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

Thông tin khoa học công nghệ<br /> <br /> NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ BỘ TỔ HỢP TÍN HIỆU ĐIỀU TẦN<br /> CHO RA ĐA LIÊN TỤC BẰNG PHƯƠNG PHÁP<br /> TỔ HỢP SỐ TRỰC TIẾP TẦN SỐ<br /> Nguyễn Minh Thắng 1*, Nguyễn Đình Hưng 2, Đinh Trọng Quang1,<br /> Trịnh Xuân Thọ1, Nguyễn Thành1<br /> Tóm tắt: Bài báo trình bày nghiên cứu, thiết kế bộ tổ hợp tín hiệu cho ra đa liên<br /> tục sử dụng tín hiệu điều tần bằng phương pháp tổ hợp số trực tiếp tần số. Bằng<br /> việc khảo sát tín hiệu điều tần tuyến tính dạng tam giác, bài báo đã làm rõ nguyên<br /> lý hoạt động cả ra đa liên tục. Bài báo cũng đề xuất phương án thiết kế bộ tổ hợp<br /> tín hiệu điều tần tuyến tính liên tục theo phương pháp tổ hợp số trực tiếp dựa trên<br /> công nghệ vi mạch tích hợp khả trình FPGA (Field Programmable Gate Array) kết<br /> hợp với linh kiện điều chế cầu phương I/Q AD9957. Kết quả của nghiên cứu sẽ<br /> được giới thiệu và đánh giá với bộ tham số thiết kế đầu vào.<br /> Từ khóa: Ra đa liên tục, Tổ hợp số trực tiếp tần số, Điều tần tuyến tính, Vi mạch AD9957<br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Tín hiệu điều tần là dạng tín hiệu điều chế được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh<br /> vực thông tin liên lạc, ra đa cảnh giới, ra đa viễn thám, hệ thống đo cao, hệ thống<br /> giám sát chất lượng. Trong các ứng dụng sử dụng tín hiệu điều tần, lĩnh vực nghiên<br /> cứu liên quan tới ra đa liên tục sử dụng tín hiệu điều tần đã có quá trình phát triển<br /> lâu dài và được phát triển rộng rãi trong những năm gần đây [1]-[5]. Đặc biệt trong<br /> lĩnh vực quân sự, cùng với việc phát triển của công nghệ bán dẫn và các hệ thống<br /> xử lý số thông tin tốc độ cao, thời gian gần đây đã có nhiều hệ thống ra đa liên tục<br /> được giới thiệu như hệ thống cảnh giới Cam Shell 76N6, hệ thống ra đa ELM-<br /> 2112, hệ thống ra đa Ranger R20SS, v.v. Tại Việt Nam, lĩnh vực nghiên cứu ra đa<br /> liên tục cũng đã được quan tâm tuy nhiên vẫn thiếu những nghiên cứu chuyên sâu,<br /> mang tính chất nền tảng cho việc nghiên cứu, phát triển và ứng dụng chủng loại ra<br /> đa này trong thực tiễn.<br /> Trong bối cảnh nghiên cứu như trên, bài báo trình bày nghiên cứu, thiết kế bộ tổ<br /> hợp tín hiệu cho ra đa liên tục sử dụng tín hiệu điều tần bằng phương pháp tổ hợp<br /> số trực tiếp tần số. Trước tiên, nguyên lý hoạt động của ra đa liên tục được làm rõ<br /> bằng việc khảo sát tín hiệu điều tần tuyến tính dạng tam giác. Dựa trên kết quả<br /> khảo sát nguyên lý hoạt động của ra đa liên tục, bài báo đề xuất phương án thiết kế<br /> bộ tổ hợp tín hiệu điều tần tuyến tính liên tục theo phương pháp tổ hợp số trực tiếp<br /> tần số dựa trên công nghệ vi mạch tích hợp khả trình FPGA kết hợp với linh kiện<br /> điều chế cầu phương I/Q AD9957. Kết quả của nghiên cứu sẽ được giới thiệu và<br /> đánh giá với bộ tham số thiết kế đầu vào.<br /> 2. TỔ HỢP TÍN HIỆU TRONG RA ĐA ĐIỀU TẦN<br /> TUYẾN TÍNH LIÊN TỤC<br /> 2.1. Nguyên lý hoạt động của ra đa liên tục sử dung tín hiệu điều tần<br /> Ra đa liên tục có thể sử dụng dạng điều tần tuyến tính để đo cả khoảng cách và<br /> tần số Đốp le. Trong thực tế ra đa liên tục, dạng sóng điều tần tuyến tính được thay<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016 197<br />  Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa<br /> <br /> đổi theo độ rời rạc đủ nhỏ để đáp ứng được yêu cầu về độ chính xác khi đo khoảng<br /> cách và vận tốc mục tiêu. Tín hiệu phản xạ từ mục tiêu ngoài việc phụ thuộc vào<br /> khoảng cách R đến mục tiêu còn phụ thuộc vào vận tốc hướng tâm của mục tiêu so<br /> với đài phát. Hình 1 miêu tả miêu tả sóng điều tần liên tục sử dụng dạng sóng điều<br /> tần tam giác và tín hiệu phản xạ từ mục tiêu ở khoảng cách R đối với mục tiêu<br /> không chuyển động, còn Hình 2 là đối với mục tiêu chuyển động.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Tần số truyền, nhận và tần số Hình 2. Tần số truyền, nhận và tần số<br /> phản xạ cho trường hợp mục tiêu không phản xạ cho trường hợp mục tiêu<br /> chuyển động. chuyển động.<br /> Trong trường hợp mục tiêu không chuyển động, tần số phách được định nghĩa<br /> theo công thức:<br /> 2∆ 2<br /> = − = (1)<br /> Trong đó: :độ di tần ( độ lệch tần cực đại )<br /> ∆ : độ dịch tần của điều chế<br /> : chu kì dịch tần<br /> : khoảng cách từ mục tiêu đến đài<br /> Trong trường hợp mục tiêu chuyển động với vận tốc khác không, khi đó trong<br /> thành phần tín hiệu phản xạ sẽ mang thêm thành phần Đốp le. Khi đó mối quan hệ<br /> giữa tín hiệu truyền và tín hiệu phản xạ sẽ được biểu diễn trên hình 2. Khi mục<br /> tiêu chuyển động, tần số phản xạ sẽ được cộng thêm thành phần Đốp le, lượng tần<br /> số cộng vào sẽ mang dấu dương (nếu mục tiêu chuyển động lại gần so với ra đa) và<br /> mang dấu âm (nếu mục tiêu chuyển động ra xa so với ra đa), khi đó ta tính được:<br /> Tần số phách (Up Beat frequency) nửa chu kì dịch tần lên:<br /> 4 ∆ 2<br /> = − (2)<br /> <br /> Tần số phách (Dp Beat frequency) nửa chu kì dịch tần xuống:<br /> 4 ∆ 2<br /> = + (3)<br /> <br /> Trong đó: : tốc độ hướng tâm của mục tiêu so với ra đa.<br /> <br /> <br /> 198 N.M. Thắng, N.Đ. Hưng, …, “Nghiên cứu, thiết kế bộ tổ hợp… tổ hợp số trực tiếp tần số.”<br /> Thông tin khoa học công nghệ<br /> <br /> : bước sóng tương ứng với tần số trung tâm<br /> Khi đó khoảng cách thu được từ công thức sau:<br /> <br /> = ( + ) (4)<br /> 8∆<br /> Tốc độ mục tiêu sẽ được tính theo công thức:<br /> <br /> = ( − ) (5)<br /> 4<br /> 2.2. Phương pháp tổ hợp số trực tiếp tần số<br /> Tổ hợp số trực tiếp DDS (Direct Digital Synthesizer) hoặc NCO (Numerically<br /> Controlled Oscillator), là một phần tử quan trọng trong hệ thống truyền thông, hệ<br /> thống ra đa hiện đại và trong một vài hệ thống điện tử khác. Tổ hợp số trực tiếp tần<br /> số được sử dụng rộng rãi để thay đổi tần số lấy mẫu tín hiệu, các kiểu điều chế<br /> hoặc giải điều chế, và thực thi một số dạng mã hóa tín hiệu như là PSK, FSK, và<br /> MSK. Thông thường cách thức hoạt động của nó là tạo một tín hiệu hình sin (cầu<br /> phương hoặc không) dựa vào một bảng tra. Bảng tra chứa các mẫu của tín hiệu<br /> hình sin. Phương pháp này tạo ra độ chính xác tần số cao, độ ổn định của tần số<br /> theo nhiệt độ và thời gian là rất cao, dải điều chỉnh tần số rộng, tốc độ điều chỉnh<br /> tần số rất nhanh.<br /> 3. CẤU TRÚC BỘ TẠO TÍN HIỆU<br /> 3.1. Thiết kế cấu trúc bộ tạo tín hiệu<br /> Cấu trúc bộ tạo tín hiệu đề xuất trong nguyên cứu này bao gồm 2 mô đun chính:<br /> mô đun AD9957 và mô đun vi xử lý khả trình FPGA trong đó mô đun vi mạch<br /> khả trình FPGA đóng vai trò thiết lập tham số thanh ghi khởi tạo cho linh kiện<br /> AD9957 và cung cấp tham số I/Q trong quá trình điều chế cầu phương thực hiện<br /> bởi mô đun AD9957.<br /> 3.1.1. Mô đun vi mạch tổ hợp tần số AD9957<br /> AD9957 tạo ra tín hiệu băng tần cơ sở bằng phương pháp tổ hợp số trực tiếp tần<br /> số. Trong AD9957 tích hợp một bộ tổ hợp số trực tiếp tần số, một bộ biến đổi số -<br /> tương tự 14 bít, mạch nhân xung nhịp, bộ lọc số và các mạch xử lý tín hiệu số<br /> khác. Tín hiệu băng tần cơ sở có thể được tạo ra có thể được điều chế biên độ, pha,<br /> tần số một cách dễ dàng bằng cách nạp dữ liệu cho các thanh ghi qua các chân vào<br /> ra nối tiếp và các chân truyền dữ liệu song song.<br /> AD9957 có 3 chế độ hoạt động cơ bản: chế độ điều chế cầu phương, chế độ nội suy<br /> DAC, chế độ tạo xung đơn. Trong khuôn khổ nội dung bài báo này ta chỉ quan tâm<br /> đến chế độ điều chế cầu phương để tạo ra được tín hiệu điều tần tuyến tính liên tục.<br /> 3.1.2. Mô đun vi mạch khả trình FPGA<br /> Trong nghiên cứu, nhóm tác giả đề xuất vi mạch tích hợp khả trình Spartan-3E<br /> là họ FPGA của Xilinx với nhiều ưu điểm nổi bật. Đầu tiên phải kể đến là khả<br /> năng tích hợp của Spartan-3E từ 100,000 gates đến 1,6 triệu gates, dễ sử dụng, giá<br /> thành thấp, tiêu thụ điện ít, mật độ tích hợp nhiều phần tử logic, truyền dữ liệu với<br /> tốc độ khá cao.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016 199<br />  K<br /> Kỹỹ thuật si<br /> siêu<br /> êu cao ttần<br /> ần & Ra đa<br /> <br /> Với nhữn<br /> Với những g ưu đi điểmểm nh<br /> nhưư vậy<br /> vậy ta ho<br /> hoàn<br /> àn toàn có ththểể sử dụng linh kiện Spartan<br /> Spartan--3E<br /> 3E<br /> cho mô đun vi m mạch<br /> ạch khả tr trình<br /> ình FPGA đđểể điều khiển mô đun AD9957 để tổ hợp<br /> những tín hiệu theo bbài<br /> những ài toán đđềề ra và<br /> và ccụ<br /> ụ thể ở đây sẽ llàà tạo<br /> tạo ra tín hiệu điều tần<br /> tuyến tính li<br /> tuyến liên<br /> ên tục.<br /> tục.<br /> 3.2 Nguyên lý ho<br /> 3.2. hoạtạt động của llõi õi DDS CORE<br /> Như đã đã nói ở tr trên,<br /> ên, mô đun vi m mạch<br /> ạch khả trtrình<br /> ình FPGA đóng vai tr tròò quan tr<br /> trọng<br /> ọng<br /> trong việc<br /> việc điều khiển vvàà truyền<br /> truyền số liệu I/Q trong quá tr trình<br /> ình ttổ<br /> ổ hợp số trực tiếp trtrên<br /> ên<br /> mô đun AD9957. Phương pháp chung ở đây llàà khởi khởi tạo một bảng tham kh khảo<br /> ảo các<br /> giá tr<br /> trịị I và<br /> và Q. B Bộ ộ tích phân số đđược ợc sử dụng để đđưaưa ra tham ssố ố về pha kết hợp với<br /> bảng<br /> ảng giá trị khởi tạo để tổ hợp đđư ược<br /> ợc tân số mong muốn. Trong nghi nghiênên ccứu<br /> ứu nnày,<br /> ày,<br /> nhóm tác gi giảả sử dụng llõi õi lô gic DDS đượcđược phát triễn hỗ trợ cho họ vi mạch khả<br /> trình FPGA ccủa<br /> trình ủa Xilinx để thiết kế bộ tổ hợp tần số. Tần số đầu ra của bộ tổ hợp số<br /> trực<br /> ực tiếp đđưược<br /> ợc tính theo công thức sau:<br /> ∆<br /> = (6))<br /> 2 ( )<br /> trong đó: : tầầnn ssố đồng<br /> ng hồ chu n, ∆ : giá trị<br /> h chuẩn trị của từ điều khiển tần số số, ( ) : sốố<br /> bít ccủa<br /> ủa từ điều khiển tần số.<br /> 3.3 S<br /> 3.3. Sản<br /> ản phẩm thực tế vvà<br /> à sơ đồ<br /> đồ ghép nối<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 3. Mô đun Spartan<br /> Hình 3. Spartan-3E<br /> 3E. Hình 4. Mô đun AD9957<br /> AD9957..<br /> <br /> Máy phân<br /> <br /> Máy M ch nạ<br /> Mạch nạp Mô đun<br /> tích phổ<br /> ph<br /> tính Spartan 3E<br /> Spartan-3E<br /> XILINX AD9957<br /> Máy<br /> <br /> hi n sóng<br /> hiện<br /> <br /> <br /> Hình 5. Sơ đđồ<br /> ồ ghép nối để nạp ch<br /> chương<br /> ương trình<br /> trình và đánh giá kkết<br /> ết quả<br /> quả..<br /> <br /> Để nạp ch<br /> Để chương<br /> ương trtrình<br /> ình và đánh giá kkết<br /> ết quả tín hiệu đđã đư<br /> được<br /> ợc tạo ra ta lắp đặt các<br /> thiết<br /> thiết bị theo ssơ<br /> ơ đđồ đư<br /> được<br /> ợc mô tả nh<br /> nhưư trong hhình<br /> ình 5<br /> 5.<br /> <br /> <br /> <br /> 200 N.M. Thắng,<br /> Thắng, N.Đ. H<br /> Hưng,<br /> ưng, …,<br /> … “Nghiên<br /> Nghiên ccứu,<br /> ứu, thiết kế bộ tổ hợp<br /> hợp…… tổ số.””<br /> ổ hợp số trực tiếp tần số<br /> Thông tin khoa học công nghệ<br /> <br /> 4. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN<br /> 4.1. Tham số thiết kế<br /> Nhóm tác giả đã thiết kế các mô đun phần cứng, xây dựng chương trình phần<br /> mềm để tạo ra tín hiệu điều tần tuyến tính liên tục dạng tam giác. Trong quá trính<br /> khảo sát, nhóm tác giả đã tiến hành đo đạc, kiểm thử với nhiều bộ thám số khác<br /> nhau với tần số trung tâm có giá trị từ = 10 MHz đến = 150 MHz, độ dịch<br /> tần thay đổi từ Δ = 1 MHz đến Δ = 20 MHz. Do giới hạn của bài báo, kết quả<br /> đo được giới thiệu trong bài báo được tiến hành với bộ tham số chính như sau:<br /> Tần số trung tâm = 35 MHz.<br /> Độ dịch tần Δ = 10 MHz.<br /> Chu kì dịch tần T = 1000 .<br /> 4.2. Kết quả đo đối với sản phẩm thực nghiệm<br /> <br /> <br /> thời gian giữ chậm<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 6. Kết quả đo từ máy phân tích phổ. Hình 7. Kết quả đo bằng máy hiện sóng.<br /> <br /> Kết quả đo sử dụng sơ đồ ghép nối (tham khảo hình 5) được thể hiện như hình<br /> 6 và hình 7. Hình 6 thể hiện độ dịch tần của tín hiệu tổ hợp có độ rộng 10Mhz từ<br /> 30 MHz đến 40 MHz với tần số trung tâm là 35 MHz. Kết quả đo bằng máy hiện<br /> sóng (tham khảo hình 7) cho thấy ứng với tại điểm giữ chậm 1000 , dao động<br /> của tín hiệu chuyển từ nhanh sang chậm tương ứng với tần số 30MHz. Kết quả đo<br /> từ máy phân tích phổ và máy hiện sóng đã cho thấy tín hiệu được tổ hợp trong bài<br /> báo đảm bảo được tham số thiết kế đã đề ra trong mục 4.1.<br /> 5. KẾT LUẬN<br /> Bài báo đã trình bày nghiên cứu, thiết kế bộ tổ hợp tín hiệu cho ra đa liên tục sử<br /> dụng tín hiệu điều tần bằng phương pháp tổ hợp số trực tiếp tần số. Dựa trên kết<br /> quả khảo sát nguyên lý hoạt động của ra đa liên tục được khảo sát trong phần 2,<br /> bài báo đã đề xuất phương án thiết kế bộ tổ hợp tín hiệu điều tần tuyến tính liên tục<br /> Bằng việc sử dụng Spartan-3E để điều khiển mô đun AD9957 tổ hợp tần số theo<br /> phương pháp trực tiếp ta có thể tạo ra được tín hiệu điều tần tuyến tính liên tục<br /> trong phần 3 của bài báo. Kết quả đo bộ tổ hợp tần số số trực tiếp cho thấy tín<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016 201<br />  Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa<br /> <br /> hiệu được tạo ra có các tham số đúng như yêu cầu thiết kế và được kiểm nghiệm<br /> bằng máy phân tích phổ và máy hiện sóng.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. M.I. Skolnik, “Radar Handbook”, 2008.<br /> [2]. L. N. Uyên, N. Thành, V. V. Phúc, “Thiết kế chế tạo máy thu đa kênh dùng<br /> cho rađa cộng hưởng dải sóng mét trên cơ sở sử dụng linh kiện tích hợp<br /> cao”, Các công trình nghiên cứu, phát triển và ứng dụng CNTT-TT, tr. 54 -<br /> 63, tập V-1, số 6 (26), tháng 9/2011.<br /> [3]. A. Patel, “Signal Generation for FMCW Ultra-Wideband Radar”, Master<br /> thesis, 2009.<br /> [3]. Analog Devices Inc., “A Technical Tutorial on Digital Signal Synthesis”,<br /> 1999.<br /> [4]. J. Vankka, “Direct Digital Synthesizers: Theory, Design and Appli-cations”,<br /> Doctor thesis, 2000.<br /> [5]. B.Suresh,, M.V.Srikanth, “Radar Waveform Generator based on DDS”, Int.<br /> Jour. of Adv. Research in Comp. and Comm. Eng., Vol. 2, Issue 9,<br /> September 2013.<br /> ABSTRACT<br /> A DESIGN OF WAVEFORM GENERATOR FOR CONTINUOUS<br /> WAVE RADAR USING FREQUECY MODULATED BY<br /> USING DIGITAL DIRECT SYNTHESIZER METHOD<br /> In this paper, we will research, design, and built a frequency synthesizer<br /> for the continuous wave radar by applying direct digital synthesizers(DDS)<br /> method. By studying the linear frequency modulated (LMF) continuous<br /> waveform in triangle shape, paper makes clear about principle and theory of<br /> operation for CW radar. We also propose a design of LMF frequency<br /> synthesizer by apply direct digital synthesizer method associate with FPGA<br /> and using quadrature modulation of AD9957 device. The clarified of this<br /> proposal design is confirmed by measure result of modulated waveform.<br /> Keywords: Continous wave radar, Direct digital synthesizer, Linear frequency modulated, AD9957 device.<br /> <br /> Nhận bài ngày 15 tháng 06 năm 2016<br /> Hoàn thiện ngày 26 tháng 07 năm 2016<br /> Chấp nhận đăng ngày 01 tháng 08 năm 2016<br /> <br /> <br /> 1<br /> Địa chỉ: Viện Ra đa, Viện Khoa học và Công nghệ quân sự;<br /> 2<br /> Học viện Phòng Không Không Quân.<br /> * Emai: minhthang.mta@gmail.com<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 202 N.M. Thắng, N.Đ. Hưng, …, “Nghiên cứu, thiết kế bộ tổ hợp… tổ hợp số trực tiếp tần số.”<br />