TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP
Thiết kế máy phát thanh tần số HF ứng dụng công nghệ SDR trên nền tảng FPGA

Giảng viên hướng dẫn : PGS. Ts. Đỗ Trọng Tuấn

Tháng 3 - 2017


MỤC LỤC

2

2


I.

GIỚI THIỆU

Nội dung thực tập
Trong kỳ thực tập tốt nghiệp, chúng em thực hiện một mô hình máy phát thanh
quảng bá tần số HF, thiết kế trên mô hình SDR. Máy phát thanh sau đó được triển khai
thực tế trên Kit DE2-70 và được kiểm nghiệm với máy thu thanh thương mại.
Mục tiêu
Mục tiêu của kỳ thực tập là thiết kế máy phát thanh có các thông số:
-

3

Dải tần hoạt động: 0.5-30MHz
Phương thức điều chế: AM, FM
Mô hình thiết kế: Software Defined Radio triển khai trên Kit DE2-70 do
Terasic sản xuất

3


II.

LÝ THUYẾT

2.1 Điều chế và giải điều chế
 Định nghĩa:
- Điều chế là quá trình biến đổi một trong các thông số sóng mang cao tần

(biên độ, tần số hoặc pha) tỷ lệ với tín hiệu điều chế băng gốc (BB-Base
Band).
 Mục đích của điều chế:
- Đối với một anten, bức xạ năng lượng của tín hiệu cao tần có hiệu quả khi
bước sóng của nó (tương ứng cũng là tần số) cùng bậc với kích thước vật lí
của anten.
- Tín hiệu cao tần ít bị suy hao khi truyền đi trong không gian.
- Mỗi dịch vụ vô tuyến có một băng tần(kênh) riêng biệt. Quá trình điều chế
giúp chuyển phổ của tín hiệu băng gốc lên các băng tần thích hợp
 Điều kiện điều chế:
- Tần số sóng mang cao tần , trong đó là tần số cực đại của tín hiệu điều chế
BB.

- Thông số sóng mang cao tần (biên độ, tần số, hoặc pha) biến đổi tỉ lệ với
biên độ tín hiệu điều chế BB mà không phụ thuộc vào tần số của nó.
- Biên độ sóng mang cao tần lớn hơn biên độ tín hiệu điều chế BB:

4

4


-

2.2 Điều chế biên độ AM
Điều chế biên độ Amplitude Modulation (AM) hay còn gọi là điều biên là một kỹ
thuật được sử dụng trong điện tử viễn thông, phổ biến nhất là dùng để truyền thông tin qua
một sóng mang vô tuyến. Kỹ thuật này là thay đổi biên độ của tín hiệu sóng mang theo
biên độ của tín hiệu thông tin cần gửi đi, hay nói cách khác là điều chế sóng mang bằng
biên độ theo tín hiệu mang tin.

Hình1:Đường bao cao tần AM lặp lại dạng tín hiệu điều chế
2.2.1 Phương trình điều chế và hệ số điều chế
Tín hiệu sóng mang thường là tín hiệu sin có tần số cao
Tín hiệu AM có dạng:
Xét trường hợp m(t) là một tín hiệu sin đơn tần: m(t) =
=
: Hệ số điều chế (chỉ số điều chế). Để điều chế không méo thì
Trong trường hợp m(t) là tổng các tín hiệu sin đơn tần:
m(t) = + + + ....
mA =
với ; i=1,2,3,...
Trong trường hợp tổng quát:


2.2.2 Phổ của tín hiệu AM
Ta có:
5

5


Trong đó: m(t) M()
Xét trường hợp m(t) là một tín hiệu sin đơn tần: m(t) =
+

Hình2:Phổ của tín hiệu AM với tín hiệu điều chế sin đơn tần

Hình3:Phổ của tín hiệu AM với tín hiệu phức hợp
a.Tín hiệu điều chế b.Tín hiệu AM
c.Mật độ phổ 1 biên tín hiệu điều chếd.Mật độ phổ AM một phía

2.2.4 Công suất của tín hiệu AM
Tín hiệu AM sau điều chế được đưa qua một điện trở. Công suất rơi trên điện trở
khi đó gọi là công suất chuẩn:
Trong đó: là công suất của sóng mang; là công suất của tín hiệu điều chế
Khi cho qua điện trở R:
Nếu tín hiệu là điện áp thì:
Nếu tín hiệu là dòng điện thì:

6

6



Hiệu suất điều chế: Bằng công suất có ích (công suất mang tin tức) chia cho công suất của
toàn bộ tín hiệu AM

2.3 Nền tảng phát triển
2.3.1 Kit DE2-70

Hình4:Kit DE2-70
Mạch thí nghiệm Terasic DE2-70 là mạch kit FPGA được xây dựng trên nền tảng FPGA
Altera phiên bản Cyclone 2. Mạch được sử dụng nhiều trong thí nghiệm giáo dục.
Mạch DE2-70 có một chip FPGA với 70000 phần tử logic, đủ lớn cho hầu hết các mục
đích thí nghiệm. Ngoài ra trên mạch cũng có nhiều ngoại vi phục vụ xử lý âm thanh, hình
ảnh, mạng… cho phép triển khai nhiều bài toán mà không cần thêm ngoại vi gắn ngoài.
ADC
Trong hệ thống em sử dụng ADC là ADS830 (Texas Instruments).
Một vài thông số chính:
-

7

Nguồn cấp: 5V
Dải động: 65dB
Tỉ số tín hiệu/nhiễu: 49.5dB
Độ rộng bus dữ liệu: 8bit
Giao tiếp: song song
Tốc độ lấy mẫu: 60MSPS

7



Để giao tiếp với ADC này, ta đọc dữ liệu từ các chân dữ liệu (D7- D0) trong đó bit có
trọng số cao nhất là D7.
Nhìn biểu đồ thời gian trên ta có thể thấy: dữ liệu được đưa ra các chân dữ liệu chậm 4
clock so với điện áp thực.
DAC
Trong hệ thống này, DAC được sử dụng là DAC902E.
Một số thông số chính:
-

8

Nguồn cấp: 5V
Dải động: 50-80dB phụ thuộc tần số
Độ rộng bus dữ liệu: 12bit
Tốc độ lấy mẫu: lên tới 200MSPS

8


Audio codec

CODEC là bộ điều khiển ngoại vi âm thanh của máy.
Trong đề tài này chúng em sử dụng chip codec WM8731, là chip được gắn sẵn trên
kit, encoder WM8731 có các thông số chính:
- Tần số lấy mẫu 8ksps – 96ksps
- Chỉnh được âm lượng trái phải, âm lượng tổng của cả đầu ra và đầu vào
- Độ phân giải ADC DAC 24bit

9


-

Để giao tiếp với chip, ta dùng một được I2C/SPI để cấu hình và các cặp chân sau để giao
tiếp

-

Biểu đồ thời gian và khung truyền được mô tả như sau

-

Biểu đồ thời gian (trang 16 datasheet)
Mỗi lần có một sườn lên tại chân BCLK, một bit được dịch vào chân DACDAT và một bit
được dịch ra chân ADCDAT.

9


Khung truyền dữ liệu

2.3.2 Công cụ lập trình Quatus II
Trong phạm vi đề tài này chúng em sử dụng phần mềm Quatus II do Altera phát
hành để lập trình mô tả phần cứng, trong đó VHDL và Verilog HDL là hai ngôn ngữ chính
được dùng.

Hình4:Phần mềm Quatus II

10

10



III.

THIẾT KẾ

3.1 Yêu cầu chức năng
Chức năng chính




Thu âm thanh qua microphone
Điều chế AM
Phát ra DAC cao tần

Các thông số kĩ thuật




Tần số lấy mẫu tín hiệu âm thanh: 48khz
Tần số sóng mang: 0 – 30Mhz
Tần số lấy mẫu sóng mang: 50Mhz

3.2 Thiết kế trên phần mềm Quatus II
Sơ đồ khối tổng quát

Hình5:Sơ đồ khối tổng quát
Sơ đồ khối trên hình 5 gồm hai khối chính:



AudioControl: Là khối điều khiển Audio CODEC của Kit DE đồng thời là khối
tạo ra các dữ liệu điều khiển



AudioModulation: Là khối nhận dữ liệu âm thanh từ ADC của Audio CODEC và
điều chế.

Các đầu vào đầu ra:




11

Input từ Kit DE: Clock_50, Clock_28, SW, KEY
Dữ liệu âm thanh đầu vào: AUD_ADCDAT
Dữ liệu điều khiển: I2C, AUD_BCLK, AUD_LRCK

11


3.2.1 Khối điều khiển AudioControl

Hình6:Sơ đồ khối AudioControl
Sơ đồ trên hình 6 gồm 4 khối chính:






Audio_clock: khối tạo clock điều khiển đọc dữ liệu âm thanh
I2C_AV_config: khối điều khiển Audio CODEC
Reset_Delay: khối tạo tín hiệu Reset
VGA_Audio_PLL: khối tạo clock 18.4Mhz dùng cho Audio_clock

3.2.2 Khối điều chế AudioModulation
Điều chế AM

Ta biết rằng để điều chế biên độ, tín hiệu cần điều chế được nhân với sóng mang.
Để thực hiện trên FPGA, ta có sơ đồ khối cụ thể như sau:

Hình7:Sơ đồ khối AudioModulation
Sơ đồ trên hình 7 gồm các khối:
12

12






13

adcReader: Đóng gói dữ liệu âm thanh từ ADC của CODEC thành các mẫu 16bit
counter + sin_table: Khối tạo sóng mang cho điều chế AM
Multiply: Bộ nhân sóng mang và tín hiệu để đưa ra DAC cao tần.


13


IV.

THỰC THI TRÊN KIT DE2

Các thiết bị sử dụng:








Kit DE2-70
Microphone
DAC cao tần DAC902E
Mạch khuếch đại
Loa
Đài có thể bắt sóng AM
Ăng ten phát

Bên phát:

Hình8:Lắp đặt trên kit DE2-70

14


14


Hình9:Khối DAC cao tần

15

15


Hình10:Dữ liệu đầu vào âm thanh lấy từ LineIn(hoặc có thể MicIn)

Hình11: Mạch khuếch đại
Bên thu:
16

16


Hình12:Đài thu AM
Quá trình thực hiện:

17

17


Như hình trên ta có thể thấy mô hình thử nghiệm:
-


Nguồn âm thanh lấy từ máy tính bàn
Âm thanh được truyển tới FPGA qua dây cáp audio 3.5mm
Anten được lắp luôn vào module DAC do trên module đã có sẵn một khuếch đại thuật toán
để khuếch đại công suất cao tần.
Đài AM được nối anten tạm để cách 20cm.
Tần số thử nghiệm được đặt cho phù hợp với dải của đài AM.

Kết quả
Đài AM thu được âm thanh đã phát từ máy phát.

18

18


Kết luận
Trong quá trình thực tập chúng em đã hoàn thiện phần điều khiển khối Audio
CODEC và điều chế AM, trong thời gian tiếp theo chúng em sẽ bước vào phần điều chế
FM, SSB và giải điều chế.

19

19