Luận Văn Thiết kế bộ tổ hợp tần số trực tiếp DDS trên công nghệ FPGA

MỞ ĐẦU
Ngày nay do khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển đặc biệt với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện tử-vi điện tử đã tạo ra nhiều ứng dụng rất to lớn trong cuộc sống của loài người. Một trong những ứng dụng sát thực nhất của kỹ thuật điện tử-vi điện tử là lĩnh vực viễn thông. Lĩnh vực này đã có được những thành tựu vượt bậc trong hệ thống viễn thông công cộng và trong cả quân sự. Trong quân sự, các thiết bị được sử dụng nhiều nhất là các thiết bị thu phát vô tuyến và nó cũng có một vai trò hết sức quan trọng. Vì vậy, yêu cầu chung đối với các thiết bị thu phát vô tuyến là phải có độ ổn định tần số cao, bước tần nhỏ và có thể thay đổi tần số một cách linh hoạt.
Hiện nay, trang thiết bị vô tuyến trong biên chế của quân đội Việt Nam hầu hết được nhập từ nước ngoài về và thuộc nhiều chủng loại nhiều thế hệ khác nhau. Thiết bi analog gồm các trang bị được lắp ráp từ các linh kiện khá cũ như bán dẫn và vi mạch rời Các trang bị loại này chiếm một tỷ lệ khá cao, khoảng 40 - 50%. Thế hệ bắt đầu sử dụng IC tích hợp thấp, tốc độ và khả năng xử lý còn hạn chế chiếm khoảng 20- 25%. Các trang thiết bị thế hệ mới có sự tham gia của các vi mạch tích hợp cao,với khả năng xử lý phong phú. Loại này chiếm khoảng 15 - 20%.
Trong quân đội ta, hiện nay còn có nhiều trang bị thông tin vô tuyến cấp chiến thuật đã cũ và lạc hậu, trong quá trình khai thác và sửa chữa gặp rất nhiều khó khăn. Vì vậy việc cải tiến và nâng cấp trang thiết bị hiện có là một yêu cầu cấp thiết trong quá trình hiện đại hóa quân đội Việt Nam hiện nay.
Từ những lý do nêu trên, việc nghiên cứu và thiết kế các modun để thay thế cho các modun trong thiết bị là một hướng đi đúng đắn. Trước mắt phục vụ cho công tác bảo đảm kỹ thuật sửa chữa thay thế, đồng thời tạo cơ sở cho việc thiết kế chế tạo các thiết bị mới trong tương lai. Bộ tổng hợp tần số là một bộ phận rất quan trọng và quyết định chất lượng của các thiết bị thông tin vô tuyến. Vì vậy thu hút được sự quan tâm khi nghiên cứu cải tiến. Yêu cầu chung đối với bộ tổng hợp tần số là tạo ra một dải tần rộng, độ chính xác cao, bước tần hẹp, khả năng thiết lập tần số nhanh
Kỹ thuật tổ hợp tần số trực tiếp ( DDS ) là kỹ thuật điều khiển số,cho phép tạo ra mạng tần số từ một số tần số chuẩn. Nó có độ chính xác cao, bước tần hẹp, điều chỉnh băng rộng
Hướng đi của đề tài là thiết kế bộ tổ hợp tần số trực tiếp (DDS) và trên cơ sở nghiên cứu các công nghệ tiên tiến hiện có tại nước ta, đề tài thực hiện : “ Thiết kế bộ tổ hợp tần số trực tiếp DDS trên công nghệ FPGA ”
Yêu cầu đặt ra là thiết kế bộ tổ hợp tần số trực tiếp DDS trên công nghệ FPGA, chế tạo thử nghiệm, đo đặc kiểm tra, đánh giá các tham số kỹ thuật.
Nội dung đồ án gồm 4 chương :
- chương 1: Tổng quan về các phương pháp tổng hợp tần số.
- chương 2: Phương pháp tổng hợp tần số trực tiếp.
- chương 3: Tổng quan về công nghệ FPGA .
- chương 4: Thiết kế, chế tạo thử nghiệm .

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1: CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔ HỢP TẦN SỐ
1.1 Khái quát về tổ hợp tần số
1.2 Cơ sở lý thuyết các phương pháp tổ hợp tần số
1.2.1 Phương pháp tổ hợp tần số thụ động
1.2.2 Phương pháp tổ hợp tần số tích cực
1.2.3 Phương pháp tổ hợp tần số trực tiếp
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP TỔ HỢP TẦN SỐ TRỰC TIẾP
2.1 Sơ đồ khối DDS 14
2.2 Tính chất của phương pháp tổ hợp tần số trực tiếp .25
2.3 Lựa chọn và sử dụng DDS .28
2.4 Một số ứng dụng của DDS .32
2.4.1 Điều chế tần số (FM) 33
2.4.2 Điều chế pha (PM hoặc FM) 34
2.4.3 Điều chế biên độ (AM) .36
2.4.4 Điều chế xung (Pulse modulation) .36
2.4.5 Tạo ra các dạng sóng phức tạp .37
CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ FPGA .38
3.1 Cấu trúc FPGA .38
3.2 Phân loại FPGA 41
3.3 Ứng dụng của FPGA 44
3.4 Quá trình thiết kế cơ bản trên FPGA 44
3.4.1 Tối ưu logic 45
3.4.2 Ánh xạ công nghệ .46
3.4.3 Sắp đặt các phần tử (Placement) 46
3.4.4 Định tuyến trên FPGA (Rounting) 48
3.4.5 Tải nạp chương trình 49
3.5 Giới thiệu về FPGA của hãng Xilinx .49
3.5.1 Các loại FPGA trên thị trường .49
3.5.2 Các họ FPGA của hãng Xilinx .50
3.5.3 Giới thiệu về phần mềm thiết kế ISE phiên bản 7.1i 51
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ TỔ HỢP TẦN SỐ TRỰC TIẾP TRÊN FPGA 53
4.1 Sơ đồ chức năng thiết kế 53
4.1.1 Bộ tích luỹ pha .55
4.1.2 Khối điều chế pha .57
4.1.3 Khối lượng tử pha .57
4.1.4 Khối chuyển đổi pha thành biên độ 59
4.2 Kiểm tra hoạt động của thiết kế khối NCO 61
4.3 Khối hiển thị .62

KẾT LUẬN 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO
Phục lục 1 : Giới thiệu bo mạch Spartan-3 stater kit
Phục lục 2 : Bảng giá trị nạp cho ROM và các chương trình thiết kế bộ tổ hợp tần số DDS viết bằng ngôn ngữ VHDL trên ISE