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 dưới nước sử dụng

transducer trên 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 dưới nước

Hình 2.3 Chi tiết bộ điều chế FSK

Hình 2.4 Khối Bit_rate

Hình 2.5 Khối sin_data

Hình 2.6 Dạng của tín hiệu khi qua khối sin_data

Hình 2.7 Khối dac_out

DANH MỤC BẢNG BIỂU

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 sựthay đổi của tín hiệu FSK là một sơ đồ điều chế tần số, được dùng rộng rãi trongtruyền 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 đượctruyền bởi tần số 1070 Hz (fm)

Đường bao biên độ không đổi, đặc điểm này cho phép chúng không bị ảnh hưởngbởi 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 thấptương ứng mức 0

S(t) = A.cos(2*π*f1*t + β) binary 1 = A.cos(2*π*f2*t + β) binary 01.1.2 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

Hình 1.1 Điều chế FSK: dạng sóng, bộ điều chế, phổ

- Dạng sóng của tín hiệu FSK

Hình 1.2 Dạng sóng tín hiệu điều chế FSK 1.1.3 Ưu điểm, nhược điểm

- Dùng rộng dãi trong truyền số liệu

- Dùng để truyền dữ liệu tốc độ 1200bp hay thấp hơn trên mạng điện thoại

- Có thể dùng tần số cao (3-30MHz) để truyền sóng radio hoặc cáp đồng trục

1.2 FPGA

1.2.1 Khái niệm

Field Programmable Gate Arrays là một chip logic số có thể lập trình được, tức là cóthể sử dụng chúng để lập trình cho hầu hết các chức năng của bất kỳ một thiết kế sốnào

FIELD nghĩa là nơi sử dụng con chip Field Programmable nghĩa là có thể lập trìnhđược tại nơi của người sử dụng khác với một số chip là phải lập trình tại nơi sản xuất.FPGA được tạo thành từ một mảng (matrix hay array) các phần tử khả trình nên đượcgọi là Programmable Gate Array

1.2.2 Kiến trúc cơ bản của FPGA

Hình 1.3 Cấu trúc cơ bản của FPGA

a Khối logic có thể tái cấu hình

Mục đích của việc lập trình khối logic trong FPGA là để cung cấp các tính toán

và các phần tử nhớ cơ bản được sử dụng trong hệ thống số Một phần tử logic cơbản gồm một mạch tổ hợp có thể lập trình, một Flip-Flop hoặc một chốt (latch).Ngoài khối logic cơ bản đó, nhiều Chip FPGA hiện nay gồm một hỗn hợp các khốikhác nhau, một số trong đó chỉ được dùng cho các chức năng cụ thể, chẳng hạn nhưcác khối bộ nhớ chuyên dụng, các bộ nhân (multipliers) hoặc các bộ ghép kênh(multiplexers) Tất nhiên, cấu hình bộ nhớ được sử dụng trên tất cả các khối logic đểđiều khiển các chức năng cụ thể của mỗi phần tử bên trong khối đó

b Kết nối có thể lập trình

Các liên kết trong một FPGA dùng để liên kết các khối logic và I/O lại với nhau

để tạo thành một thiết kế Bao gồm các bộ ghép kênh, các transistor và cổng đệm batrạng thái Nhìn chung, các transistor và bộ ghép kênh được dùng trong một cụmlogic để kết nối các phần tử logic lại với nhau, trong khi đó cả ba đều được dùng chocác cấu trúc định tuyến bên trong FPGA Một số FPGA cung cấp nhiều kết nối đơngiản giữa các khối logic, một số khác cung cấp ít kết nối hơn nên định tuyến phứctạp hơn

ra nhờ mật độ cổng logic lớn FPGA được ứng dụng cho những bài toán đòi hỏi khối lượng tính toán lớn và dùng trong các hệ thống làm việc theo thời gian thực

CHƯƠNG 2 TRIỂN KHAI KHỐI ĐIỀU CHẾ FSK TRÊN FPGA 2.1 Tổng quan về hệ thống

2.1.1 Các chỉ tiêu kỹ thuật

- Tốc độ bit: 1 KHz

- Tần số sóng mang của bit 1: 16 KHz

- Tần số sóng mang của bit 0: 13 KHz

Hình 2.1 Sơ đồ điều chế FSK 2.1.2 Yêu cầu hệ thống

a Yêu cầu chức năng

- Data cần truyền đi là 8 bit

- Tốc độ bit: 1Kbps

- Tần số sóng mang của bit 1: 16 Khz

- Tần số sóng mang của bit 0: 13 Khz

b Yêu cầu phí chức năng

- Khoảng cách truyền <10km

- Giá thành <100$

- Vỏ bọc: nhựa chất liệu chống ăn mòn

- Độ trễ truyền: < 5s

- Khối lượng: 1.5 kg

- Công suất: 10W

- Độ bền: 5 năm

- Nhiệt độ môi trường: 10-40

- Chuẩn chống nước: IP68

Hệ thống truyền thông tin dưới bao gồm:

- Bộ điều chế FSK ( Kit Nexys 3)

- Mạch khuếch đại ( Khuếch đại tín hiệu điện)

- Transducer (chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu âm thanh)

2.2.2 Chi tiết từng khối

Hình 2.3 Chi tiết bộ điều chế FSK

- Khối Bit_rate_1Khz

Hình 2.4 Khối Bit_rate

Khối Bit_rate_1Khz dùng để chuyển tín hiệu từ 8 bit song song sang 8 bitnối tiếp với tốc độ là 1Kbps, nối sang khối Sin_data để điều khiển quá trình ghépsóng mang

- Khối Sin_data

SPI

CHƯƠNG III LINH KIỆN VÀ VI ĐIỂU KHIỂN

3.1 Khảo sát thị trường

Nhu cầu thị trường:

 Việc thế kế vô tuyến bằng cấu hình phần mềm đang phát triển mạnh

 Khả năng thích ứng, tái sử dụng cao, cấu hình lại theo yêu cầu

 Điều chế tín hiệu trước khi truyền đi xa trong môi trường nướcĐối tượng:

 Tàu ngầm, tàu thuyền có nhu cầu truyền và giao tiếp thông tin trong môi trườngnước

Ứng dụng:

 Để điều chế và truyền thông tin dưới nước

3.2 Lựa chọn linh kiện

+ Khả năng xử lý song song:

Chỉ cẩn 1 IC xung nhịp thấp có thể xử lý bài toán điều chế thay vì các dòngDSP, ARM cần có tốc độ làm việc cao hơn nhiều lần

VD: FPGA có tốc độ clock 300Mhz đủ năng lực thiết kế phần số của máy thu phátvới trung tần lên đến 60Mhz và băng thông 8Mhz thay vì dùng DSP phải cần đến bộ

xử lý tốc độ 1Ghz, nếu dùng ARM thì tốc độ còn cao hơn nữa

+ Khả năng can thiệp sâu vào phần cứng:

Thiết kế mạch số ở phần thu cần xử lý loại bỏ nhiễu, quyết định ngưỡng, mạchtrễ, Nếu không can thiệp sâu vào phần cứng thì sự tối ưu của bộ giải điều chế sẽgiảm đi gây ảnh hưởng độ nhạy

+ Các linh kiện của nhóm sử dụng cho dự án:

• Bộ khuếch đại: sử dụng kit FPGA

• Mạch khuếch đại transitor BC547, Op Amp LF 356N, tụ điện, điện trở

• Tranducer

• V….v…v3.3 Thông số và chức năng linh kiện

3.3.1 Kit FPGA

Kít FPGA XilinxSpartan6+

module

Nexys A7 Kit Nexys 3

Tần số đồng hồ 50MHz 450MHz 500MHz +

Chíp FPGA chính Spartan6

TQG144

Xilinx Arxtix-7 LX16 FPGA

Xilinx Spartan-6 LX16 FPGA

User I/O 8 LED dán, 8

LED 7 đoạn 4DIP switch

16 công tắc, 16đèn LED Hai đènLED RGB Haimàn hình 4 chữ

số 7 đoạn

8 đèn LED, 5nút, 8 công tắctrượt và mànhình 7 đoạn 4chữ số

UART và HID

USB-(cho chuột/ bànphím)

UART và HID (cho chuột/bàn phím)

USB-Bảng 3.1 Thông số của các kit trên thị trườngChức năng chính: điều chế FSK

• 8 bit VGA

• GPIO: 8 LEDs, 5 nút bấm, 8 công tắc và 4 LED 7 thanh

• 2278 slices, mỗi slices bao gồm 4 LUT 6 đầu vào và 8 Flip-flop

• 576kb cho khối RAM phục vụ xử lý nhanh

• 32 DSPĐánh giá

 Kit phục vụ tốt cho nhu cầu của sinh viên

 Tần số hoạt động cao giúp cho việc xử lý trong các khối hoạt động nhanh3.3.2 Mạch khuếch đại

3.3.2.1 Transistor BC547

BC547 là transistor BJT NPN đa năng được sử dụng trong các dự án điện

tử giáo dục, thương mại Nó được đóng gói TO- 92 và các dòng đầu ra tối đa màtransistor này có thể xử lý là 100mA Transistor có độ lợi dòng điện một chiều rấttốt và độ nhiễu thấp do đó nó rất lý tưởng để sử dụng trong các giai đoạn khuếchđại tín hiệu Điện áp bão hòa chỉ là 90mV cũng là một tín hiệu tốt để sử dụng nónhư một công tắc

Chức năng: Có thể thay thế nhiều tran khác nên nó có thể sử dụng nhiều trong

loại mạch điện tử như là chuyển đổi tải nhỏ trên điện áp và dòng đầu vào rất thấpcũng như khuếch đại âm thanh nhỏ và tín hiệu khác Tần số chuyển tiếp tối đa củatransistor là 300MHz vì vậy nó cũng sẽ hoạt động tốt trong các mạch RF dưới tần

số 300MHz3.3.2.2 Op Amp LF356N

Hình 3.3 Op Amp LF356N

Ưu điểm và chức năng:

 Hai ngõ vào đảo và không đảo cho phép khuếch đại được nguồn tín hiệu

có tính đối xứng

 Ngõ ra chỉ khuếch đại sự sai lệch giữa hai tín hiệu ngõ vào nên Op-Ams

có độ miễn nhiễu rất cao

 Khuếch đại cả những tín hiệu với biên độ chỉ vài chục mico Volt

 Tổng trở ngõ vào của Op-Amps rất lớn, cho phép mạch khuếch đại nhữngnguồn tín hiệu có công suất bé

Hình 3.4 Tụ điện và điện trở

3.4 Giá thành linh kiện

CHƯƠNG IV KẾ HOẠCH THỰC HIỆN

Nhóm đã đưa ra lộ trình kế hoạch được thực hiện dưới bảng sau:

Tên công việc

Thời gian thực hiện

Trạng thái

Tìm kiếm đề tài thực tế, phân tích

nhu cầu thị trường, tham khảo

Project

1 tuần (22/3- 29/3)

Xong

So sánh, phân tích, đưa ra quyết định

chọn đề tài: Điều chế FSK trên

FPGA

1 tuần (29/3- 5/4)

Xong

Tìm hiểu lý thuyết về FSK

 Frequency Shift Keying

(FSK)

 Tham khảo từng cách sử dụng

cho các hệ thống thông tin

liên lạc đi xa, radio , user ID,

Xong

Đánh giá và so sánh với ASK

 Về ưu điểm: Tại sao lại ít ảnh

hưởng của nhiễu và ít lỗi hơn

Xong

Tìm hiểu về ứng dụng của FSK

1 tuần (19/4- 26/4)

Xong

Tìm hiểu tổng quan hệ thống:

Các chỉ tiêu kỹ thuật

1 tuần (19/4- 26/4)

Xong

Thiết kế hệ thống

1 tuần (26/4- 3/5)

Xong

Tìm hiểu khối Bit_rate_1khz

1 tuần (26/4- 3/5)

Xong

Tìm hiểu khối sin_data

1 tuần (26/4- 3/5)

Xong

Tìm hiểu khối dac_out

1 tuần (26/4- 3/5)

Xong

Mô phỏng trên ModelSim

1 tuần (3/5- 10/5)

Xong

Triển khai trên FPGA

2 tuần (10/5- 24/5)

Chưa h/t

Kiểm thử với các thông số đánh giá

hệ thống và thực hiện tối ưu

2 tuần (24/5- 7/6)

Chưa t/h

Hoàn thiện báo cáo cả slide và word

1 tuần (7/6- 14/6)

Qua những buổi họp nhóm , bọn em đã học được cách thiết kế ra một sản phẩm theo đúngquy trình, từ việc lựa chọn đề tài, lên ý tưởng, kiểm tra tính khả thi của ý tưởng cho đếncác bước tạo demo và thử nghiệm sản phẩm, từ đó hoàn thiện sản phẩm của mình Mongrằng thiết kế của bọn em sẽ trở nên hữu dụng trong tương lai

Trong thời gian thực hiện bài tập lớn cộng với kiến thức còn nhiều hạn chế nên trong báocáo không tránh khỏi những thiếu xót, nhóm chúng em mong nhận được sự đánh giá, góp

ý của thầy và các bạn trong suốt quá trình thảo luận cũng như thiết kế sản phẩm

Nhóm em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Hàn Huy Dũng đã có những nhận xét đối với bảnthiết kế , qua đó để sản phẩm có thể được hoàn thiện tốt hơn trong tương lai

Tài liệu tham khảo

[1] FREQUENCY SHIFT KEYING DEMODULATORS FOR LOW-POWER FPGA

APPLICATIONS, RILEY T HARRINGTON B.S., Kansas State University, 2011

https://core.ac.uk/download/pdf/77979986.pdf

[2] FPGA-based FSK/PSK modulation, Ahmed Asim Ghouri, Embedded Strings Inc EDN (December 11, 2014)

https:// www.design-reuse.com/articles/36109/fpga-based-fsk-psk-modulation.html