Giải pháp xử lý tín hiệu số trong thiết kế khối khuếch đại trung tần điện đài vô tuyến P-625

Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> GIẢI PHÁP XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ TRONG THIẾT KẾ<br /> KHỐI KHUẾCH ĐẠI TRUNG TẦN ĐIỆN ĐÀI VÔ TUYẾN P-625<br /> <br /> Nguyễn Tuấn Minh1*, Lê Thanh Hải1, Trần Đình Lâm1,<br /> Nguyễn Thị Thảo1, Phạm Quốc Hùng2<br /> Tóm tắt: Bài báo trình bày một số kết quả nghiên cứu trong thiết kế khối khuếch<br /> đại trung tần (KĐTT) sử dụng phương pháp xử lý tín hiệu số trên công nghệ FPGA.<br /> Khối KĐTT có chức năng chuyển tín hiệu điều chế AM/FM (điều biên/điều tần) có<br /> tần số 25 Mhz thành tín hiệu âm tần. Phương pháp nghiên cứu dựa trên cơ sở phân<br /> tích nguyên lý hoạt động khối KĐTT do Nga sản xuất để xây dựng phương án thiết<br /> kế mới trên mô hình Matlab-Simulink. Kết quả thử nghiệm cho thấy khối KĐTT sử<br /> dụng giải pháp xử lý tín hiệu số có chất lượng tương đương so với khối do Nga sản<br /> xuất. Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản trong thiết kế, các vật tư linh kiện<br /> có sẵn trên thị trường với chất lượng tốt.<br /> Từ khóa: P-625, KĐTT, AM/FM, FPGA.<br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Điện đài vô tuyến P-625 là thiết bị thông tin mới do Nga sản xuất với nhiều tính<br /> năng hiện đại, khả năng chống nhiễu cao, phù hợp với nhiều điều kiện tác chiến<br /> khắc nghiệt nhằm trang bị trên tàu Hải quân. Điện đài P-625 có nhiều ưu điểm<br /> vượt trội với dải tần công tác rộng, khả năng chống nhiễu tốt và giao diện đơn giản<br /> dễ sử dụng hơn. Khối KĐTT là một khối trong tuyến thu của điện đài P-625 có<br /> chức năng tách sóng, giải điều chế tín hiệu điều chế AM/FM có tần số 25 Mhz<br /> thành tín hiệu âm tần sử dụng phương pháp trộn tần nhiều lần. Một số tính năng kỹ<br /> chiến thuật chính của khối KĐTT được trình bày trong bảng 1 [1].<br /> Bảng 1. Các tính năng kỹ-chiến thuật khối KĐTT.<br /> TT Tính năng kỹ-chiến thuật Giá trị<br /> 1 Các loại điều chế: AM, FM<br /> Độ nhạy máy thu (V) khi tần số điều chế 1000 Hz, hệ<br /> số điều chế 30%, di tần 1,5 kHz, điện áp trên tai nghe<br /> 2 3<br /> bằng 5,2 V, tỷ số điện áp tín hiệu/tạp âm không nhỏ<br /> hơn 3, không kém hơn:<br /> 3 Nguồn cung cấp (Vdc) 12,8<br /> Kích thước (cm):<br /> 4 17,2 x 8,5<br /> Dài x Rộng<br /> Trong quá trình sử dụng, khối KĐTT đã hư hỏng nhiều do thời gian sử dụng dài<br /> và điều kiện khí hậu Việt nam. Trong khi đó, nguồn cung cấp vật tư linh kiện thay<br /> thế khan hiếm. Công tác duy trì, sửa chữa gặp rất nhiều khó khăn ảnh hưởng đến<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 191<br />  Kỹ thuật điện tử<br /> <br /> việc đảm bảo trang bị kỹ thuật của đơn vị. Do đó, việc nghiên cứu chế tạo khối<br /> KĐTT sử dụng phương pháp xử lý tín hiệu có ý nghĩa rất thiết thực.<br /> <br /> 2. KHỐI KĐTT ĐIỆN ĐÀI P - 625<br /> Khối KĐTT điện đài P-625 (hình 1) có hai dải thông: Dải hẹp bằng 18 kHz, dải<br /> rộng bằng 60 kHz, chuyển đổi dải thông được thực hiện bằng rơ le. Tín hiệu trung<br /> tần 25 Mhz được chọn lọc cơ bản đối với tần số lân cận qua mạch lọc thạch anh rồi<br /> đưa đến bộ khuếch đại. Tín hiệu sau khuếch đại được đưa đến bộ trộn tần. Đưa đến<br /> bộ trộn tần còn có tín hiệu điện áp ngoại sai với tần số fns = 23,4 Mhz từ dao động<br /> ngoại sai sử dụng thạch anh. Tín hiệu trung tần 1,6 Mhz từ tải của bộ trộn tần qua<br /> hai tầng khuếch đại. Tín hiệu điều biên được khuếch đại đến mức cần thiết rồi đưa<br /> đến bộ tách sóng biên độ, đến khối chuyển mạch AM/FM. Tín hiệu điều tần sau<br /> khi được khuếch đại, qua bộ hạn biên, qua mạch tách sóng tần số và được đưa đến<br /> chuyển mạch AM/FM [1].<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Sơ đồ khối khối KĐTT do Nga sản xuất.<br /> 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM<br /> 3.1. Khối KĐTT sử dụng phương pháp xử lý tín hiệu số<br /> Khối KĐTT gồm các mô đun bộ lọc tín hiệu đầu vào 25 Mhz, khuếch đại tín<br /> hiệu, bộ biến đổi ADC, bộ xử lý tín hiệu FPGA và bộ biến đổi DAC (hình 2).<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2. Sơ đồ khối khối KĐTT sử dụng FPGA.<br /> Với mức tín hiệu 25 Mhz đầu vào khoảng 3 µV, để đảm bảo độ nhạy máy thu<br /> trong cả chế độ AM/FM bộ lọc được thiết kế là bộ lọc thạch anh. Mô đun khuếch<br /> <br /> <br /> 192 N.T. Minh, L.T. Hải, T.Đ. Lâm, … , “Giải pháp xử lý tín hiệu số … vô tuyến P-625.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> đại cao tần có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu 25 Mhz đến mức đủ lớn đưa đến mô<br /> đun chuyển đổi ADC. Mô đun ADC chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số<br /> trước khi đưa vào xử lý. Do tần số lớn nhất của băng tần tín hiệu là 25 Mhz nên<br /> theo định lý lấy mẫu Nyquist thì tần số lấy mẫu khoảng 50 Mhz. Để đáp ứng yêu<br /> cầu tốc độ lấy mẫu này, nhóm đề tài chọn ADC HI5805 của hãng Intersil. HI5805<br /> có tần số lấy mẫu tối đa là 5 Msps với 12 bit dữ liệu. Mạch ADC dùng HI5805<br /> được trình bày trong hình 3 [2]. Theo datasheet của ADC HI5805 (bảng 2), độ lớn<br /> lý tưởng của mỗi đơn vị lấy mẫu phép lượng tử hoá: Q=0,00098 V. Do đó, dải tín<br /> hiệu đầu vào (đỉnh-đỉnh) vào phải đảm bảo Q.212 tương ứng với 4,01 V (±2,005<br /> V). Với mức tín hiệu dụng đầu vào 3 µV, bộ khuếch đại đầu vào cần khuếch đại<br /> 0,47.106 lần tương ứng với xấp xỉ 113 dB. Trong quá trình nghiên cứu, nhóm đề tài<br /> sử dụng hai tầng khuếch đại có hệ số khuếch đại 60 dB.<br /> Mô đun FPGA (hình 4) đảm nhận các chức năng của bộ tạo dao động nội điều<br /> khiển số NCO (Nummerically Controlled Oscillator), bộ lọc số, bộ trộn tần và bộ<br /> giải điều chế [3].<br /> Bảng 2. Mã nhị phân đầu ra ADC HI5805 [2].<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Khối NCO (hình 5): Tín hiệu số từ khối ADC có độ rộng 12 bit nên dao động<br /> cũng được lựa chọn có độ rộng 12 bit. Khối NCO thực chất là khối tạo hai nguồn<br /> dao động trực giao nhau I (Inphase) và Q (Quarature) là hai tín hiệu hình Sin và<br /> Cosin. Tín hiệu dao động này dùng để hiệu với tín hiệu đầu vào và loại trừ thành<br /> phần sóng mang của tín hiệu. Khối NCO phát nhiều tần số khác nhau và hiệu chỉnh<br /> bằng phần mềm. Do đó, độ gia tăng góc pha Δθ là tín hiệu đầu vào của NCO.<br /> Khối NCO dùng phương pháp tra bảng (đối với số lượng mẫu thấp) nhằm giảm<br /> tài nguyên phần cứng. Tần số ngõ ra fout phụ thuộc vào tần số xung nhịp fclk, số<br /> mẫu trên một chu kỳ N (N = 2BN) và độ gia tăng pha Δθ. Với các thông số đã biết<br /> là N, fclk, fout, ta tính ra độ gia tăng pha Δθ. Đây là giá trị cần thiết cấp vào cho<br /> NCO.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 193<br />  Kỹ thuật điện tử<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3. Khối ADC dùng HI5805.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 4. Mô hình tổng thể mô đun FPGA.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 5. Sơ đồ khối bộ NCO.<br /> <br /> Bộ nhân tần: Bộ nhân tần thực chất là bộ trộn số (digital mixer) thực hiện nhân<br /> hai số thông thường phục vụ cho việc chuyển dịch tần số. Có hai bộ nhân tần được<br /> cài đặt cho 2 tín hiệu dao động I và Q nhằm tạo ra hai tín hiệu phục vụ cho việc<br /> khôi phục tín hiệu dải nền sau này. Tín hiệu ngõ ra bộ trộn số là tín hiệu tổng và tín<br /> hiệu sai lệch tần số. Tín hiệu ngõ ra này sẽ được đưa qua bộ lọc số để loại bỏ thành<br /> phần tín hiệu tổng.<br /> <br /> <br /> <br /> 194 N.T. Minh, L.T. Hải, T.Đ. Lâm, … , “Giải pháp xử lý tín hiệu số … vô tuyến P-625.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> Mô đun DAC (hình 6) có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu số sau xử lý sang dạng tín<br /> hiệu tương tự trước khi đưa vào khuếch đại ra tải. Do tín hiệu ngõ ra là tín hiệu âm<br /> thanh nằm trong vùng tần số từ 20 Hz đến 20 kHz (tần số tai người còn nghe được),<br /> tức là tần số mẫu tối đa khoảng 44 Ksps (theo định lý lấy mẫu của Nyquist) [4].<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 6. Sơ đồ mạch DAC dùng DAC0808.<br /> 3.2. Kết quả mô phỏng và sản phẩm thực nghiệm<br /> Qúa trình mô phỏng được thực hiện ở hai chế độ AM và FM (hình 7). Chế độ<br /> FM tương ứng với giá trị của mô đun chọn chế độ AM/FM bằng 1, chế độ AM<br /> tương ứng với giá trị bằng 0. Mô đun giải điều chế AM/FM gồm mô đun giải điều<br /> chế AM và mô đun giải điều chế FM. Việc lựa chọn bộ giải điều chế tùy thuộc vào<br /> giá trị của mô đun chọn chế độ.<br /> Mô đun tạo giả tín hiệu có chức năng tạo ra tín hiệu điều chế AM/FM 25Mhz<br /> (hình 9, hình 10). Tín hiệu dao động này được nhân với tín hiệu điều chế 25 Mhz<br /> đầu vào (hình 8). Do đó, tín hiệu sau trộn tần gồm hai thành phần: tín hiệu<br /> Baseband và tín hiệu 50 Mhz (hình 11, hình 12). Sau khi qua mô đun lọc thông<br /> thấp, thành phần tín hiệu 50 Mhz bị loại bỏ, còn lại tín hiệu Baseband (hình 13,<br /> hình 14). Kết quả tín hiệu thu được sau giải điều chế được trình bày trên hình 15 và<br /> hình 16.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 7. Sơ đồ mô phỏng khối KĐTT trên Matlab-Simulink.<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 195<br />  Kỹ thuật điện tử<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 8. Sơ đồ mô phỏng modul trộn tần trên Matlab-Simulink.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 9. Tín hiệu điều chế FM 25Mhz. Hình 10. Tín hiệu điều chế AM 25Mhz.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 11. Tín hiệu FM sau trộn tần số. Hình 12. Tín hiệu AM sau trộn tần số.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 13. Tín hiệu FM sau lọc tần số. Hình 14. Tín hiệu AM sau lọc tần số.<br /> <br /> <br /> <br /> 196 N.T. Minh, L.T. Hải, T.Đ. Lâm, … , “Giải pháp xử lý tín hiệu số … vô tuyến P-625.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 15. Tín hiệu sau giải điều chế FM. Hình 16. Tín hiệu sau giải điều chế AM.<br /> Dạng sóng tín hiệu điều chế AM biến thiên giữa hai đường bao bởi tín hiệu gốc<br /> ban đầu. Trong khi đó tín hiệu điều chế FM có tần số thay đổi theo biên độ của tín<br /> hiệu gốc ban đầu. Kết quả mô phỏng được thực hiện với tín hiệu gốc có dạng hình<br /> sin lý tưởng, trong thực tế hình dạng sóng tín hiệu AM/FM sau điều chế phức tạp<br /> hơn nhiều do tín hiệu gốc ban đầu rất phức tạp.<br /> Sau thời gian nghiên cứu lý thuyết, tính toán thiết kế phần cứng và kết quả mô<br /> phỏng thu được nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công khối KĐTT dựa trên công<br /> nghệ FPGA (hình 17).<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 17. Khối KĐTT sử dụng FPGA.<br /> Quá trình đánh giá chất lượng sản phẩm được thực hiện tại phòng thí nghiệm<br /> Điện tử chuyên dụng tại Viện Đỉện tử. Các phương tiện đo bao gồm: đồng hồ đo<br /> điện áp - dòng điện VC88, máy phát sóng chuẩn SMA100A, máy phân tích phổ<br /> FSVR7 và ô xy lô số DS0-V2012A.<br /> Bảng 3. Kết quả kiểm tra tại phòng thí nghiệm.<br /> Đăng ký Kết quả<br /> TT Tên chỉ tiêu<br /> kỹ thuật thực tế<br /> 12,8<br /> 1 Nguồn cung cấp. 12,8 Vdc<br /> Vdc<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 197<br />  Kỹ thuật điện tử<br /> <br /> Độ nhạy máy thu toàn dải tần công tác khi tần số<br /> điều chế 1000 Hz, hệ số điều chế 30%, di tần 1,5<br /> 2 kHz, điện áp trên tai nghe bằng 5,2 V, tỷ số điện 3 V 3 V<br /> áp tín hiệu/tạp âm không nhỏ hơn 3, không kém<br /> hơn<br /> 3 Chế độ công tác AM/FM AM/FM<br /> <br /> Quá trình thử nghiệm tại Lữ đoàn 170-Vùng I/Quân chủng Hải quân được thực<br /> hiện theo trình tự và phương pháp tiến hành theo trình tự như sau:<br /> Bước 1: Lắp đặt khối K1-9 nguyên thủy vào điện đài vô tuyến P-625 trên tàu số<br /> hiệu HQ-358.<br /> Bước 2: Đánh giá tại chỗ các tính năng hoạt động của điện đài vô tuyến P-625.<br /> Bước 3: Tiến hành liên lạc mạng ở 10 tần số với điện đài vô tuyến P-625 trên<br /> tàu số hiệu HQ-285 ở cự ly khoảng 10 Km.<br /> Bước 4: Lắp đặt khối KĐTT sử dụng công nghệ FPGA vào điện đài vô tuyến P-<br /> 625 trên tàu số hiệu HQ-358.<br /> Bước 5: Đánh giá tại chỗ các tính năng hoạt động của điện đài vô tuyến P-625<br /> khi sử dụng khối KĐTT mới.<br /> Bước 6: Tiến hành liên lạc mạng ở 10 tần số với điện đài vô tuyến P-625 trên<br /> tàu số hiệu HQ-285 ở cùng cự ly 10 Km.<br /> Bảng4. Kết quả kiểm tra tại Lữ đoàn 170.<br /> So sánh với khối<br /> Kết quả<br /> TT Tên chỉ tiêu K1-9<br /> khối KĐTT mới<br /> nguyên thủy<br /> Đúng không gian cho<br /> 1 Kết cấu cơ khí Tháo lắp thuận tiện<br /> phép<br /> Đảm bảo hoạt động<br /> 2 Chế độ công tác ở chế độ AM và Tương đương<br /> FM<br /> Chất lượng thông tin liên<br /> Khả năng thông<br /> 3 lạc ở các cự ly chế độ Tương đương<br /> thoại đạt kết quả tốt<br /> AM/FM<br /> <br /> Quá trình thử nghiệm tại Lữ đoàn 170 cho thấy các chỉ tiêu chất lượng chủ yếu<br /> của khối KĐTT sử dụng công nghệ FPGA đạt tương đương so với khối KĐTT do<br /> Nga sản xuất.<br /> 4. KẾT LUẬN<br /> Bài báo đã trình bày giải pháp xử lý tín hiệu số trong thiết kế khối KĐTT dựa<br /> trên công nghệ FPGA. Khác với các phương pháp sử dụng các linh kiện tương tự,<br /> phương pháp xử lý tín hiệu số hoàn toàn được thực hiện trên phần mềm. Việc thay<br /> <br /> <br /> 198 N.T. Minh, L.T. Hải, T.Đ. Lâm, … , “Giải pháp xử lý tín hiệu số … vô tuyến P-625.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> đổi cấu trúc thiết kế, thay đổi thuật toán được thực hiện dễ dàng trên FPGA. Kết<br /> quả nghiên cứu thu được là cơ sở số hóa các mô đun trong các điện đài thế hệ cũ<br /> và hướng đến thiết kế chế tạo các máy thu số trong quân đội.<br /> <br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. Cục Kỹ thuật Hải quân, “Thuyết minh điện đài P-625”, Quân chủng Hải quân,<br /> (2013).<br /> [2]. Intersil, “Datasheets ADC HI5805”, www.intersil.com.<br /> [3]. Xilinx, “Datasheets NCO và CIC”, www.xilinx.com.<br /> [4]. National, “Datasheets DAC0808”, www.national.com.<br /> <br /> ABSTRACT<br /> DIGITAL SIGNAL PROCESSING APPROACH FOR DESIGN OF<br /> INTERMEDIATE FREQUENCY AMPLIFIER IN RADIO TRANSCEIVER P-625<br /> This paper presents several study results in designing the intermediate frequency<br /> amplifier (IFA) using signal processing techniques based on FPGA technology. IFA<br /> has the function of converting AM/FM (Amplitude/Frequency Simulation) signal at<br /> 25 Mhz into audio signal. The method is based on the study of operating principle of<br /> IFA block produced by Russia in order to develop a new design simulated by a<br /> Matlab-Simulink model. Experimental results show that the IFA design using signal<br /> processing approach can produce equivalent performance in comparison with<br /> the one produced by Russia. Simple design is an advantage of this method<br /> together with the availability of materials and components with good quality<br /> on the market.<br /> Keywords: P-625, IFA, AM/FM, FPGA.<br /> <br /> <br /> Nhận bài ngày 20 tháng 07 năm 2015<br /> Hoàn thiện ngày 10 tháng 08 năm 2015<br /> Chấp nhận đăng ngày 07 tháng 09 năm 2015<br /> <br /> <br /> <br /> Địa chỉ: 1Viện Điện tử - Viện Khoa học – Công nghệ quân sự;<br /> *<br /> Email: ntminh.telecom@gmail.com;<br /> 2<br /> Viện Khoa học – Công nghệ quân sự.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 199<br />