Fachhochschule Köln
Cologne University of Applied Sciences

Fakultät für Informations-, Medien- und
Elektrotechnik, Studiengang Elektrotechnik
Institut für Nachrichtentechnik

Diplomarbeit

Thema: Implementierung eines Software Defined Radio auf einem FPGA
Student : Auguste Feukam Chindji

Abgabedatum : 15. Juli 2008

 

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I: Danksagung

Die vorliegende Diplomarbeit entstand im Rahmen meiner Tätigkeit bei der Firma Trenz Electronic GmbH als Diplomand. Mein Dank gilt Herrn Dipl.-Ing. Thorsten Trenz, Geschäftsführer der Firma Trenz GmbH, für sein Vertrauen in meine Fähigkeiten und Herrn Dipl.-Ing. Kolja Sulimma, der dieses Thema für mich erarbeitet hat. Mein besonderer Dank gilt auch Herrn Prof. Dr.-Ing. Michael Silverberg für seine Unterstützung bei der Durchführung meiner Arbeit. Dazu gehört jede einzelne Diskussion, die wir im Laufe der Zeit geführt haben. Für seine Bereitschaft, das Hauptreferat zu übernehmen, danke ich ebenfalls. Herrn Prof. Dr.-Ing. Heinrich Dederichs danke ich für die Übernahme des Koreferats.

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II: Inhaltsverzeichnis

I: DANKSAGUNG 2

II: INHALTSVERZEICHNIS 3

III: KURZFASSUNG 5

KAPITEL 1: EINLEITUNG 6

1.1 VORSTELLUNG DER FIRMA 6

1.2 MOTIVATION 7

1.3 ZIELSETZUNG 7

1.4 GLIEDERUNG DER ARBEIT 8

KAPITEL 2: GRUNDLAGEN 10

2.1 EINFÜHRUNGEN IN DIE PROGRAMMIERBARE LOGIK 10

2.1.1 Bausteine für den Hardwareentwurf 10

2.1.2 Architektur von FPGAs 15

2.1.3 Xilinx FPGA 16

2.1.4 Hardware Programmiersprachen 19

2.2 EINGEBETTETE SYSTEME 19

2.2.1 Prozessor 20

2.2.2 System-On-Chip 20

2.3 GRUNDLAGEN DER SDR 21

2.3.1 Funktionsweise Ideal 21

2.3.2 Hardwarearchitekturen für SDRs 22

2.3.3 Überlagerungsempfänger nach dem Heterodynprinzip 23

2.4 GRUNDLAGEN DER AM-DEMODULATION 24

2.4.1 Demodulation durch Gleichrichtung 25

2.4.2 Synchrone-Demodulation 27

2.4.3 I/Q-Verarbeitung auf ZF-Ebene 28

KAPITEL 3: ENTWICKLUNG UND ARBEITSUMGEBUNG 30

3.1 ENTWICKLUNGSUMGEBUNG 30

3.1.1 Xilinx webpack ISE 9.1 30

3.1.2 VHDL-Quellcode 32

3.1.3 Xilinx ChipScope Pro Analyzer 33

3.1.4 MATLAB 34

3.2 IP-CORE 36

3.2.1 DDS-Core 36

3.2.2 CORDIC-Core 38

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3.2.3 FFT-Core 40

3.3 ARBEITSUMGEBUNG 41

3.3.1 Virtex 4 FPGA Evaluation Board 41

KAPITEL 4: ENTWURF UND IMPLEMENTIERUNG 44

4.1 ENTWURF 44

4.1.1 D/A-Wandler 44

4.1.2 A/D-Wandler 48

4.2 IMPLEMENTIERUNG 53

4.2.1 Implementierung des D/A-Wandlers 53

4.2.2 Implementierung der A/D-Wandler 55

4.2.3 Implementierung des Datenpfades 57

4.2.4 Implementierung der Mischer 59

4.2.5 Implementierung des demodulierten Signals 60

4.2.6 Test des Bandpassfilters mit dem Rechteck-Signal 62

KAPITEL 5: FFT-ANALYSE 65

5.1 FFT ANALYSE FÜR EIN AM-GENERATOR 65

5.2 FFT-ANALYSE FÜR EIN RECHTECKSIGNAL 66

KAPITEL 6: FAZIT 68

IV: ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS 69

V: ABBILDUNGSVERZEICHNIS 71

VI: LITERATURVERZEICHNIS 73

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III: Kurzfassung

Ziel dieser Arbeit ist die Realisierung eines SDR(Software Defined Radio). Beim Software Defined Radio wird die Radiofrequenz mit einem Mixer auf eine niedrige Zwischenfrequenz umgesetzt. Diese Zwischenfrequenz wird mit Hilfe des Analog/Digital-Wandlers LTC22081 von Linear mit 16 Bit bei 133 MS/s digitalisiert.

Die Demodulation erfolgt durch Software, und zwar mit zwei digitalen Mischern, die nichts anderes als Multiplikatoren sind. Das digitalisierte Signal wird mit den durch DDS erzeugten Sinus/Cosinus-Paaren multipliziert und anschließend mit zwei Bandfiltern gefiltert. Am Ende wird das Signal mit dem 18 Bit- Digital/Analog-Wandler LM45502 bei 48 MS/s wieder umgesetzt, um das Audiosignal an den Lautsprecher weiterzuleiten.

Statt unterschiedlicher Demodulations-Hardware wird ein FPGA eingesetzt, um die Demodulation und weitere Zwischenfrequenz- und Niederfrequenz-Aufgaben wie AGC3 oder Denoising in Software auszuführen.

Abbildung 1: Labor Aufbau

^{1http://www.linear.com.
2 http://www.national.com/opf/LM/LM4550.html.
3 Automatic Gain Control.}

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Kapitel 1: Einleitung
1.1 Vorstellung der Firma

Diese Diplomarbeit entstand im Auftrag und mit der Unterstützung der Firma Trenz Electronic GmbH. In diesem Abschnitt wird Trenz Electronic GmbH kurz vorgestellt.

Die Firma Trenz Electronic GmbH wurde 1992 als Personengesellschaft gegründet und im Jahre 2002 in eine GmbH umgewandelt. Der Geschäftsführer und Gründer der Firma ist Herr Dipl. Ing. Thorsten Trenz. Er wird von fünf weiteren Mitarbeitern bei der täglichen Arbeit unterstützt. Trenz Electronic GmbH entwickelt, fertigt und vertreibt Embedded-Produkte für den industriellen Einsatz und zwar

- FPGA Boards

- ARM CPU Module

- Embedded Device Server

- Kommunikation

- Digital Ein-/Ausgabe

- Industrielle Flash Speicher

Die Firma Trenz Electronic GmbH bietet umfangreiche Dienstleistungen für die Entwicklung und Realisierung elektronischer Komponenten und Systeme. Das Portfolio besteht aus:

- Hardware Entwicklung

- Software Entwicklung

- HDL Design

- Beratung

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1.2 Motivation

Anfang der 90er Jahre beschrieb Joseph Mitola [1] die Idee, die Signalverarbeitung von Funksignalen statt durch Hardwarekomponenten komplett durch Software oder programmierbare Digitalhardware (DSPs oder FPGAs) zu realisieren. Dabei sollten die empfangenen Funksignale durch A/D-Wandler digitalisiert werden, um danach durch einen universellen Prozessor mit den gewünschten Software-Routinen weiterverarbeitet zu werden. Man erkannte aber schnell, dass so ein ideales Software-Radio Probleme mit sich brachte: Bei hohen Trägerfrequenzen im GHz-Bereich benötigt man sehr schnelle und hoch auflösende A/D- bzw. D/A-Wandler, um das Signal zu empfangen bzw. zu senden. Außerdem würden solche schnellen Wandler enorm viel Energie benötigen. Deshalb hat man sich zu dem Kompromiss entschlossen, die Signale analog auf eine niedrigere Zwischenfrequenz oder direkt ins Basisband herunter zumischen, um dann die Signale zu digitalisieren und durch Software-Routinen weiter zu verarbeiten.

Meine Diplomarbeit soll eine Antwort auf die Frage liefern: Warum möchte man die Signale durch Software verarbeiten?

1.3 Zielsetzung

Durch den Einsatz modernster Mikroelektronik ist es möglich geworden, kleine, kompakte, verlustleistungsarme und störsichere Datenempfänger zu realisieren. Als Anwendungsbeispiel wurde ein SDR gebaut. Für eine konkurrenzfähige Empfängerentwicklung ist es nötig, die neuartigen Übertragungsverfahren mit einer komplex Signalisierung, Codierung und Verschlüsselung auszurüsten. Die FPGA-Technik erlaubt die Realisierung recht anspruchsvoller Algorithmen zur Signalverarbeitung und ermöglicht zumeist eine Online Datenverarbeitung .Ein Mikroprozessor-System ist oft nicht in der Lage, mächtige Algorithmen in der geforderten Zeit in Software abzuarbeiten. Die Vorteile der FPGAs in der Empfängerentwicklung sind weitreichend. Moderne Entwicklungswerkzeuge für FPGA-Bausteine bieten teilweise bereits eine automatische Umsetzung der Schaltungsidee in eine FPGA­Schaltung. Es lassen sich einfache komplexe

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Grundfunktionen mit Hilfe einer Schaltungssynthese erzeugen. Es fehlt aber eine aussagekräftige datenbankorientierte Entscheidungshilfe für den Entwickler. Es gilt einen vorteilhaften Algorithmus zu finden. Dies ist z.B. bei der Frage der Fall, welche Schaltung zur Frequenzerzeugung in Bezug auf Platzverbrauch und Leistungsverbrauch günstig in einen FPGA-Baustein realisiert werden kann und wie groß die auftretende Frequenz- und Phasenfehler sind. Weiterhin ist festzulegen, ob die FPGA-Gatterkomplexität zwar schon im Bereich von 10. 000 Gatteräquivalenten eines NAND-Gatters mit zwei Eingängen liegt, so dass bei einem günstigen Algorithmus eine konventionelle FPGA-Implementierung noch möglich sein kann. Darauf kann man das Cordic-Core von Xilinx anwenden. Die Realisierung eines SDR umfasst eine Vielzahl von andersartigen Problemstellungen. Diese reichen von klassischen nachrichten-technischen Problemstellungen, wie Modularisierung, Schnittstellenfindung und Schnittstellendefinition bis hin zu informationstechnischen Fragen der Speicherung und Komprimierung der über Mittelwelle ausgestrahlten (Wetter) Bilddaten.

Die Erkenntnisse sind nicht nur bei Mittelwellenempfängern, sondern auch bei Empfängertypen anderer Frequenzbereiche anwendbar. Festfrequenzempfänger wie die gebräuchlichen Funkuhrempfänger bestehen im Wesentlichen aus einem Antennenkreis mit Verstärkung, einer schmalbandigen Festfrequenzenfilterung und einem Amplitudendemodulator, der in Form eines Gleichrichters mit nachgeschaltetem Tiefpass-Filter realisiert wird.

1.4 Gliederung der Arbeit

Meine Arbeit beschränkt sich auf vier wesentliche Problemstellungen beim Entwurf eines SDR, die in einem FPGA besonders effizient realisiert werden können.

Die erste behandelte Problemstellung befasst sich mit der Erzeugung des Sinus/Cosinus-Paares, das mit der DDS-Core durchgeführt wird (Kapitel 3).

Die zweite Problemstellung lautet: wie kann eine Variation der Bandbreiten nach einer entsprechenden ADC (Analog/Digital-Wandler) vorteilhaft mit digitalen Filtern durchgeführt werden. Dabei wird ein Bandpassfilter mit 9 KHz Bandbreite entworfen (Kapitel 4).

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