Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết trình bày nghiên cứu, thiết kế bộ tổ hợp tín hiệu cho ra đa liên tục sử dụng tín hiệu điều tần bằng phương pháp tổ hợp số trực tiếp tần số. Bằng việc khảo sát tín hiệu điều tần tuyến tính dạng tam giác, bài báo đã làm rõ nguyên lý hoạt động cả ra đa liên tục.
Thông tin khoa học công nghệ 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 Nguyễn Minh Thắng 1*, Nguyễn Đình Hưng 2, Đinh Trọng Quang1, Trịnh Xuân Thọ1, Nguyễn Thành1 Tóm tắt: Bài báo trình bày nghiên cứu, thiết kế tổ hợp tín hiệu cho đa liên tục sử dụng tín hiệu điều tần phương pháp tổ hợp số trực tiếp tần số Bằng việc khảo sát tín hiệu điều tần tuyến tính dạng tam giác, báo làm rõ nguyên lý hoạt động đa liên tục Bài báo đề xuất phương án thiết kế tổ hợp tín hiệu điều tần tuyến tính liên tục theo phương pháp tổ hợp số trực tiếp dựa cơng nghệ vi mạch tích hợp khả trình FPGA (Field Programmable Gate Array) kết hợp với linh kiện điều chế cầu phương I/Q AD9957 Kết nghiên cứu giới thiệu đánh giá với tham số thiết kế đầu vào Từ khóa: Ra đa liên tục, Tổ hợp số trực tiếp tần số, Điều tần tuyến tính, Vi mạch AD9957 ĐẶT VẤN ĐỀ Tín hiệu điều tần dạng tín hiệu điều chế sử dụng rộng rãi lĩnh vực thông tin liên lạc, đa cảnh giới, đa viễn thám, hệ thống đo cao, hệ thống giám sát chất lượng Trong ứng dụng sử dụng tín hiệu điều tần, lĩnh vực nghiên cứu liên quan tới đa liên tục sử dụng tín hiệu điều tần có q trình phát triển lâu dài phát triển rộng rãi năm gần [1]-[5] Đặc biệt lĩnh vực quân sự, với việc phát triển công nghệ bán dẫn hệ thống xử lý số thông tin tốc độ cao, thời gian gần có nhiều hệ thống đa liên tục giới thiệu hệ thống cảnh giới Cam Shell 76N6, hệ thống đa ELM2112, hệ thống đa Ranger R20SS, v.v Tại Việt Nam, lĩnh vực nghiên cứu đa liên tục quan tâm nhiên thiếu nghiên cứu chuyên sâu, mang tính chất tảng cho việc nghiên cứu, phát triển ứng dụng chủng loại đa thực tiễn Trong bối cảnh nghiên cứu trên, báo trình bày nghiên cứu, thiết kế tổ hợp tín hiệu cho đa liên tục sử dụng tín hiệu điều tần phương pháp tổ hợp số trực tiếp tần số Trước tiên, nguyên lý hoạt động đa liên tục làm rõ việc khảo sát tín hiệu điều tần tuyến tính dạng tam giác Dựa kết khảo sát nguyên lý hoạt động đa liên tục, báo đề xuất phương án thiết kế tổ hợp tín hiệu điều tần tuyến tính liên tục theo phương pháp tổ hợp số trực tiếp tần số dựa cơng nghệ vi mạch tích hợp khả trình FPGA kết hợp với linh kiện điều chế cầu phương I/Q AD9957 Kết nghiên cứu giới thiệu đánh giá với tham số thiết kế đầu vào TỔ HỢP TÍN HIỆU TRONG RA ĐA ĐIỀU TẦN TUYẾN TÍNH LIÊN TỤC 2.1 Nguyên lý hoạt động đa liên tục sử dung tín hiệu điều tần Ra đa liên tục sử dụng dạng điều tần tuyến tính để đo khoảng cách tần số Đốp le Trong thực tế đa liên tục, dạng sóng điều tần tuyến tính thay Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016 197 Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa đổi theo độ rời rạc đủ nhỏ để đáp ứng yêu cầu độ xác đo khoảng cách vận tốc mục tiêu Tín hiệu phản xạ từ mục tiêu ngồi việc phụ thuộc vào khoảng cách R đến mục tiêu phụ thuộc vào vận tốc hướng tâm mục tiêu so với đài phát Hình miêu tả miêu tả sóng điều tần liên tục sử dụng dạng sóng điều tần tam giác tín hiệu phản xạ từ mục tiêu khoảng cách R mục tiêu không chuyển động, Hình mục tiêu chuyển động Hình Tần số truyền, nhận tần số phản xạ cho trường hợp mục tiêu không chuyển động Hình Tần số truyền, nhận tần số phản xạ cho trường hợp mục tiêu chuyển động Trong trường hợp mục tiêu không chuyển động, tần số phách định nghĩa theo công thức: 2∆ (1) = − = Trong đó: :độ di tần ( độ lệch tần cực đại ) ∆ : độ dịch tần điều chế : chu kì dịch tần : khoảng cách từ mục tiêu đến đài Trong trường hợp mục tiêu chuyển động với vận tốc khác khơng, thành phần tín hiệu phản xạ mang thêm thành phần Đốp le Khi mối quan hệ tín hiệu truyền tín hiệu phản xạ biểu diễn hình Khi mục tiêu chuyển động, tần số phản xạ cộng thêm thành phần Đốp le, lượng tần số cộng vào mang dấu dương (nếu mục tiêu chuyển động lại gần so với đa) mang dấu âm (nếu mục tiêu chuyển động xa so với đa), ta tính được: Tần số phách (Up Beat frequency) nửa chu kì dịch tần lên: ∆ (2) = − Tần số phách Trong đó: (Dp Beat frequency) nửa chu kì dịch tần xuống: ∆ = + (3) : tốc độ hướng tâm mục tiêu so với đa 198 N.M Thắng, N.Đ Hưng, …, “Nghiên cứu, thiết kế tổ hợp… tổ hợp số trực tiếp tần số.” Thơng tin khoa học cơng nghệ : bước sóng tương ứng với tần số trung tâm Khi khoảng cách thu từ công thức sau: ( + 8∆ Tốc độ mục tiêu tính theo cơng thức: = ) (4) ) = ( − (5) 2.2 Phương pháp tổ hợp số trực tiếp tần số Tổ hợp số trực tiếp DDS (Direct Digital Synthesizer) NCO (Numerically Controlled Oscillator), phần tử quan trọng hệ thống truyền thông, hệ thống đa đại vài hệ thống điện tử khác Tổ hợp số trực tiếp tần số sử dụng rộng rãi để thay đổi tần số lấy mẫu tín hiệu, kiểu điều chế giải điều chế, thực thi số dạng mã hóa tín hiệu PSK, FSK, MSK Thông thường cách thức hoạt động tạo tín hiệu hình sin (cầu phương không) dựa vào bảng tra Bảng tra chứa mẫu tín hiệu hình sin Phương pháp tạo độ xác tần số cao, độ ổn định tần số theo nhiệt độ thời gian cao, dải điều chỉnh tần số rộng, tốc độ điều chỉnh tần số nhanh CẤU TRÚC BỘ TẠO TÍN HIỆU 3.1 Thiết kế cấu trúc tạo tín hiệu Cấu trúc tạo tín hiệu đề xuất nguyên cứu bao gồm mô đun chính: mơ đun AD9957 mơ đun vi xử lý khả trình FPGA mơ đun vi mạch khả trình FPGA đóng vai trò thiết lập tham số ghi khởi tạo cho linh kiện AD9957 cung cấp tham số I/Q trình điều chế cầu phương thực mô đun AD9957 3.1.1 Mô đun vi mạch tổ hợp tần số AD9957 AD9957 tạo tín hiệu băng tần sở phương pháp tổ hợp số trực tiếp tần số Trong AD9957 tích hợp tổ hợp số trực tiếp tần số, biến đổi số tương tự 14 bít, mạch nhân xung nhịp, lọc số mạch xử lý tín hiệu số khác Tín hiệu băng tần sở tạo điều chế biên độ, pha, tần số cách dễ dàng cách nạp liệu cho ghi qua chân vào nối tiếp chân truyền liệu song song AD9957 có chế độ hoạt động bản: chế độ điều chế cầu phương, chế độ nội suy DAC, chế độ tạo xung đơn Trong khuôn khổ nội dung báo ta quan tâm đến chế độ điều chế cầu phương để tạo tín hiệu điều tần tuyến tính liên tục 3.1.2 Mơ đun vi mạch khả trình FPGA Trong nghiên cứu, nhóm tác giả đề xuất vi mạch tích hợp khả trình Spartan-3E họ FPGA Xilinx với nhiều ưu điểm bật Đầu tiên phải kể đến khả tích hợp Spartan-3E từ 100,000 gates đến 1,6 triệu gates, dễ sử dụng, giá thành thấp, tiêu thụ điện ít, mật độ tích hợp nhiều phần tử logic, truyền liệu với tốc độ cao Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016 199 K Kỹỹ thuật si siêu cao ttần ần & Ra đa Với nhữn Với g ưu điểm ểm nh vậy ta ho hồn àn tồn có th thểể sử dụng linh kiện Spartan Spartan 3E 3E cho mô đun vi m mạch ạch khả tr trình ình FPGA đđểể điều khiển mơ đun AD9957 để tổ hợp tín hiệu theo bbài ài toán đđềề và ccụ ụ thể llàà tạo tạo tín hiệu điều tần tuyến tính li tuyến liên ên tục tục 3.2 Nguyên lý ho 3.2 hoạt ạt động llõi õi DDS CORE Như đã nói tr trên, ên, mô đun vi m mạch ạch khả tr trình ình FPGA đóng vai tr tròò quan tr trọng ọng việc việc điều khiển vvàà truyền truyền số liệu I/Q tr trình ình ttổ ổ hợp số trực tiếp tr ên mô đun AD9957 Phương pháp chung llàà khởi khởi tạo bảng tham kh khảo ảo giá tr trịị I và Q B Bộ ộ tích phân số đđược ợc sử dụng để đđưa ưa tham ssố ố pha kết hợp với bảng ảng giá trị khởi tạo để tổ hợp đđư ược ợc tân số mong muốn Trong nghi nghiên ên ccứu ứu nnày, ày, nhóm tác gi giảả sử dụng llõi õi lô gic DDS được phát triễn hỗ trợ cho họ vi mạch khả trình FPGA ccủa trình Xilinx để thiết kế tổ hợp tần số Tần số đầu tổ hợp số trực ực tiếp đđư ược ợc tính theo công thức sau: ∆ = (6)) ( ) đó: : tầầnn ssố đồng ng hồ h chuẩn chu n, ∆ : giá trị trị từ điều khiển tần số ố số, ( ) : số bít ccủa từ điều khiển tần số 3.3 S 3.3 Sản ản phẩm thực tế vvà sơ đồ đồ ghép nối Hình 3 Mơ đun Spartan Spartan-3E 3E Hình Mơ đun AD9957 AD9957 Máy phân Máy M ch nạ Mạch nạp tính XILINX Spartan 3E Spartan-3E Mơ đun AD9957 tích phổ ph Máy hi n sóng Hình Sơ đđồ ghép nối để nạp ch chương ương trình trình đánh giá kkết ết quả Để nạp ch Để chương ương tr trình ình đánh giá kkết ết tín hiệu đđã đư ợc tạo ta lắp đặt thiết thi ết bị theo ssơ đđồ đư ợc mô tả nh h hình ình 5 200 N.M Thắng, Thắng, N.Đ H Hưng, ưng, …, … “Nghiên Nghiên ccứu, ứu, thiết kế tổ hợp hợp… … tổ ổ hợp số trực tiếp tần số số.”” Thông tin khoa học công nghệ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 4.1 Tham số thiết kế Nhóm tác giả thiết kế mô đun phần cứng, xây dựng chương trình phần mềm để tạo tín hiệu điều tần tuyến tính liên tục dạng tam giác Trong q trính khảo sát, nhóm tác giả tiến hành đo đạc, kiểm thử với nhiều thám số khác với tần số trung tâm có giá trị từ = 10 MHz đến = 150 MHz, độ dịch tần thay đổi từ Δ = MHz đến Δ = 20 MHz Do giới hạn báo, kết đo giới thiệu báo tiến hành với tham số sau: Tần số trung tâm = 35 MHz Độ dịch tần Δ = 10 MHz Chu kì dịch tần T = 1000 4.2 Kết đo sản phẩm thực nghiệm thời gian giữ chậm Hình Kết đo từ máy phân tích phổ Hình Kết đo máy sóng Kết đo sử dụng sơ đồ ghép nối (tham khảo hình 5) thể hình hình Hình thể độ dịch tần tín hiệu tổ hợp có độ rộng 10Mhz từ 30 MHz đến 40 MHz với tần số trung tâm 35 MHz Kết đo máy sóng (tham khảo hình 7) cho thấy ứng với điểm giữ chậm 1000 , dao động tín hiệu chuyển từ nhanh sang chậm tương ứng với tần số 30MHz Kết đo từ máy phân tích phổ máy sóng cho thấy tín hiệu tổ hợp báo đảm bảo tham số thiết kế đề mục 4.1 KẾT LUẬN Bài báo trình bày nghiên cứu, thiết kế tổ hợp tín hiệu cho đa liên tục sử dụng tín hiệu điều tần phương pháp tổ hợp số trực tiếp tần số Dựa kết khảo sát nguyên lý hoạt động đa liên tục khảo sát phần 2, báo đề xuất phương án thiết kế tổ hợp tín hiệu điều tần tuyến tính liên tục Bằng việc sử dụng Spartan-3E để điều khiển mô đun AD9957 tổ hợp tần số theo phương pháp trực tiếp ta tạo tín hiệu điều tần tuyến tính liên tục phần báo Kết đo tổ hợp tần số số trực tiếp cho thấy tín Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016 201 Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa hiệu tạo có tham số yêu cầu thiết kế kiểm nghiệm máy phân tích phổ máy sóng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] M.I Skolnik, “Radar Handbook”, 2008 [2] L N Uyên, N Thành, V V Phúc, “Thiết kế chế tạo máy thu đa kênh dùng cho rađa cộng hưởng dải sóng mét sở sử dụng linh kiện tích hợp cao”, Các cơng trình nghiên cứu, phát triển ứng dụng CNTT-TT, tr 54 63, tập V-1, số (26), tháng 9/2011 [3] A Patel, “Signal Generation for FMCW Ultra-Wideband Radar”, Master thesis, 2009 [3] Analog Devices Inc., “A Technical Tutorial on Digital Signal Synthesis”, 1999 [4] J Vankka, “Direct Digital Synthesizers: Theory, Design and Appli-cations”, Doctor thesis, 2000 [5] B.Suresh,, M.V.Srikanth, “Radar Waveform Generator based on DDS”, Int Jour of Adv Research in Comp and Comm Eng., Vol 2, Issue 9, September 2013 ABSTRACT A DESIGN OF WAVEFORM GENERATOR FOR CONTINUOUS WAVE RADAR USING FREQUECY MODULATED BY USING DIGITAL DIRECT SYNTHESIZER METHOD In this paper, we will research, design, and built a frequency synthesizer for the continuous wave radar by applying direct digital synthesizers(DDS) method By studying the linear frequency modulated (LMF) continuous waveform in triangle shape, paper makes clear about principle and theory of operation for CW radar We also propose a design of LMF frequency synthesizer by apply direct digital synthesizer method associate with FPGA and using quadrature modulation of AD9957 device The clarified of this proposal design is confirmed by measure result of modulated waveform Keywords: Continous wave radar, Direct digital synthesizer, Linear frequency modulated, AD9957 device Nhận ngày 15 tháng 06 năm 2016 Hoàn thiện ngày 26 tháng 07 năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 01 tháng 08 năm 2016 Địa chỉ: Viện Ra đa, Viện Khoa học Cơng nghệ qn sự; Học viện Phòng Khơng Không Quân * Emai: minhthang.mta@gmail.com 202 N.M Thắng, N.Đ Hưng, …, “Nghiên cứu, thiết kế tổ hợp… tổ hợp số trực tiếp tần số.” ... cho thấy tín hiệu tổ hợp báo đảm bảo tham số thiết kế đề mục 4.1 KẾT LUẬN Bài báo trình bày nghiên cứu, thiết kế tổ hợp tín hiệu cho đa liên tục sử dụng tín hiệu điều tần phương pháp tổ hợp số. .. Spartan-3E để điều khiển mô đun AD9957 tổ hợp tần số theo phương pháp trực tiếp ta tạo tín hiệu điều tần tuyến tính liên tục phần báo Kết đo tổ hợp tần số số trực tiếp cho thấy tín Tạp chí Nghiên cứu... sở phương pháp tổ hợp số trực tiếp tần số Trong AD9957 tích hợp tổ hợp số trực tiếp tần số, biến đổi số tương tự 14 bít, mạch nhân xung nhịp, lọc số mạch xử lý tín hiệu số khác Tín hiệu băng tần