-4600

Hình 22 Quan hệ giữa XMC-3321 với Pro-4600

I.2.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các board

I.2.3.1 Board XMC-3321

™ Thông tin chung:

Board XMC-3321 là board không thể thiếu trong hệ thống SDR của Spectrum XMC-3321 hỗ trợ các tín hiệu IF ở tần số 10.7MHz, 21.4MHz, và 70MHz thông qua 2 ADC (tốc độ 96MSPS và 2 DAC tốc độ 192MSPS) XMC-3321 có kích