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

Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016 197 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 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. Bài báo cũng đề xuất phương án thiết kế bộ tổ hợp tín hiệu điều tần tuyến tính liên tục theo phương pháp tổ hợp số trực tiếp dựa trên công 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 quả của nghiên cứu sẽ được giới thiệu và đánh giá với bộ 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 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Tín hiệu điều tần là dạng tín hiệu điều chế được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực thông tin liên lạc, ra đa cảnh giới, ra đa viễn thám, hệ thống đo cao, hệ thống giám sát chất lượng. Trong các ứng dụng sử dụng tín hiệu điều tần, lĩnh vực nghiên cứu liên quan tới ra đa liên tục sử dụng tín hiệu điều tần đã có quá trình phát triển lâu dài và được phát triển rộng rãi trong những năm gần đây [1]-[5]. Đặc biệt trong lĩnh vực quân sự, cùng với việc phát triển của công nghệ bán dẫn và các hệ thống xử lý số thông tin tốc độ cao, thời gian gần đây đã có nhiều hệ thống ra đa liên tục được giới thiệu như hệ thống cảnh giới Cam Shell 76N6, hệ thống ra đa ELM- 2112, hệ thống ra đa Ranger R20SS, v.v. Tại Việt Nam, lĩnh vực nghiên cứu ra đa liên tục cũng đã được quan tâm tuy nhiên vẫn thiếu những nghiên cứu chuyên sâu, mang tính chất nền tảng cho việc nghiên cứu, phát triển và ứng dụng chủng loại ra đa này trong thực tiễn. Trong bối cảnh nghiên cứu như trên, bài báo 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. Trước tiên, nguyên lý hoạt động của ra đa liên tục được làm rõ bằng việc khảo sát tín hiệu điều tần tuyến tính dạng tam giác. Dựa trên kết quả khảo sát nguyên lý hoạt động của ra đa liên tục, bài báo đề xuất phương án thiết kế bộ tổ hợp tín hiệu điều tần tuyến tính liên tục theo phương pháp tổ hợp số trực tiếp tần số dựa trên công nghệ vi mạch tích hợp khả trình FPGA kết hợp với linh kiện điều chế cầu phương I/Q AD9957. Kết quả của nghiên cứu sẽ được giới thiệu và đánh giá với bộ tham số thiết kế đầu vào. 2. TỔ HỢP TÍN HIỆU TRONG RA ĐA ĐIỀU TẦN TUYẾN TÍNH LIÊN TỤC 2.1. Nguyên lý hoạt động của ra đa liên tục sử dung tín hiệu điều tần Ra đa liên tục có thể sử dụng dạng điều tần tuyến tính để đo cả khoảng cách và tần số Đốp le. Trong thực tế ra đa liên tục, dạng sóng điều tần tuyến tính được thay Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa N.M. Thắng, N.Đ. Hưng, , “Nghiên cứu, thiết kế bộ tổ hợp tổ hợp số trực tiếp tần số.” 198 đổi theo độ rời rạc đủ nhỏ để đáp ứng được yêu cầu về độ chính xác khi đo khoảng cách và vận tốc mục tiêu. Tín hiệu phản xạ từ mục tiêu ngoài việc phụ thuộc vào khoảng cách R đến mục tiêu còn phụ thuộc vào vận tốc hướng tâm của mục tiêu so với đài phát. Hình 1 miêu tả miêu tả sóng điều tần liên tục sử dụng dạng sóng điều tần tam giác và tín hiệu phản xạ từ mục tiêu ở khoảng cách R đối với mục tiêu không chuyển động, còn Hình 2 là đối với mục tiêu chuyển động. Hình 1. Tần số truyền, nhận và tần số phản xạ cho trường hợp mục tiêu không chuyển động. Hình 2. Tần số truyền, nhận và tần số phản xạ cho trường hợp mục tiêu chuyển động. Trong trường hợp mục tiêu không chuyển động, tần số phách được định nghĩa theo công thức: = − = 2∆ 2 (1) Trong đó: :độ di tần ( độ lệch tần cực đại ) ∆: độ dịch tần của điều chế : chu kì dịch tần : khoảng cách từ mục tiêu đến đài Trong trường hợp mục tiêu chuyển động với vận tốc khác không, khi đó trong thành phần tín hiệu phản xạ sẽ mang thêm thành phần Đốp le. Khi đó mối quan hệ giữa tín hiệu truyền và tín hiệu phản xạ sẽ được biểu diễn trên hình 2. Khi mục tiêu chuyển động, tần số phản xạ sẽ được cộng thêm thành phần Đốp le, lượng tần số cộng vào sẽ mang dấu dương (nếu mục tiêu chuyển động lại gần so với ra đa) và mang dấu âm (nếu mục tiêu chuyển động ra xa so với ra đa), khi đó ta tính được: Tần số phách (Up Beat frequency) nửa chu kì dịch tần lên: = 4∆ − 2 (2) Tần số phách (Dp Beat frequency) nửa chu kì dịch tần xuống: = 4∆ + 2 (3) Trong đó: : tốc độ hướng tâm của mục tiêu so với ra đa. Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016 199 : bước sóng tương ứng với tần số trung tâm Khi đó khoảng cách thu được từ công thức sau: = 8∆ ( + ) (4) Tốc độ mục tiêu sẽ được tính theo công thức: = 4 ( − ) (5) 2.2. Phương pháp tổ hợp số trực tiếp tần số Tổ hợp số trực tiếp DDS (Direct Digital Synthesizer) hoặc NCO (Numerically Controlled Oscillator), là một phần tử quan trọng trong hệ thống truyền thông, hệ thống ra đa hiện đại và trong một vài hệ thống điện tử khác. Tổ hợp số trực tiếp tần số được sử dụng rộng rãi để thay đổi tần số lấy mẫu tín hiệu, các kiểu điều chế hoặc giải điều chế, và thực thi một số dạng mã hóa tín hiệu như là PSK, FSK, và MSK. Thông thường cách thức hoạt động của nó là tạo một tín hiệu hình sin (cầu phương hoặc không) dựa vào một bảng tra. Bảng tra chứa các mẫu của tín hiệu hình sin. Phương pháp này tạo ra độ chính xác tần số cao, độ ổn định của tần số theo nhiệt độ và thời gian là rất cao, dải điều chỉnh tần số rộng, tốc độ điều chỉnh tần số rất nhanh. 3. CẤU TRÚC BỘ TẠO TÍN HIỆU 3.1. Thiết kế cấu trúc bộ tạo tín hiệu Cấu trúc bộ tạo tín hiệu đề xuất trong nguyên cứu này bao gồm 2 mô đun chính: mô đun AD9957 và mô đun vi xử lý khả trình FPGA trong đó mô đun vi mạch khả trình FPGA đóng vai trò thiết lập tham số thanh ghi khởi tạo cho linh kiện AD9957 và cung cấp tham số I/Q trong quá trình điều chế cầu phương thực hiện bởi mô đun AD9957. 3.1.1. Mô đun vi mạch tổ hợp tần số AD9957 AD9957 tạo ra tín hiệu băng tần cơ sở bằng phương pháp tổ hợp số trực tiếp tần số. Trong AD9957 tích hợp một bộ tổ hợp số trực tiếp tần số, một bộ biến đổi số - tương tự 14 bít, mạch nhân xung nhịp, bộ lọc số và các mạch xử lý tín hiệu số khác. Tín hiệu băng tần cơ sở có thể được tạo ra có thể được điều chế biên độ, pha, tần số một cách dễ dàng bằng cách nạp dữ liệu cho các thanh ghi qua các chân vào ra nối tiếp và các chân truyền dữ liệu song song. AD9957 có 3 chế độ hoạt động cơ bản: chế độ điều chế cầu phương, chế độ nội suy DAC, chế độ tạo xung đơn. Trong khuôn khổ nội dung bài báo này ta chỉ quan tâm đến chế độ điều chế cầu phương để tạo ra được tín hiệu điều tần tuyến tính liên tục. 3.1.2. Mô đun vi mạch khả trình FPGA Trong nghiên cứu, nhóm tác giả đề xuất vi mạch tích hợp khả trình Spartan-3E là họ FPGA của Xilinx với nhiều ưu điểm nổi bật. Đầu tiên phải kể đến là khả năng tích hợp của 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 dữ liệu với tốc độ khá cao. 200 cho mô đun vi m nh tuy 3.2 trong vi mô đun AD9957. Phương pháp chung giá tr bảng giá trị khởi tạo để tổ hợp đ nhóm tác gi trìn trực tiếp đ trong đó: bít c 3.3 thi V ững tín hiệu theo b ến tính li . Nguyên lý ho Như đ h FPGA c ủa từ điều khiển tần số . S Đ ết bị theo s Máy N.M. Th ới nhữn ị I v ản phẩm thực tế v Hình 3 ể nạp ch tính ã nói ệc điều khiển v à Q. B ư Hình ắng, N.Đ. H g ưu đi ên t ả sử dụng l ợc tính theo công thức sau: . ục. ở tr ủa Xilinx để thiết kế bộ tổ hợp tần số. Tần số đầu ra của bộ tổ hợp số : tầ Mô đun Spartan 5. ương tr ơ đ ạch khả tr ạt động của l ộ tích phân số đ n s Sơ đ ồ đư M XILINX ểm nh ên, mô đun vi m ố ình và ợc mô tả nh ạch n ưng, ài toán đ à truy õi lô gic DDS đồng h ồ ghép nối để nạp ch ạ ư v à sơ đ p ình FPGA ền số liệu I/Q trong quá tr ồ . đánh giá k , “Nghiên c ậy ta ho ề ra v õi DDS CORE chu ồ ghép nối -3E ược sử dụng để đ ư ẩn . ư trong Spartan àn toàn có th à c ạch khả tr ợc tân số mong muốn. Trong nghi , ∆ ứu, thiết kế bộ tổ hợp đ ụ thể ở đây sẽ l ở đây l đư = : ết quả tín hiệu đ h ể điều khiển mô đun AD9957 để tổ hợp ợc phát triễn hỗ trợ cho họ vi mạch khả 2 giá tr ương tr ình 5 -3E ∆ ( ình FPGA à kh ) ị của từ điều khiển tần số Hình . ể sử dụng linh kiện Spartan ởi tạo một bảng ưa ra tham s ình và Mô đun AD9957 K à t ình t 4. Mô đun đánh giá k ã đư ỹ thuật si ạo ra tín hiệu điều tần đóng vai tr ợc tạo ra ta lắp đặt các tổ hợp số trực tiếp tần số ổ hợp số trực tiếp tr ố về pha kết hợp với AD9957 êu cao t tham kh ết quả ò quan tr ên c Máy phân tích ph hi ần & Ra đa , . . Máy ện ảo các ứu n ( sóng - ọng ): ổ .” 3E ên ày, (6) số Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016 201 4. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 4.1. Tham số thiết kế Nhóm tác giả đã thiết kế các mô đun phần cứng, xây dựng chương trình phần mềm để tạo ra tín hiệu điều tần tuyến tính liên tục dạng tam giác. Trong quá trính khảo sát, nhóm tác giả đã tiến hành đo đạc, kiểm thử với nhiều bộ thám số khác nhau với tần số trung tâm có giá trị từ = 10 MHz đến = 150 MHz, độ dịch tần thay đổi từ Δ = 1 MHz đến Δ = 20 MHz. Do giới hạn của bài báo, kết quả đo được giới thiệu trong bài báo được tiến hành với bộ tham số chính như sau: Tần số trung tâm = 35 MHz. Độ dịch tần Δ = 10 MHz. Chu kì dịch tần T = 1000. 4.2. Kết quả đo đối với sản phẩm thực nghiệm Hình 6. Kết quả đo từ máy phân tích phổ. Hình 7. Kết quả đo bằng máy hiện sóng. Kết quả đo sử dụng sơ đồ ghép nối (tham khảo hình 5) được thể hiện như hình 6 và hình 7. Hình 6 thể hiện độ dịch tần của tín hiệu tổ hợp có độ rộng 10Mhz từ 30 MHz đến 40 MHz với tần số trung tâm là 35 MHz. Kết quả đo bằng máy hiện sóng (tham khảo hình 7) cho thấy ứng với tại điểm giữ chậm 1000, dao động của tín hiệu chuyển từ nhanh sang chậm tương ứng với tần số 30MHz. Kết quả đo từ máy phân tích phổ và máy hiện sóng đã cho thấy tín hiệu được tổ hợp trong bài báo đảm bảo được tham số thiết kế đã đề ra trong mục 4.1. 5. KẾT LUẬN Bài báo đã 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. Dựa trên kết quả khảo sát nguyên lý hoạt động của ra đa liên tục được khảo sát trong phần 2, bài báo đã đề xuất phương án thiết kế bộ 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 có thể tạo ra được tín hiệu điều tần tuyến tính liên tục trong phần 3 của bài báo. Kết quả đo bộ tổ hợp tần số số trực tiếp cho thấy tín thời gian giữ chậm Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa N.M. Thắng, N.Đ. Hưng, , “Nghiên cứu, thiết kế bộ tổ hợp tổ hợp số trực tiếp tần số.” 202 hiệu được tạo ra có các tham số đúng như yêu cầu thiết kế và được kiểm nghiệm bằng máy phân tích phổ và máy hiện 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 trên cơ sở sử dụng linh kiện tích hợp cao”, Các công trình nghiên cứu, phát triển và ứng dụng CNTT-TT, tr. 54 - 63, tập V-1, số 6 (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 bài 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: 1 Viện Ra đa, Viện Khoa học và Công nghệ quân sự; 2 Học viện Phòng Không Không Quân. * Emai: minhthang.mta@gmail.com