Für ein vorhandenes Board mit ADC/FPGA soll eine FPGA-Konfiguration entwickelt werden, mit der die Amplituden von RF-Störungen bestimmt werden könen.
Hierbei handelt es sich dabei um ein Software Defined Radio (SDR).
Es soll ein Datenpfad entwickelt werden, der die folgenden Komponenten enthält:
Synthese von Sinus/Cosinus Paaren mit einstellbarer Frequenz. Es muss alle 8ns ein neuer Wert berechnet werden.
- Multiplikation der ADC-Daten mit dem Sinus/Cosinus Paar.(Mischung)
- CIC-Tiefpassfilterung des Ergebnisses mit einstellbarer Bandbreite bis 9 KHz.
Auswertung der gefilterten Signale . Dies kann einschließen:
- Darstellung der Wellenform im Zeitbereich.
- Demodulation anderer Modulationsverfahren.
Inhaltsverzeichnis
KAPITEL 1: EINLEITUNG
1.1 VORSTELLUNG DER FIRMA
1.2 MOTIVATION
1.3 ZIELSETZUNG
1.4 GLIEDERUNG DER ARBEIT
KAPITEL 2: GRUNDLAGEN
2.1 EINFÜHRUNGEN IN DIE PROGRAMMIERBARE LOGIK
2.1.1 Bausteine für den Hardwareentwurf
2.1.2 Architektur von FPGAs
2.1.3 Xilinx FPGA
2.1.4 Hardware Programmiersprachen
2.2 EINGEBETTETE SYSTEME
2.2.1 Prozessor
2.2.2 System-On-Chip
2.3 GRUNDLAGEN DER SDR
2.3.1 Funktionsweise Ideal
2.3.2 Hardwarearchitekturen für SDRs
2.3.3 Überlagerungsempfänger nach dem Heterodynprinzip
2.4 GRUNDLAGEN DER AM-DEMODULATION
2.4.1 Demodulation durch Gleichrichtung
2.4.2 Synchrone-Demodulation
2.4.3 I/Q-Verarbeitung auf ZF-Ebene
KAPITEL 3: ENTWICKLUNG UND ARBEITSUMGEBUNG
3.1 ENTWICKLUNGSUMGEBUNG
3.1.1 Xilinx webpack ISE 9.1
3.1.2 VHDL-Quellcode
3.1.3 Xilinx ChipScope Pro Analyzer
3.1.4 MATLAB
3.2 IP-CORE
3.2.1 DDS-Core
3.2.2 CORDIC-Core
3.2.3 FFT-Core
3.3 ARBEITSUMGEBUNG
3.3.1 Virtex 4 FPGA Evaluation Board
KAPITEL 4: ENTWURF UND IMPLEMENTIERUNG
4.1 ENTWURF
4.1.1 D/A-Wandler
4.1.2 A/D-Wandler
4.2 IMPLEMENTIERUNG
4.2.1 Implementierung des D/A-Wandlers
4.2.2 Implementierung der A/D-Wandler
4.2.3 Implementierung des Datenpfades
4.2.4 Implementierung der Mischer
4.2.5 Implementierung des demodulierten Signals
4.2.6 Test des Bandpassfilters mit dem Rechteck-Signal
KAPITEL 5: FFT-ANALYSE
5.1 FFT ANALYSE FÜR EIN AM-GENERATOR
5.2 FFT-ANALYSE FÜR EIN RECHTECKSIGNAL
KAPITEL 6: FAZIT
Zielsetzung & Themen
Ziel dieser Arbeit ist die Realisierung eines Software Defined Radio (SDR) auf einem FPGA-Board, wobei der Fokus auf der Implementierung digitaler Signalverarbeitungskomponenten wie Mischern, Bandpassfiltern und Demodulationsverfahren liegt. Die Arbeit untersucht, wie diese Funktionen effizient auf einem FPGA-Baustein unter Einsatz von IP-Cores und moderner Mikroelektronik realisiert werden können.
- Entwurf und Implementierung eines SDR-Systems auf einem Virtex-4 FPGA.
- Analyse und Vergleich verschiedener AM-Demodulationsverfahren.
- Nutzung von IP-Cores für Signalverarbeitungsaufgaben (DDS, CORDIC, FFT).
- Validierung des Systementwurfs durch praktische Messreihen und Oszilloskop-Analysen.
- Untersuchung der FFT-basierten Kanalanalyse für AM-Signale.
Auszug aus dem Buch
2.4.3 I/Q-Verarbeitung auf ZF-Ebene
Mit si(t) und sq(t) liegen die beiden Quadraturkomponenten des beliebig modulierten ZF-Signals vor. Andere gebräuchliche Namen der Quadratursignale seien nachfolgend angegeben: Si(t) ist der Imaginärteil bzw. die I-Komponente oder auch die In-Phasen-Komponente. Sq(t) ist der Realteil bzw. die Q-Komponente oder auch Quadratur-Phasen-Komponente.
Abbildung 13: Das Prinzip der AM-Quadraturdemodulation.
Die Mathematische Darstellung lässt sich mit der folgenden Formel entwerfen:
Si(t)= 2. A. [1+ m.s0(t)].cos(2πfTt).cos(2πfL t+φ0)
Sq(t)= 2. A.[1+ m.s0(t)].cos(2πfTt).sin(2πfL t+φ0)
Zusammenfassung der Kapitel
KAPITEL 1: EINLEITUNG: Dieses Kapitel stellt das Unternehmen Trenz Electronic GmbH vor und erläutert die Motivation sowie die Zielsetzung der Arbeit zur Realisierung eines Software Defined Radio auf einem FPGA.
KAPITEL 2: GRUNDLAGEN: Es werden die theoretischen Grundlagen der programmierbaren Logik, eingebetteter Systeme, SDR-Konzepte und verschiedener AM-Demodulationsverfahren vermittelt.
KAPITEL 3: ENTWICKLUNG UND ARBEITSUMGEBUNG: Dieses Kapitel beschreibt die verwendeten Software-Werkzeuge wie Xilinx Webpack ISE, MATLAB und die spezifische Hardwareumgebung des Virtex 4 FPGA Evaluation Boards.
KAPITEL 4: ENTWURF UND IMPLEMENTIERUNG: Hier erfolgt die detaillierte Beschreibung der praktischen Implementierung des D/A-Wandlers, A/D-Wandlers sowie des Datenpfades und der Demodulationslogik.
KAPITEL 5: FFT-ANALYSE: Dieses Kapitel widmet sich der Berechnung und Analyse der Fouriertransformation für verschiedene Eingangssignale zur Kanalanalyse.
KAPITEL 6: FAZIT: Das Fazit fasst die erreichten Ergebnisse zusammen und bestätigt die korrekte Funktion der implementierten digitalen Signalverarbeitungskette auf dem FPGA.
Schlüsselwörter
Software Defined Radio, FPGA, Virtex-4, AM-Demodulation, Digitaler Signalprozessor, IP-Core, DDS-Core, CORDIC-Algorithmus, FFT, Signalverarbeitung, Überlagerungsempfänger, Hardware-Beschreibungssprache, VHDL, A/D-Wandler, D/A-Wandler.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit behandelt die Entwicklung und praktische Implementierung eines Software Defined Radio (SDR) auf einem FPGA-basierten Evaluation Board.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Zentrale Themen sind die digitale Signalverarbeitung, die Arbeit mit FPGA-Architekturen, die Konfiguration von Wandlern (ADC/DAC) und die algorithmische Demodulation von AM-Signalen.
Was ist das primäre Ziel der Forschungsarbeit?
Das Hauptziel ist es, die Effizienz der Signalverarbeitung in Software auf einem FPGA zu demonstrieren und ein voll funktionsfähiges SDR-System zu realisieren.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird ein systemtheoretischer Ansatz verfolgt, der durch den praktischen Entwurf, die Simulation und die messtechnische Verifikation mittels Oszilloskop und ChipScope-Analysen untermauert wird.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Im Hauptteil werden der Entwurf der Hardwarearchitektur, die Implementierung der einzelnen IP-Cores für DDS, CORDIC und FFT sowie die schrittweise Inbetriebnahme des Gesamtsystems beschrieben.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind FPGA-Implementierung, SDR, AM-Demodulation, I/Q-Verarbeitung und digitale Filterung.
Wie erfolgt die Demodulation des Signals bei Trägerschwund?
Durch die Verwendung der I/Q-Signalverarbeitung auf ZF-Ebene können Quadraturverzerrungen bei selektivem Fading vermieden werden, ohne dass eine aufwendige Trägerrückgewinnung erforderlich ist.
Warum wird CORDIC in dieser Arbeit eingesetzt?
Der CORDIC-Core wird zur effizienten Berechnung des Phasenwinkels und für die Demodulationsalgorithmen auf dem FPGA verwendet.
Welche Rolle spielt MATLAB in diesem Projekt?
MATLAB wird genutzt, um die Digitalfiltersteuerung zu berechnen und die entsprechenden Koeffizienten für die Implementierung auf dem FPGA zu bestimmen.
Welche Vorteile bietet das gewählte FPGA Evaluation Board?
Das ML405 Board bietet eine ideale Umgebung für High-Speed I/O-Design und verfügt über alle notwendigen Schnittstellen, um das SDR-Konzept in der Praxis zu erproben.
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- Dipl. Ing. Auguste Feukam-Chindji (Author), 2008, Implementierung eines Software Defined Radio auf einem FPGA, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/115633
