Tóm tắt luận văn thạc sỹ ngành Kỹ thuật điện tử: Thiết kệ bộ điều chế - giải điều chế QPSK trên FPGA

Chia sẻ: Nguyễn Thị Ngọc Lựu | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:26

Thêm vào BST

Báo xấu

404
lượt xem 78
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt luận văn thạc sỹ ngành Kỹ thuật điện tử: Thiết kệ bộ điều chế - giải điều chế QPSK trên FPGA nghiên cứu kỹ thuật điều chế và giải điều chế tín hiệu, ứng dụng thuật toán xử lý tín hiệu số thiết kế bộ điều chế tín hiệu QPSK và bộ giải điều chế QPSK trên công nghệ chíp trắng lập trình được (FPGA) sử dụng ngôn ngữ mô tả phần cứng (VHDL).

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt luận văn thạc sỹ ngành Kỹ thuật điện tử: Thiết kệ bộ điều chế - giải điều chế QPSK trên FPGA

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG --------------------------------------- Nguyễn Vũ Quang THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHẾ - GIẢI ĐIỀU CHẾ QPSK TRÊN FPGA Chuyên nghành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60.52.70 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ HÀ NỘI – 2013
Luận văn được hoàn thành tại: HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN NGỌC MINH Phản biện 1: PGS. TS. ĐÀO TUẤN Phản biện 2: TS. LÊ CHÍ QUỲNH Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Vào lúc: 11 giờ 15 ngày 11 tháng 5 năm 2013 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
1 MỞ ĐẦU Hiện nay, việc mềm hóa các dạng điều chế, thực hiện các thiết kế vô tuyến bằng cấu hình mềm đang phát triển mạnh, đem lại khả năng thích ứng cao và có thế tái sử dụng, cấu hình lại theo yêu cầu. Trên thế giới xu hướng sử dụng phần mềm để định nghĩa phần cứng và thực hiện trên chíp trắng đã được sử dụng rộng rãi, các thiết bị hiện đại đều sử dụng công nghệ này thay thế dần công nghệ chíp chuyên dụng như trước đây. Việc mềm hóa các phần cứng mang lại nhiều hiệu quả thiết thực. Giảm thiểu độ rủi ro so với khi thiết kế hoàn toàn bằng phần cứng. Điều quan trọng là có thể thiết kế một lần và dùng lại, có phần mềm hỗ trợ mô phỏng trước khi thực hiện trên phần cứng. Đó là những lợi ích mà phương pháp thiết kế mới mang lại. Một vấn đề quan trọng trong thiết bị thông tin vô tuyến dựa trên công nghệ xử lý tín hiệu số đó là các phương thức điều chế, giải điều chế tín hiệu cùng với các giải pháp, thuật toán thực hiện. Với ưu điểm vượt trội của công nghệ FPGA và ngôn ngữ mô tả phần cứng (VHDL), tôi đã chọn đề tài luận văn là: “Thiết kế bộ điều chế - giải điều chế QPSK trên FPGA”. 2. Mục đích nghiên cứu Mục đích của đề tài là nghiên cứu kỹ thuật điều chế và giải điều chế tín hiệu, ứng dụng thuật toán xử lý tín hiệu số thiết kế bộ điều chế tín hiệu QPSK và bộ giải điều chế QPSK trên công nghệ chíp trắng lập trình được (FPGA) sử dụng ngôn ngữ mô tả phần cứng (VHDL). Luận văn được chia làm 3 chương: Chương 1 Tổng quan Trình bày tổng quan, ngắn gọn về lý thuyết điều chế giải điều chế tín hiệu, các loại điều chế cơ bản. Nghiên cứu kỹ thuật điều chế và giải điều chế QPSK, kỹ thuật tổng hợp tần số trực
2 tiếp DDS và thuật toán CORDIC để thiết kế bộ tổng hợp số trực tiếp DDS. Chương 2 Thiết kế và thực hiện bộ điều chế và giải điều chế QPSK trên FPGA Ứng dụng thuật toán Cordic trong thiết kế bộ tổng hợp tần số trực tiếp DDS trên FPGA, thực hiện thiết kế bộ điều chế, giải điều chế QPSK trên FPGA, các mô đun trong thiết kế được lập trình bằng ngôn ngữ mô tả phần cứng VHDL. Các kết quả thiết kế được mô phỏng trên phần mềm ModelSim và thử nghiệm trên phần cứng. Chương 3 Kết quả và nhận xét Thực thi trên phần cứng và so sánh kết quả thực tế với kết quả mô phỏng.
3 Chương 1 - TỔNG QUAN 1.1 Lý thuyết điều chế và giải điều chế tín hiệu 1.1.1 Các tín hiệu điều chế và sóng mang vô tuyến Một khối k bit từ chuỗi an  có thể được biểu diễn bằng một trong M = 2k trạng thái có thể có của tín hiệu băng gốc. Các trạng thái của tín hiệu băng gốc và tín hiệu RF còn có thể được biểu diễn ở dạng tổng quát hơn dưới dạng các tín hiệu ui(t) và si(t) tương ứng. Các tín hiệu này không nhất thiết phải không thay đổi trong thời gian tồn tại của 1 bit. Điều này có nghĩa là việc điều chế số đơn giản chỉ là việc xử lý lựa chọn một trong M = 2k tín hiệu băng gốc hoặc tín hiệu RF có thể có và gán tín hiệu náy cho một khối k bit. 1.1.2 Điều chế băng gốc Một tín hiệu NRZ (không trở về 0) là tín hiệu luôn giữ ở một giá trị không đổi khác 0 trong suốt thời gian tồn tại của một bit (Tbit). Ngược lại là một tín hiệu RZ (trở về 0), đó là tín hiệu chỉ có giá trị khác 0 trong một phần của Tbit, ví dụ Tbit/2 và quay về 0 trong thời gian còn lại. Tín hiệu có thể là đơn cực hoặc lưỡng cực. Nếu đơn cực, một trong hai kí hiệu logic được mô tả bởi một điện áp hữu hạn (dương hoặc âm) còn trạng thái kia bằng 0V. Các tín hiệu lưỡng cực biểu diễn hai kí hiệu logic bằng các điện áp có chiều phân cực ngược nhau. 1.1.3 Mô tả tín hiệu RF Biểu thức: s(t )  2Ebit / Tbit .a(t ).cos[2 fct   (t )]
4 biểu diễn tín hiệu RF như một hàm thực, trong đó Ebit là năng lượng được truyền trên mỗi bit. Vì vậy biểu thức 2 Ebit / Tbit là điện áp trên một điện trở 1. Số hạng a(t) cho biết biên độ là một hàm của thời gian, fc(t) là tần số sóng mang là một hàm của thời gian và (t) là pha tức thời. Để đơn giản về kí hiệu, biểu thức 2 Ebit / Tbit .a(t ) thường được thay thế bởi A(t) hoặc A nếu a(t) là hằng số; s(t) còn được gọi là tín hiệu thông dải miễn là bề rộng băng nhỏ so với tần số sóng mang fc. Tín hiệu RF còn được mô tả dưới dạng các thành phần I và Q (cùng pha và vuông pha). Đó là: sI (t )  A(t ).cos[ (t )].cos(2 f ct ) và sQ (t )  A(t ).sin[ (t )].[ sin(2 f ct )] (1.4) với s(t )  A(t ).cos[2 f ct   (t )]  sI (t )  sQ (t ) Việc mô tả tín hiệu vô tuyến chưa điều chế theo kiểu I và Q làm cho việc nghiên cứu hoạt động của bộ điều chế dễ dàng hơn. Biên độ của các thành phần I/Q đã được điều chế là các hàm của thời gian kể cả khi A(t) = A = const hay a(t) = 1, nói cách khác kể cả khi tín hiệu RF có đường bao không đổi. Chúng còn có thể được xem như các tín hiệu RF được điều chế biên độ hai băng biên với sóng mang bị nén. Các tín hiệu dùng để điều chế là các hàm của cos[ (t )] và  sin[ (t )] .
5 1.2. Các kỹ thuật điều chế, giải điều chế cơ bản 1.2.1. ASK, BPSK, M-QAM, FSK 1.2.2. Tương quan và khoảng cách giữa các tín hiệu 1.2.3. Giải điều chế kết hợp 1.3. Điều chế và giải điều chế QPSK 1.3.1. Điều chế QPSK * Điều chế QPSK dựa trên DDS Điều chế PSK là một phương thức hiệu quả nhất để truyền tín hiệu số. Có thể nói PSK là phương pháp điều chế triệt sóng mang, do đó băng thông của tín hiệu PSK nhỏ. Bộ tổ hợp tần số DDS được cấu thành từ một bộ tích lũy pha mà đầu ra sẽ là các giá trị pha xác định, sau đó các giá trị này được đưa đến bộ chuyển đổi pha thành biên độ để tạo ra hàm Sine và Cosine mong muốn. * Điều chế QPSK cơ bản Từ công thức chung miêu tả điều chế M-PSK:  2   2  sm t   g t cos m  1 cos2f ct   g t cos m  1 sin 2f ct  2 ES 2 ES T M  T M  ta thấy rằng QPSK là trường hợp riêng của điều chế M-PSK với M = 4 và được minh họa như Hình 1.4.
6 Bộ lọc RRC g(t) Chuỗi dữ liệu vào cos  2  f c t  Sm(t) S/P Lo 0 90  sin2f ct  Bộ lọc RRC g(t) Hình 1.4. Điều chế QPSK cơ bản 1.3.2. Giải điều chế QPSK Trong các hệ thống thông tin không dây do máy thu và máy phát được dùng ở những vị trí độc lập nhau, kết hợp với sự không đồng nhất của kênh vô tuyến là những yếu tố trên gây nên độ lệch tần số và độ lệch pha giữa tần số dao động nội và tần số sóng mang, cho nên máy thu phải bắt và bám theo tín hiệu sóng mang đầu vào. Trong một vài ứng dụng để cải tiến các hệ thống thông tin máy phát không gửi tín hiệu lái (pilot), và tại máy thu sẽ trích tín hiệu sóng mang từ tín hiệu thu được. Các phương thức thường được sử dụng nhất là: Mth power loop và Costas loop. Mth power loop [1] có nhược điểm lớn là khó thực hiện với hệ thống yêu cầu tần số lớn. Cho nên, phương pháp sử dụng trực tiếp sóng mang của costas loop có ứng dụng rộng rãi hơn trong thực tế. Costas loop [7] là một dạng vòng lặp kín và tự động bám theo hệ thống, nó có thể được dùng để bám theo pha tín hiệu đầu vào. Phase-Locked-Loop (PLL) có ứng dụng rộng rãi vì khả
7 năng bám rất tốt của nó trong dải hẹp, đặc điểm này có ý nghĩa rất lớn trong việc thiết kế điện tử. * Khôi phục sóng mang bằng vòng lặp Costas (Costas loop): Một kiểu khôi phục sóng mang phổ biến là vòng lặp Costas. Vòng lặp Costas khôi phục sóng mang cho QPSK như trong Hình 1.7. I t cos   Qt sin        I t  cos2f ct     Qt sin 2f ct     I t  LPF Limiter    2 cos  2  f c t      I t Qt  cos   sin  - VCO LPF  r t  2 sin   I t Qt cos  sin  + 2     2 sin  2  f c t       Qt  LPF Limiter       I t sin    Qt cos  Hình 1.7. Sơ đồ khôi phục sóng mang cho QPSK Ban đầu VCO tạo ra một tín hiệu có tần số gần với tần số  sóng mang fc và pha ban đầu nào đó  . Các bộ nhân trong các kênh I và Q tạo ra thành phần 2fc và thành phần một chiều. Các bộ lọc thông thấp làm suy giảm thành phần có tần số 2fc và khi đó các đầu ra của chúng tỷ lệ với các thành phần I t cos   Qt sin  hoặc  I t cos   Qt sin  , sau đó tín hiệu được đưa vào các bộ giới hạn. Các bộ giới hạn lưỡng cực được sử dụng để điều khiển biên độ của tín hiệu 2 kênh với mục đích giữ vững cân bằng cho 2 nhánh đồng pha và vuông pha.
8 1.3.3 Tổng hợp tần số trực tiếp DDS Sơ đồ khối tổng quát của một bộ tổ hợp tần số theo phương pháp DDS, hay còn gọi là bộ tổng hợp số trực tiếp (DDS - Direct Digital Synthesizer) như (Hình 1.8). Tích luỹ pha Bảng sin Từ điều Lookup khiển tần số sin/cosin + + cos clk clk Từ điều khiển pha Hình 1.8. Sơ đồ khối NCO cơ bản NCO tạo ra dạng sóng mang hình Sine hay Cosine bằng cách tích luỹ pha tại một tốc độ nhất định và sau đó sử dụng giá trị pha này làm địa chỉ cho bảng ROM chứa các giá trị biên độ hình Sine. Vì thế về bản chất NCO là sự lấy mẫu dạng sóng Sine tại sườn dương hoặc sườn âm của clock chuẩn. 1.3.4. Thuật toán CORDIC CORDIC được đưa ra lần đầu tiên vào năm 1959 bởi Jack E.Volder, đây là một thuật toán đơn giản và hiệu quả để tính toán các hàm toán học và các hàm lượng giác. Một trong các ứng dụng của nó là tính toán các hàm Sin và Cosin trong kỹ thuật tổng hợp tần số số trực tiếp DDS.
9 Chương 2 - THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ QPSK TRÊN FPGA 2.1. Lựa chọn công nghệ FPGA Trong những năm qua, các công nghệ FPGA, DSP, ARM và máy tính ra đời, phát triển và đi vào ứng dụng thực tế nhanh chóng. Mỗi loại đều có những ưu và nhược điểm riêng so với các loại khác như khả năng tái cấu hình, tốc độ xử lý, công suất tiêu thụ hay các bộ xử lý toán học phức tạp. Đối với FPGA khả năng linh hoạt trong thay đổi cấu hình, can thiệp sâu vào lớp vật lý và khả năng xử lý song song. FPGA có ưu điểm vượt trội hơn là nhờ khả năng xử lý song song nên với cùng một bài toán xử lý thì chỉ cần một IC có tốc độ xung nhịp thấp cũng có thế xử lý các bài toán điều chế trong khi các dòng DSP, ARM cần có tốc độ làm việc cao hơn nhiều lần. Vì lý do này nên việc chọn linh kiện có tốc độ không cần quá cao cho bài toán thiết kế, từ đó kiểu chân IC FPGA cũng dễ dàng hơn cho thiết kế mạnh in và phù hợp với thực tế chế tạo hiện tại ở Việt Nam. Chỉ cần chip FPGA có tốc độ clock 300Mhz (XC3S500EVQ100) là có thể đủ năng lực để thiết kế phần số của máy thu phát với trung tần lên đến khoảng 60Mhz và băng thông tương ứng 8Mhz. Trong khi đó nếu giải quyết bài toán này bằng DSP thì phải cần bộ xử lý có tốc độ 1GHz và nếu dùng ARM hoặc máy tính thì tốc độ chip phải lớn hơn nữa. Một ưu điểm của FPGA nữa là khả năng can thiệp sâu vào phần cứng. Trong thiết kế các mạch số ở phần thu chúng ta gặp rất nhiều bài toán thực tế như xử lý loại bỏ nhiễu, quyết định ngưỡng, chống Jitter, mạch trễ… nếu không can thiệp sâu
10 vào phần cứng thì sự tối ưu của bộ giải điều chế sẽ giảm đi, từ đó ảnh hưởng đến độ nhạy của máy thu. Việc lựa chọn phần cứng nào cho việc thực hiện thiết kế còn một phần được quyết định bởi môi trường phát triển phần mềm hỗ trợ trên nó, từ cách thức lập trình, ngôn ngữ, thư viện, các hệ thống công cụ hỗ trợ đi kèm. Môi trường phát triển phần mềm này sẽ cho phép tận dụng được nhiều trí tuệ hơn, không những nâng cao chất lượng mà còn rút ngắn thời gian đưa sản phẩm ra thị trường. Nó còn là khâu quyết định nâng cao mở rộng khả năng của máy vô tuyến. Xilinx ISE (Integrated Software Environment) là một bộ phần mềm thiết kế của Xilinx , cho phép ta thực hiện các hệ thống nhúng của Xilinx từ khâu thiết kế ban đầu (thông qua VHDL, Verilog HDL, ABEL hoặc là vẽ Schematic) cho đến khâu cuối cùng là nạp thiết kế của mình lên FPGA. Xilinx ISE còn hỗ trợ mô phỏng các file HDL để kiểm tra xem hệ thống có hoạt động đúng như yêu cầu cần thiết kế hay không. Ngoài ra, Xilinx ISE còn có thể kết hợp với phần mềm ModelSim của hãng Mentor Graphic hoặc phần mềm System Generator của Xilinx để thực thi những tác vụ mô phỏng viết bằng ngôn ngữ VHDL. Tóm lại, luận văn sử dụng ngôn ngữ mô tả phần cứng VHDL và công cụ thiết kế ISE của hãng Xilinx để thiết kế bộ điều chế QPSK và giải điều chế QPSK trên công nghệ FPGA.
11 2.2. Ứng dụng thuật toán CORDIC thiết kế và mô phỏng NCO 2.2.1. Nguyên lý và sơ đồ khối MSB1 MSB2 2 Bé tÝch luü pha O(n) St(n) M Không có M + 1 Bï pha CORDIC dấu thành N N-2 N-2 có dấu /2 2 0 /2 1 0 0 MSB2 MSB1 0 Hình 2.1. Nguyên lý và sơ đồ khối DDS 2.2.2. Thiết kế các khối chức năng Sơ đồ khối thiết kế cụ thể của DDS như Hình 2.2. Hình 2.2. Sơ đồ khối khối tổng thể DDS
12 2.2.3 Mô phỏng thiết kế DDS Hình 2.11. Mô phỏng hàm Sin và Cosin do DDS tạo ra 2.3. Thực hiện và mô phỏng bộ điều chế QPSK 2.3.1. Nguyên lý và sơ đồ khối bộ điều chế QPSK Sơ đồ khối thiết kế được minh họa trên Hình 2.12. I I.g(t) Bộ lọc RRC g(t) 12 bit Cosine() 12 bit Tín hiệu đã điều chế Chuỗi dữ liệu vào QPSK (12 bit) S/P DDS Sine() 12 bit Q Q.g(t) Bộ lọc RRC g(t) 12 bit Hình 2.12. Điều chế QPSK số
13 2.3.2. Tăng tốc độ lấy mẫu tín hiệu I I.g(t) 12 bit Bộ lọc RRC g(t) CIC tăng R lần 1. 024 Mbps 12 bit clk Cosine Dữ liệu vào 12bit Tín hiệu 2. 048 Mbps QPSK ( 12 bit ) S/P Clks NCO (R*clk) clk Sine 12bit Q Q.g(t) 12 bit Bộ lọc RRC g(t) CIC tăng R lần 1. 024 Mbps 12 bit Hình 2.15 Sơ đồ khối điều chế QPSK ứng dụng kỹ thuật xử lý đa tốc độ 2.3.3. Mã hóa vi sai 2.3.4. Sơ đồ khối chi tiết bộ điều chế QPSK Data Serial to RRC Filter CIC Filter QPSK Differential Parallel Map Symbol Interpolation Interpolation Mixer Signal Coder Converter 8 time 8 time Cosine Sine prbs Clk1024 Khz Clk8x1024 Khz Prbs Clock Generator NCO Generator Cllk2048 Khz DUC Clk2.048 Mhz Hình 2.18. Sơ đồ khối bộ điều chế QPSK trên FPGA Chuỗi dữ liệu nối tiếp tốc độ 2.048 MHz được biến đổi thành dữ liệu song song I và Q tốc độ 1.024 Msps, mã hóa Vi sai , dữ liệu đã được mã hóa vi sai được đưa vào khối ánh xạ symbol để chuyển đổi cực tính dữ liệu và ánh xạ các symbol lên
14 giản đồ vector, hai kênh I và Q đã được ánh xạ lên giản đồ vector được đưa vào bộ lọc băng gốc RRC, bộ lọc này được thiết kế theo cấu trúc của bộ lọc FIR và nhúng thêm một bộ lọc tăng mẫu lên 8 lần tốc độ dữ liệu đầu vào. Các symbol I và Q sau bộ lọc RRC được đưa vào khối chuyển đổi lên tần số trung tần (DUC – Digital Up Converter). Bộ DUC có chức năng chuyển dịch phổ tín hiệu băng tần cơ sở lên tần số trung tần IF, để có thể nâng lên tần số IF, symbol I và Q từ bộ lọc RRC cần phải được tăng mẫu lên cùng tần số lấy mẫu với bộ dao động NCO, việc này được thực hiện với bộ lọc tăng mẫu CIC. Theo thiết kế thì bộ DUC hoạt động ở tần số fs, do đó bộ lọc CIC được thiết kế để tăng mẫu lên 8 lần. Toàn bộ hệ thống hoạt động bởi các xung nhịp do khối tạo clock (ClkGenerator) tạo ra từ một xung nhịp chuẩn đầu vào là bộ dao động thạch anh 16.384 MHz. Ngoài ra, để thuận lợi cho việc mô phỏng, một bộ tạo dữ liệu giả ngẫu nhiên được đưa vào để tạo ra dữ liệu giả ngẫu nhiên thay cho dữ liệu thực tế. 2.3.5. Mô phỏng thiết kế bộ điều chế QPSK Bộ điều chế QPSK trên FPGA được lập trình trên ngôn ngữ mô tả phần cứng VHDL, Hình 2.20 đây minh họa kết quả mô phỏng bằng phần mềm mô phỏng ModelSim.
15 Dữ liệu kênh I RRC kênh I CIC kênh I Dữ liệu kênh Q RRC kênh Q CIC kênh Q Hình 2.20 Dạng symbol sau khi được lọc RRC và CIC Hình vẽ trên mô tả dữ liệu I và Q sau bộ mã hóa visai được đưa vào bộ lọc RRC và sau đó dữ liệu đã được lọc RRC được tăng mẫu lên 8 lần bằng bộ lọc CIC. Tín hiệu QPSK Dữ liệu IQ Sóng mang điều chế IF Tín hiệu QPSK Hình 2.21 Tín hiệu QPSK tại tần số trung tần IF = 8.192 MHz.
16 2.4. Thực hiện và mô phỏng bộ giải điều chế QPSK 2.4.1. Nguyên lý và Sơ đồ khối giải điều chế QPSK DDC_I I slicer DPLL Clk_bit QPSK signal Matched DDC Mul Complex Adder I_bit Filter IF Parallel to Data Differential Serial decoder Q_bit Converter DDC_Q Q slicer Cosin_IF Sin_IF Cosin Sin Phase_Error NCO NCO filter Loop Digital Down Converter Recovery carrier Costas Loop Recovery Timing & Ori Data Hình 2.22 Sơ đồ khối giải điều chế QPSK cải tiến 2.4.2. Thiết kế và mô phỏng các khối chức năng Tín hiệu QPSK Tín hiệu sau bộ nhân Tín hiệu sau CIC và FIR Hình 2.28. Mô phỏng khối dịch tần xuống DDC
17 Sóng mang phát Sóng mang khôi phục Symbol phát Symbol khôi phục Sóng mang chưa được khôi phục Sóng mang đã được khôi phục Hình 2.33 Mô phỏng khôi phục sóng mang Sóng mang phát Sóng mang khôi phục Symbol phát Symbol khôi phục Hình 2.34 Mô phỏng sóng mang và dữ liệu chưa được khôi phục
18 Sóng mang phát Sóng mang khôi phục Symbol phát Symbol khôi phục Hình 2.35 Mô phỏng sóng mang và dữ liệu đã được khôi phục Symbol khôi phục Symbol khôi phục sau bộ lọc Matched Dữ liệu khôi phục Clock khôi phục Phát hiện sườn Hình 2.44 Mô phỏng khối khôi phục định thời