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

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.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
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 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 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 2 3 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 Kích thước (cm): 4 17,2 x 8,5 Dài x Rộng 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 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 191  Kỹ thuật điện tử 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 192 N.T. Minh, L.T. Hải, T.Đ. Lâm, … , “Giải pháp xử lý tín hiệu số … vô tuyến P-625.” Nghiên cứu khoa học công nghệ 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 ...