Nghiên cứu, thiết kế bộ tổ hợp tín hiệu điều tần cho ra đa liên tục bằng phương pháp tổ hợp số trực tiếp tần số

Bài viết trình bày nghiên cứu, thiết kế bộ tổ hợp tín hiệu cho ra đa liên tục sử dụng tín hiệu điều tần bằng phương pháp tổ hợp số trực tiếp tần số. Bằng việc khảo sát tín hiệu điều tần tuyến tính dạng tam giác, bài báo đã làm rõ nguyên lý hoạt động cả ra đa liên tục.

Trang 1

Thông tin khoa học công nghệ

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016 197

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ BỘ TỔ HỢP TÍN HIỆU ĐIỀU TẦN

CHO RA ĐA LIÊN TỤC BẰNG PHƯƠNG PHÁP

TỔ HỢP SỐ TRỰC TIẾP TẦN SỐ

Nguyễn Minh Thắng 1*, Nguyễn Đình Hưng 2, Đinh Trọng Quang1,

Trịnh Xuân Thọ1, Nguyễn Thành1

Tóm tắt: Bài báo trình bày nghiên cứu, thiết kế bộ tổ hợp tín hiệu cho ra đa liên

tục sử dụng tín hiệu điều tần bằng phương pháp tổ hợp số trực tiếp tần số Bằng việc khảo sát tín hiệu điều tần tuyến tính dạng tam giác, bài báo đã làm rõ nguyên

lý hoạt động cả ra đa liên tục Bài báo cũng đề xuất phương án thiết kế bộ tổ hợp tín hiệu điều tần tuyến tính liên tục theo phương pháp tổ hợp số trực tiếp dựa trên công nghệ vi mạch tích hợp khả trình FPGA (Field Programmable Gate Array) kết hợp với linh kiện điều chế cầu phương I/Q AD9957 Kết quả của nghiên cứu sẽ được giới thiệu và đánh giá với bộ tham số thiết kế đầu vào

Từ khóa: Ra đa liên tục, Tổ hợp số trực tiếp tần số, Điều tần tuyến tính, Vi mạch AD9957

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Tín hiệu điều tần là dạng tín hiệu điều chế được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực thông tin liên lạc, ra đa cảnh giới, ra đa viễn thám, hệ thống đo cao, hệ thống giám sát chất lượng Trong các ứng dụng sử dụng tín hiệu điều tần, lĩnh vực nghiên cứu liên quan tới ra đa liên tục sử dụng tín hiệu điều tần đã có quá trình phát triển lâu dài và được phát triển rộng rãi trong những năm gần đây [1]-[5] Đặc biệt trong lĩnh vực quân sự, cùng với việc phát triển của công nghệ bán dẫn và các hệ thống

xử lý số thông tin tốc độ cao, thời gian gần đây đã có nhiều hệ thống ra đa liên tục được giới thiệu như hệ thống cảnh giới Cam Shell 76N6, hệ thống ra đa

ELM-2112, hệ thống ra đa Ranger R20SS, v.v Tại Việt Nam, lĩnh vực nghiên cứu ra đa liên tục cũng đã được quan tâm tuy nhiên vẫn thiếu những nghiên cứu chuyên sâu, mang tính chất nền tảng cho việc nghiên cứu, phát triển và ứng dụng chủng loại ra

đa này trong thực tiễn

Trong bối cảnh nghiên cứu như trên, bài báo trình bày nghiên cứu, thiết kế bộ tổ hợp tín hiệu cho ra đa liên tục sử dụng tín hiệu điều tần bằng phương pháp tổ hợp

số trực tiếp tần số Trước tiên, nguyên lý hoạt động của ra đa liên tục được làm rõ bằng việc khảo sát tín hiệu điều tần tuyến tính dạng tam giác Dựa trên kết quả khảo sát nguyên lý hoạt động của ra đa liên tục, bài báo đề xuất phương án thiết kế

bộ tổ hợp tín hiệu điều tần tuyến tính liên tục theo phương pháp tổ hợp số trực tiếp tần số dựa trên công nghệ vi mạch tích hợp khả trình FPGA kết hợp với linh kiện điều chế cầu phương I/Q AD9957 Kết quả của nghiên cứu sẽ được giới thiệu và đánh giá với bộ tham số thiết kế đầu vào

2 TỔ HỢP TÍN HIỆU TRONG RA ĐA ĐIỀU TẦN

TUYẾN TÍNH LIÊN TỤC 2.1 Nguyên lý hoạt động của ra đa liên tục sử dung tín hiệu điều tần

Ra đa liên tục có thể sử dụng dạng điều tần tuyến tính để đo cả khoảng cách và tần số Đốp le Trong thực tế ra đa liên tục, dạng sóng điều tần tuyến tính được thay

Trang 2

đổi theo độ rời rạc đủ nhỏ để đáp ứng được yêu cầu về độ chính xác khi đo khoảng cách và vận tốc mục tiêu Tín hiệu phản xạ từ mục tiêu ngoài việc phụ thuộc vào khoảng cách R đến mục tiêu còn phụ thuộc vào vận tốc hướng tâm của mục tiêu so

với đài phát Hình 1 miêu tả miêu tả sóng điều tần liên tục sử dụng dạng sóng điều

tần tam giác và tín hiệu phản xạ từ mục tiêu ở khoảng cách R đối với mục tiêu

không chuyển động, còn Hình 2 là đối với mục tiêu chuyển động

Hình 1 Tần số truyền, nhận và tần số

phản xạ cho trường hợp mục tiêu không

chuyển động

Hình 2 Tần số truyền, nhận và tần số

phản xạ cho trường hợp mục tiêu

chuyển động

Trong trường hợp mục tiêu không chuyển động, tần số phách được định nghĩa theo công thức:

Trong đó: :độ di tần ( độ lệch tần cực đại )

∆ : độ dịch tần của điều chế : chu kì dịch tần

: khoảng cách từ mục tiêu đến đài Trong trường hợp mục tiêu chuyển động với vận tốc khác không, khi đó trong thành phần tín hiệu phản xạ sẽ mang thêm thành phần Đốp le Khi đó mối quan hệ

giữa tín hiệu truyền và tín hiệu phản xạ sẽ được biểu diễn trên hình 2 Khi mục

tiêu chuyển động, tần số phản xạ sẽ được cộng thêm thành phần Đốp le, lượng tần

số cộng vào sẽ mang dấu dương (nếu mục tiêu chuyển động lại gần so với ra đa) và mang dấu âm (nếu mục tiêu chuyển động ra xa so với ra đa), khi đó ta tính được: Tần số phách (Up Beat frequency) nửa chu kì dịch tần lên:

Tần số phách (Dp Beat frequency) nửa chu kì dịch tần xuống:

Trong đó: : tốc độ hướng tâm của mục tiêu so với ra đa

Trang 3

: bước sóng tương ứng với tần số trung tâm Khi đó khoảng cách thu được từ công thức sau:

=

Tốc độ mục tiêu sẽ được tính theo công thức:

=

2.2 Phương pháp tổ hợp số trực tiếp tần số

Tổ hợp số trực tiếp DDS (Direct Digital Synthesizer) hoặc NCO (Numerically Controlled Oscillator), là một phần tử quan trọng trong hệ thống truyền thông, hệ

thống ra đa hiện đại và trong một vài hệ thống điện tử khác Tổ hợp số trực tiếp tần

số được sử dụng rộng rãi để thay đổi tần số lấy mẫu tín hiệu, các kiểu điều chế hoặc giải điều chế, và thực thi một số dạng mã hóa tín hiệu như là PSK, FSK, và MSK Thông thường cách thức hoạt động của nó là tạo một tín hiệu hình sin (cầu phương hoặc không) dựa vào một bảng tra Bảng tra chứa các mẫu của tín hiệu hình sin Phương pháp này tạo ra độ chính xác tần số cao, độ ổn định của tần số theo nhiệt độ và thời gian là rất cao, dải điều chỉnh tần số rộng, tốc độ điều chỉnh tần số rất nhanh

3 CẤU TRÚC BỘ TẠO TÍN HIỆU 3.1 Thiết kế cấu trúc bộ tạo tín hiệu

Cấu trúc bộ tạo tín hiệu đề xuất trong nguyên cứu này bao gồm 2 mô đun chính:

mô đun AD9957 và mô đun vi xử lý khả trình FPGA trong đó mô đun vi mạch khả trình FPGA đóng vai trò thiết lập tham số thanh ghi khởi tạo cho linh kiện AD9957 và cung cấp tham số I/Q trong quá trình điều chế cầu phương thực hiện bởi mô đun AD9957

3.1.1 Mô đun vi mạch tổ hợp tần số AD9957

AD9957 tạo ra tín hiệu băng tần cơ sở bằng phương pháp tổ hợp số trực tiếp tần

số Trong AD9957 tích hợp một bộ tổ hợp số trực tiếp tần số, một bộ biến đổi số - tương tự 14 bít, mạch nhân xung nhịp, bộ lọc số và các mạch xử lý tín hiệu số khác Tín hiệu băng tần cơ sở có thể được tạo ra có thể được điều chế biên độ, pha, tần số một cách dễ dàng bằng cách nạp dữ liệu cho các thanh ghi qua các chân vào

ra nối tiếp và các chân truyền dữ liệu song song

AD9957 có 3 chế độ hoạt động cơ bản: chế độ điều chế cầu phương, chế độ nội suy DAC, chế độ tạo xung đơn Trong khuôn khổ nội dung bài báo này ta chỉ quan tâm đến chế độ điều chế cầu phương để tạo ra được tín hiệu điều tần tuyến tính liên tục

3.1.2 Mô đun vi mạch khả trình FPGA

Trong nghiên cứu, nhóm tác giả đề xuất vi mạch tích hợp khả trình Spartan-3E

là họ FPGA của Xilinx với nhiều ưu điểm nổi bật Đầu tiên phải kể đến là khả năng tích hợp của Spartan-3E từ 100,000 gates đến 1,6 triệu gates, dễ sử dụng, giá thành thấp, tiêu thụ điện ít, mật độ tích hợp nhiều phần tử logic, truyền dữ liệu với tốc độ khá cao

Trang 4

cho mô đun vi m

nh

tuy

3.2

trong vi

mô đun AD9957 Phương pháp chung

giá tr

bảng giá trị khởi tạo để tổ hợp đ

nhóm tác gi

trìn

trực tiếp đ

trong đó:

bít c

3.3

thi

V

cho mô đun vi m

những tín hiệu theo b

tuyến tính li

3.2 Nguyên lý ho

Như đ

trong vi

giá tr

ảng giá trị khởi tạo để tổ hợp đ

nhóm tác gi

trình FPGA c

ực tiếp đ

trong đó:

bít của từ điều khiển tần số

3.3 S

Đ

thiết bị theo s

Máy

Với nhữn

cho mô đun vi m

ững tín hiệu theo b

ến tính li

Nguyên lý ho

Như đ

trong vi

giá trị I v

nhóm tác gi

h FPGA c

ực tiếp đ

trong đó:

ủa từ điều khiển tần số

Sản phẩm thực tế v

Hình 3

Để nạp ch

ết bị theo s

Máy

tính

ới nhữn

cho mô đun vi m

ến tính li

Nguyên lý ho

Như đã nói

trong việc điều khiển v

ị I và Q B

nhóm tác gi

h FPGA c

ực tiếp đư

trong đó:

ản phẩm thực tế v

Hình 3

Hình

ể nạp ch

ết bị theo s

Máy

tính

ới những ưu đi

cho mô đun vi m

ến tính liên t

Nguyên lý ho

ã nói

ệc điều khiển v

à Q B

nhóm tác giả sử dụng l

h FPGA c

ược tính theo công thức sau:

Hình 3.

Hình

ể nạp ch

ết bị theo s

g ưu đi

cho mô đun vi m

ên tục

Nguyên lý ho

ã nói ở tr

à Q B

ả sử dụng l

h FPGA của Xilinx để thiết kế bộ tổ hợp tần số Tần số đầu ra của bộ tổ hợp số

ợc tính theo công thức sau:

: tầ

Mô đun Spartan

Hình 5.

ể nạp chương tr

ết bị theo sơ đ

g ưu đi

cho mô đun vi mạch khả tr

ục

Nguyên lý hoạt động của l

ở tr

à Q Bộ tích phân số đ

ả sử dụng l

ủa Xilinx để thiết kế bộ tổ hợp tần số Tần số đầu ra của bộ tổ hợp số

ần s

Mô đun Spartan

5 Sơ đ

ương tr

ơ đồ đư

M XILINX

g ưu điểm nh

ạch khả tr ững tín hiệu theo b

ục

ạt động của l

ở trên, mô đun vi m

ộ tích phân số đ ảng giá trị khởi tạo để tổ hợp đ

ả sử dụng l

n số

Mô đun Spartan

Sơ đ

ương trình và

được mô tả nh

Mạch n XILINX

ểm nh ạch khả tr ững tín hiệu theo bài toán đ

ên, mô đun vi m

ệc điều khiển và truy

ả sử dụng lõi lô gic DDS

đồng h

Mô đun Spartan

Sơ đồ ghép nối để nạp ch

ình và

ợc mô tả nh

ch nạ XILINX

ểm như v ạch khả tr

ài toán đ

ên, mô đun vi m

à truy

õi lô gic DDS

ng h

ản phẩm thực tế và sơ đ

Mô đun Spartan

ồ ghép nối để nạp ch

ình và

ợc mô tả nh

ạp XILINX

ư v ạch khả trình FPGA

ài toán đ

ên, mô đun vi m

à truyền số liệu I/Q trong quá tr

õi lô gic DDS

ng hồ

à sơ đ

Mô đun Spartan

ình và đánh giá k

ợc mô tả nh

ư vậy ta ho ình FPGA

ài toán đề ra v

ạt động của lõi DDS CORE

ên, mô đun vi m

ền số liệu I/Q trong quá tr

õi lô gic DDS

chu

à sơ đồ ghép nối

Mô đun Spartan-3E

đánh giá k

ợc mô tả nh

ậy ta ho ình FPGA

ề ra v

õi DDS CORE

ên, mô đun vi m

ộ tích phân số được sử dụng để đ ảng giá trị khởi tạo để tổ hợp đư

õi lô gic DDS

chuẩn

ồ ghép nối

3E

đánh giá k

ợc mô tả như trong

Spartan

ậy ta hoàn toàn có th ình FPGA

ề ra và c

õi DDS CORE

ên, mô đun vi mạch khả tr

ợc sử dụng để đ ược tân số mong muốn Trong nghi

õi lô gic DDS

n, ∆

ồ ghép nối

đánh giá k

ư trong Spartan

àn toàn có th ình FPGA đ

à cụ thể ở đây sẽ l

õi DDS CORE

ạch khả tr

mô đun AD9957 Phương pháp chung ở đây l

ợc sử dụng để đ

ợc tân số mong muốn Trong nghi

õi lô gic DDS đư

=

∆ :

ồ ghép nối

đánh giá kết quả tín hiệu đ

ư trong h

Spartan

àn toàn có th

để điều khiển mô đun AD9957 để tổ hợp

ụ thể ở đây sẽ l

õi DDS CORE

ạch khả tr

ở đây l

ợc tân số mong muốn Trong nghi được phát triễn hỗ trợ cho họ vi mạch khả

= 2 : giá tr

ồ ghép nối

ồ ghép nối để nạp chương tr

ết quả tín hiệu đ

hình 5

Spartan-3E

àn toàn có th

ể điều khiển mô đun AD9957 để tổ hợp

õi DDS CORE

ạch khả tr

ở đây l

ợc phát triễn hỗ trợ cho họ vi mạch khả

∆

giá tr

ương tr

ình 5

3E

àn toàn có th

õi DDS CORE

ạch khả trình FPGA

ở đây là kh

∆

( )

giá trị của từ điều khiển tần số

Hình

ương tr

ình 5

àn toàn có thể sử dụng linh kiện Spartan

ình FPGA

à khởi tạo một bảng

ợc sử dụng để đưa ra tham s

ị của từ điều khiển tần số

Hình

ương trình và

ể sử dụng linh kiện Spartan

ình FPGA

ởi tạo một bảng

ưa ra tham s

Hình

ình và

Mô đun AD9957

ụ thể ở đây sẽ là t

ình FPGA

ền số liệu I/Q trong quá trình t

ưa ra tham s

Hình 4 Mô đun

ình và đánh giá k

ết quả tín hiệu đã đư

Mô đun AD9957

à tạo ra tín hiệu điều tần

ình FPGA đóng vai tr

ình t

ưa ra tham s

Mô đun

đánh giá k

được tạo ra ta lắp đặt các

Mô đun AD9957

ạo ra tín hiệu điều tần

đóng vai tr ình tổ hợp số trực tiếp tr

ưa ra tham số về pha kết hợp với

Mô đun

đánh giá k

ợc tạo ra ta lắp đặt các

đóng vai tr

ổ hợp số trực tiếp tr

ố về pha kết hợp với

Mô đun AD9957

đánh giá k

đóng vai tr

ởi tạo một bảng tham kh

AD9957

đánh giá kết quả

đóng vai trò quan tr

tham kh

ợc tân số mong muốn Trong nghiên c

AD9957

ết quả

Máy phân tích ph

hi

ò quan tr

tham kh

ên c

ị của từ điều khiển tần số,

AD9957.

ết quả.

Máy phân tích ph

Máy hiện

ò quan tr

tham khảo các

ên cứu n

(

Máy phân tích ph

Máy

n sóng

ể sử dụng linh kiện

Spartan-ể điều khiSpartan-ển mô đun AD9957 đSpartan-ể tổ hợp

ò quan trọng

ảo các

ứu n

):

Máy phân tích phổ

Máy sóng

-3E

ọng

ổ hợp số trực tiếp trên

ảo các

ứu này,

(6)

số

Máy phân

3E

ọng

ên

ảo các

ày,

)

ố

Trang 5

4 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 4.1 Tham số thiết kế

Nhóm tác giả đã thiết kế các mô đun phần cứng, xây dựng chương trình phần mềm để tạo ra tín hiệu điều tần tuyến tính liên tục dạng tam giác Trong quá trính khảo sát, nhóm tác giả đã tiến hành đo đạc, kiểm thử với nhiều bộ thám số khác nhau với tần số trung tâm có giá trị từ = 10 MHz đến = 150 MHz, độ dịch tần thay đổi từ Δ = 1 MHz đến Δ = 20 MHz Do giới hạn của bài báo, kết quả

đo được giới thiệu trong bài báo được tiến hành với bộ tham số chính như sau:

Tần số trung tâm = 35 MHz

Độ dịch tần Δ = 10 MHz

Chu kì dịch tần T = 1000

4.2 Kết quả đo đối với sản phẩm thực nghiệm

Hình 6 Kết quả đo từ máy phân tích phổ Hình 7 Kết quả đo bằng máy hiện sóng

Kết quả đo sử dụng sơ đồ ghép nối (tham khảo hình 5) được thể hiện như hình

6 và hình 7 Hình 6 thể hiện độ dịch tần của tín hiệu tổ hợp có độ rộng 10Mhz từ

30 MHz đến 40 MHz với tần số trung tâm là 35 MHz Kết quả đo bằng máy hiện

sóng (tham khảo hình 7) cho thấy ứng với tại điểm giữ chậm 1000 , dao động của tín hiệu chuyển từ nhanh sang chậm tương ứng với tần số 30MHz Kết quả đo

từ máy phân tích phổ và máy hiện sóng đã cho thấy tín hiệu được tổ hợp trong bài

báo đảm bảo được tham số thiết kế đã đề ra trong mục 4.1

5 KẾT LUẬN

Bài báo đã trình bày nghiên cứu, thiết kế bộ tổ hợp tín hiệu cho ra đa liên tục sử dụng tín hiệu điều tần bằng phương pháp tổ hợp số trực tiếp tần số Dựa trên kết

quả khảo sát nguyên lý hoạt động của ra đa liên tục được khảo sát trong phần 2,

bài báo đã đề xuất phương án thiết kế bộ tổ hợp tín hiệu điều tần tuyến tính liên tục Bằng việc sử dụng Spartan-3E để điều khiển mô đun AD9957 tổ hợp tần số theo phương pháp trực tiếp ta có thể tạo ra được tín hiệu điều tần tuyến tính liên tục

trong phần 3 của bài báo Kết quả đo bộ tổ hợp tần số số trực tiếp cho thấy tín

thời gian giữ chậm

Trang 6

hiệu được tạo ra có các tham số đúng như yêu cầu thiết kế và được kiểm nghiệm bằng máy phân tích phổ và máy hiện sóng

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] M.I Skolnik, “Radar Handbook”, 2008

[2] L N Uyên, N Thành, V V Phúc, “Thiết kế chế tạo máy thu đa kênh dùng cho rađa cộng hưởng dải sóng mét trên cơ sở sử dụng linh kiện tích hợp cao”, Các công trình nghiên cứu, phát triển và ứng dụng CNTTTT, tr 54

-63, tập V-1, số 6 (26), tháng 9/2011

[3] A Patel, “Signal Generation for FMCW Ultra-Wideband Radar”, Master

thesis, 2009

[3] Analog Devices Inc., “A Technical Tutorial on Digital Signal Synthesis”,

1999

[4] J Vankka, “Direct Digital Synthesizers: Theory, Design and Appli-cations”,

Doctor thesis, 2000

[5] B.Suresh,, M.V.Srikanth, “Radar Waveform Generator based on DDS”, Int

Jour of Adv Research in Comp and Comm Eng., Vol 2, Issue 9, September 2013

ABSTRACT

A DESIGN OF WAVEFORM GENERATOR FOR CONTINUOUS

WAVE RADAR USING FREQUECY MODULATED BY

USING DIGITAL DIRECT SYNTHESIZER METHOD

In this paper, we will research, design, and built a frequency synthesizer for the continuous wave radar by applying direct digital synthesizers(DDS) method By studying the linear frequency modulated (LMF) continuous waveform in triangle shape, paper makes clear about principle and theory of operation for CW radar We also propose a design of LMF frequency synthesizer by apply direct digital synthesizer method associate with FPGA and using quadrature modulation of AD9957 device The clarified of this

proposal design is confirmed by measure result of modulated waveform

Keywords: Continous wave radar, Direct digital synthesizer, Linear frequency modulated, AD9957 device.

Nhận bài ngày 15 tháng 06 năm 2016 Hoàn thiện ngày 26 tháng 07 năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 01 tháng 08 năm 2016

2 Học viện Phòng Không Không Quân

* Emai: minhthang.mta@gmail.com

Định dạng
Số trang	6
Dung lượng	471 KB