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

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (624.65 KB, 7 trang )

(1)<div class='page_container' data-page=1>

GIẢI PHÁP XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ TRONG THIẾT KẾ 
KHỐI KHUẾCH ĐẠI TRUNG TẦN ĐIỆN ĐÀI VÔ TUYẾN P-625

Nguyễn Tuấn Minh1*, Lê Thanh Hải1, Trần Đình Lâm1,
Nguyễn Thị Thảo1, Phạm Quốc Hùng2

Tóm tắt:Bài báo trình bày một số kết quả nghiên cứu trong thiết kế khối khuếch

đại trung tần (KĐTT) sử dụng phương pháp xử lý tín hiệu số trên cơng nghệ FPGA. 
Khối KĐTT có chức năng chuyển tín hiệu điều chế AM/FM (điều biên/điều tần) có 
tần số 25 Mhz thành tín hiệu âm tần. Phương pháp nghiên cứu dựa trên cơ sở phân 
tích nguyên lý hoạt động khối KĐTT do Nga sản xuất để xây dựng phương án thiết 
kế mới trên mơ hình Matlab-Simulink. Kết quả thử nghiệm cho thấy khối KĐTT sử 
dụng giải pháp xử lý tín hiệu số có chất lượng tương đương so với khối do Nga sản 
xuất. Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản trong thiết kế, các vật tư linh kiện 
có sẵn trên thị trường với chất lượng tốt.

Từ khóa: P-625, KĐTT, AM/FM, FPGA.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Điện đài vô tuyến P-625 là thiết bị thông tin mới do Nga sản xuất với nhiều tính
năng hiện đại, khả năng chống nhiễu cao, phù hợp với nhiều điều kiện tác chiến
khắc nghiệt nhằm trang bị trên tàu Hải quân. Điện đài P-625 có nhiều ưu điểm
vượt trội với dải tần công tác rộng, khả năng chống nhiễu tốt và giao diện đơn giản
dễ sử dụng hơn. Khối KĐTT là một khối trong tuyến thu của điện đài P-625 có
chức năng tách sóng, giải điều chế tín hiệu điều chế AM/FM có tần số 25 Mhz
thành tín hiệu âm tần sử dụng phương pháp trộn tần nhiều lần. Một số tính năng kỹ
chiến thuật chính của khối KĐTT được trình bày trong bảng 1 [1].

Bảng 1. Các tính năng kỹ-chiến thuật khối KĐTT.

TT Tính năng kỹ-chiến thuật Giá trị

1 Các loại điều chế: AM, FM

Độ nhạy máy thu (V) khi tần số điều chế 1000 Hz, hệ
số điều chế 30%, di tần 1,5 kHz, điện áp trên tai nghe
bằng 5,2 V, tỷ số điện áp tín hiệu/tạp âm không nhỏ
hơn 3, không kém hơn:

3 Nguồn cung cấp (Vdc) 12,8

4 Kích thước (cm):

Dài x Rộng 17,2 x 8,5

</div>
(2)<div class='page_container' data-page=2>

việc đảm bảo trang bị kỹ thuật của đơn vị. Do đó, việc nghiên cứu chế tạo khối
KĐTT sử dụng phương pháp xử lý tín hiệu có ý nghĩa rất thiết thực.

2. KHỐI KĐTT ĐIỆN ĐÀI P - 625

Khối KĐTT điện đài P-625 (hình 1) có hai dải thông: Dải hẹp bằng 18 kHz, dải
rộng bằng 60 kHz, chuyển đổi dải thông được thực hiện bằng rơ le. Tín hiệu trung
tần 25 Mhz được chọn lọc cơ bản đối với tần số lân cận qua mạch lọc thạch anh rồi
đưa đến bộ khuếch đại. Tín hiệu sau khuếch đại được đưa đến bộ trộn tần. Đưa đến
bộ trộn tần cịn có tín hiệu điện áp ngoại sai với tần số fns = 23,4 Mhz từ dao động

ngoại sai sử dụng thạch anh. Tín hiệu trung tần 1,6 Mhz từ tải của bộ trộn tần qua
hai tầng khuếch đại. Tín hiệu điều biên được khuếch đại đến mức cần thiết rồi đưa
đến bộ tách sóng biên độ, đến khối chuyển mạch AM/FM. Tín hiệu điều tần sau
khi được khuếch đại, qua bộ hạn biên, qua mạch tách sóng tần số và được đưa đến
chuyển mạch AM/FM [1].

Hình 1.Sơ đồ khối khối KĐTT do Nga sản xuất.

3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

3.1. Khối KĐTT sử dụng phương pháp xử lý tín hiệu số

Khối KĐTT gồm các mô đun bộ lọc tín hiệu đầu vào 25 Mhz, khuếch đại tín
hiệu, bộ biến đổi ADC, bộ xử lý tín hiệu FPGA và bộ biến đổi DAC (hình 2).

Hình 2.Sơ đồ khối khối KĐTT sử dụng FPGA.

</div>
(3)<div class='page_container' data-page=3>

đại cao tần có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu 25 Mhz đến mức đủ lớn đưa đến mô
đun chuyển đổi ADC. Mô đun ADC chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số
trước khi đưa vào xử lý. Do tần số lớn nhất của băng tần tín hiệu là 25 Mhz nên
theo định lý lấy mẫu Nyquist thì tần số lấy mẫu khoảng 50 Mhz. Để đáp ứng yêu
cầu tốc độ lấy mẫu này, nhóm đề tài chọn ADC HI5805 của hãng Intersil. HI5805
có tần số lấy mẫu tối đa là 5 Msps với 12 bit dữ liệu. Mạch ADC dùng HI5805
được trình bày trong hình 3 [2]. Theo datasheet của ADC HI5805 (bảng 2), độ lớn
lý tưởng của mỗi đơn vị lấy mẫu phép lượng tử hoá: Q=0,00098 V. Do đó, dải tín
hiệu đầu vào (đỉnh-đỉnh) vào phải đảm bảo Q.212 tương ứng với 4,01 V (±2,005
V). Với mức tín hiệu dụng đầu vào 3 µV, bộ khuếch đại đầu vào cần khuếch đại
0,47.106 lần tương ứng với xấp xỉ 113 dB. Trong q trình nghiên cứu, nhóm đề tài
sử dụng hai tầng khuếch đại có hệ số khuếch đại 60 dB.

Mơ đun FPGA (hình 4) đảm nhận các chức năng của bộ tạo dao động nội điều
khiển số NCO (Nummerically Controlled Oscillator), bộ lọc số, bộ trộn tần và bộ
giải điều chế [3].

Bảng 2. Mã nhị phân đầu ra ADC HI5805 [2].

Khối NCO (hình 5): Tín hiệu số từ khối ADC có độ rộng 12 bit nên dao động
cũng được lựa chọn có độ rộng 12 bit. Khối NCO thực chất là khối tạo hai nguồn
dao động trực giao nhau I (Inphase) và Q (Quarature) là hai tín hiệu hình Sin và
Cosin. Tín hiệu dao động này dùng để hiệu với tín hiệu đầu vào và loại trừ thành
phần sóng mang của tín hiệu. Khối NCO phát nhiều tần số khác nhau và hiệu chỉnh
bằng phần mềm. Do đó, độ gia tăng góc pha Δθ là tín hiệu đầu vào của NCO.

</div>
(4)<div class='page_container' data-page=4>

Hình 3.Khối ADC dùng HI5805.

Hình 4.Mơ hình tổng thể mơ đun FPGA.

Hình 5.Sơ đồ khối bộ NCO.

</div>
(5)<div class='page_container' data-page=5>

Mơ đun DAC (hình 6) có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu số sau xử lý sang dạng tín
hiệu tương tự trước khi đưa vào khuếch đại ra tải. Do tín hiệu ngõ ra là tín hiệu âm
thanh nằm trong vùng tần số từ 20 Hz đến 20 kHz (tần số tai người còn nghe được),
tức là tần số mẫu tối đa khoảng 44 Ksps (theo định lý lấy mẫu của Nyquist) [4].

Hình 6.Sơ đồ mạch DAC dùng DAC0808.

3.2. Kết quả mơ phỏng và sản phẩm thực nghiệm

Qúa trình mô phỏng được thực hiện ở hai chế độ AM và FM (hình 7). Chế độ
FM tương ứng với giá trị của mô đun chọn chế độ AM/FM bằng 1, chế độ AM

tương ứng với giá trị bằng 0. Mô đun giải điều chế AM/FM gồm mô đun giải điều
chế AM và mô đun giải điều chế FM. Việc lựa chọn bộ giải điều chế tùy thuộc vào
giá trị của mô đun chọn chế độ.

Mô đun tạo giả tín hiệu có chức năng tạo ra tín hiệu điều chế AM/FM 25Mhz
(hình 9, hình 10). Tín hiệu dao động này được nhân với tín hiệu điều chế 25 Mhz
đầu vào (hình 8). Do đó, tín hiệu sau trộn tần gồm hai thành phần: tín hiệu
Baseband và tín hiệu 50 Mhz (hình 11, hình 12). Sau khi qua mô đun lọc thông
thấp, thành phần tín hiệu 50 Mhz bị loại bỏ, còn lại tín hiệu Baseband (hình 13,
hình 14). Kết quả tín hiệu thu được sau giải điều chế được trình bày trên hình 15 và
hình 16.

</div>
(6)<div class='page_container' data-page=6>

Hình 8.Sơ đồ mơ phỏng modul trộn tần trên Matlab-Simulink.

Hình 9.Tín hiệu điều chế FM 25Mhz. Hình 10.Tín hiệu điều chế AM 25Mhz.

Hình 11.Tín hiệu FM sau trộn tần số. Hình 12.Tín hiệu AM sau trộn tần số.

</div>
(7)<div class='page_container' data-page=7>

Hình 15.Tín hiệu sau giải điều chế FM. Hình 16.Tín hiệu sau giải điều chế AM.
Dạng sóng tín hiệu điều chế AM biến thiên giữa hai đường bao bởi tín hiệu gốc
ban đầu. Trong khi đó tín hiệu điều chế FM có tần số thay đổi theo biên độ của tín
hiệu gốc ban đầu. Kết quả mơ phỏng được thực hiện với tín hiệu gốc có dạng hình
sin lý tưởng, trong thực tế hình dạng sóng tín hiệu AM/FM sau điều chế phức tạp
hơn nhiều do tín hiệu gốc ban đầu rất phức tạp.

Sau thời gian nghiên cứu lý thuyết, tính tốn thiết kế phần cứng và kết quả mơ
phỏng thu được nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành cơng khối KĐTT dựa trên cơng
nghệ FPGA (hình 17).

Hình 17. Khối KĐTT sử dụng FPGA.

Quá trình đánh giá chất lượng sản phẩm được thực hiện tại phịng thí nghiệm
Điện tử chun dụng tại Viện Đỉện tử. Các phương tiện đo bao gồm: đồng hồ đo
điện áp - dòng điện VC88, máy phát sóng chuẩn SMA100A, máy phân tích phổ
FSVR7 và ơ xy lơ số DS0-V2012A.

Bảng 3. Kết quả kiểm tra tại phịng thí nghiệm.

TT Tên chỉ tiêu Đăng ký

kỹ thuật

Kết quả 
thực tế

1 Nguồn cung cấp. 12,8 Vdc 12,8

</div>