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 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 191 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 công 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 mô 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 2 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 3 Nguồn cung cấp (Vdc) 12,8 4 Kích thước (cm): Dài x Rộng 17,2 x 8,5 Trong quá trình sử dụng, khối KĐTT đã hư hỏng nhiều do thời gian sử dụng dài và điều kiện khí hậu Việt nam. Trong khi đó, nguồn cung cấp vật tư linh kiện thay thế khan hiếm. Công tác duy trì, sửa chữa gặp rất nhiều khó khăn ảnh hưởng đến Kỹ thuật điện tử N.T. Minh, L.T. Hải, T.Đ. Lâm, , “Giải pháp xử lý tín hiệu số vô tuyến P-625.” 192 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 còn 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. Với mức tín hiệu 25 Mhz đầu vào khoảng 3 µV, để đảm bảo độ nhạy máy thu trong cả chế độ AM/FM bộ lọc được thiết kế là bộ lọc thạch anh. Mô đun khuếch Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 193 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 quá trình nghiên cứu, nhóm đề tài sử dụng hai tầng khuếch đại có hệ số khuếch đại 60 dB. Mô 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. Khối NCO dùng phương pháp tra bảng (đối với số lượng mẫu thấp) nhằm giảm tài nguyên phần cứng. Tần số ngõ ra fout phụ thuộc vào tần số xung nhịp fclk, số mẫu trên một chu kỳ N (N = 2BN) và độ gia tăng pha Δθ. Với các thông số đã biết là N, fclk, fout, ta tính ra độ gia tăng pha Δθ. Đây là giá trị cần thiết cấp vào cho NCO. Kỹ thuật điện tử N.T. Minh, L.T. Hải, T.Đ. Lâm, , “Giải pháp xử lý tín hiệu số vô tuyến P-625.” 194 Hình 3. Khối ADC dùng HI5805. Hình 4. Mô hình tổng thể mô đun FPGA. Hình 5. Sơ đồ khối bộ NCO. Bộ nhân tần: Bộ nhân tần thực chất là bộ trộn số (digital mixer) thực hiện nhân hai số thông thường phục vụ cho việc chuyển dịch tần số. Có hai bộ nhân tần được cài đặt cho 2 tín hiệu dao động I và Q nhằm tạo ra hai tín hiệu phục vụ cho việc khôi phục tín hiệu dải nền sau này. Tín hiệu ngõ ra bộ trộn số là tín hiệu tổng và tín hiệu sai lệch tần số. Tín hiệu ngõ ra này sẽ được đưa qua bộ lọc số để loại bỏ thành phần tín hiệu tổng. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 195 Mô 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 mô 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. Hình 7. Sơ đồ mô phỏng khối KĐTT trên Matlab-Simulink. Kỹ thuật điện tử N.T. Minh, L.T. Hải, T.Đ. Lâm, , “Giải pháp xử lý tín hiệu số vô tuyến P-625.” 196 Hình 8. Sơ đồ mô 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. Hình 13. Tín hiệu FM sau lọc tần số. Hình 14. Tín hiệu AM sau lọc tần số. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 197 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 mô 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 toán thiết kế phần cứng và kết quả mô phỏng thu được nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công khối KĐTT dựa trên công nghệ FPGA (hình 17). Hình 17. Khối KĐTT sử dụng FPGA. Quá trình đánh giá chất lượng sản phẩm được thực hiện tại phòng thí nghiệm Điện tử chuyên 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 ô xy lô số DS0-V2012A. Bảng 3. Kết quả kiểm tra tại phòng thí nghiệm. TT Tên chỉ tiêu Đăng ký kỹ thuật Kết quả thực tế 1 Nguồn cung cấp. 12,8 Vdc 12,8 Vdc Kỹ thuật điện tử N.T. Minh, L.T. Hải, T.Đ. Lâm, , “Giải pháp xử lý tín hiệu số vô tuyến P-625.” 198 2 Độ nhạy máy thu toàn dải tần công tác 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 V 3 V 3 Chế độ công tác AM/FM AM/FM Quá trình thử nghiệm tại Lữ đoàn 170-Vùng I/Quân chủng Hải quân được thực hiện theo trình tự và phương pháp tiến hành theo trình tự như sau: Bước 1: Lắp đặt khối K1-9 nguyên thủy vào điện đài vô tuyến P-625 trên tàu số hiệu HQ-358. Bước 2: Đánh giá tại chỗ các tính năng hoạt động của điện đài vô tuyến P-625. Bước 3: Tiến hành liên lạc mạng ở 10 tần số với điện đài vô tuyến P-625 trên tàu số hiệu HQ-285 ở cự ly khoảng 10 Km. Bước 4: Lắp đặt khối KĐTT sử dụng công nghệ FPGA vào điện đài vô tuyến P- 625 trên tàu số hiệu HQ-358. Bước 5: Đánh giá tại chỗ các tính năng hoạt động của điện đài vô tuyến P-625 khi sử dụng khối KĐTT mới. Bước 6: Tiến hành liên lạc mạng ở 10 tần số với điện đài vô tuyến P-625 trên tàu số hiệu HQ-285 ở cùng cự ly 10 Km. Bảng4. Kết quả kiểm tra tại Lữ đoàn 170. TT Tên chỉ tiêu Kết quả khối KĐTT mới So sánh với khối K1-9 nguyên thủy 1 Kết cấu cơ khí Tháo lắp thuận tiện Đúng không gian cho phép 2 Chế độ công tác Đảm bảo hoạt động ở chế độ AM và FM Tương đương 3 Chất lượng thông tin liên lạc ở các cự ly chế độ AM/FM Khả năng thông thoại đạt kết quả tốt Tương đương Quá trình thử nghiệm tại Lữ đoàn 170 cho thấy các chỉ tiêu chất lượng chủ yếu của khối KĐTT sử dụng công nghệ FPGA đạt tương đương so với khối KĐTT do Nga sản xuất. 4. KẾT LUẬN Bài báo đã trình bày giải pháp xử lý tín hiệu số trong thiết kế khối KĐTT dựa trên công nghệ FPGA. Khác với các phương pháp sử dụng các linh kiện tương tự, phương pháp xử lý tín hiệu số hoàn toàn được thực hiện trên phần mềm. Việc thay Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 199 đổi cấu trúc thiết kế, thay đổi thuật toán được thực hiện dễ dàng trên FPGA. Kết quả nghiên cứu thu được là cơ sở số hóa các mô đun trong các điện đài thế hệ cũ và hướng đến thiết kế chế tạo các máy thu số trong quân đội. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Cục Kỹ thuật Hải quân, “Thuyết minh điện đài P-625”, Quân chủng Hải quân, (2013). [2]. Intersil, “Datasheets ADC HI5805”, www.intersil.com. [3]. Xilinx, “Datasheets NCO và CIC”, www.xilinx.com. [4]. National, “Datasheets DAC0808”, www.national.com. ABSTRACT DIGITAL SIGNAL PROCESSING APPROACH FOR DESIGN OF INTERMEDIATE FREQUENCY AMPLIFIER IN RADIO TRANSCEIVER P-625 This paper presents several study results in designing the intermediate frequency amplifier (IFA) using signal processing techniques based on FPGA technology. IFA has the function of converting AM/FM (Amplitude/Frequency Simulation) signal at 25 Mhz into audio signal. The method is based on the study of operating principle of IFA block produced by Russia in order to develop a new design simulated by a Matlab-Simulink model. Experimental results show that the IFA design using signal processing approach can produce equivalent performance in comparison with the one produced by Russia. Simple design is an advantage of this method together with the availability of materials and components with good quality on the market. Keywords: P-625, IFA, AM/FM, FPGA. Nhận bài ngày 20 tháng 07 năm 2015 Hoàn thiện ngày 10 tháng 08 năm 2015 Chấp nhận đăng ngày 07 tháng 09 năm 2015 Địa chỉ: 1Viện Điện tử - Viện Khoa học – Công nghệ quân sự; *Email: ntminh.telecom@gmail.com; 2 Viện Khoa học – Công nghệ quân sự.