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 LTC2208 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 LM4550 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 AGC oder Denoising in Software auszuführen.
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
Das primäre Ziel dieser Arbeit ist die Realisierung eines Software Defined Radio (SDR) auf einem FPGA-Board. Hierbei soll die Signalverarbeitung, insbesondere die Demodulation eines AM-Signals, effizient in Software auf dem FPGA-Baustein umgesetzt werden, anstatt spezialisierte Demodulations-Hardware zu verwenden.
- Grundlagen der programmierbaren Logik und FPGAs
- Konzeption und Architektur von Software Defined Radios
- Methoden der AM-Demodulation und I/Q-Verarbeitung
- Praktische Implementierung auf einem Virtex-4 FPGA
- Einsatz von IP-Cores für Signalverarbeitungsaufgaben
- FFT-basierte Kanalanalyse und Systemverifikation
Auszug aus dem Buch
2.4.1 Demodulation durch Gleichrichtung
Der prinzipielle Ablauf einer Nachricht wird in dem unterstehenden Bild dargestellt:
Abbildung 8: Grundlagen der Demodulation.
Jedoch ist das FPGA Board der Empfänger. Ein Signal kann eine physikalische Repräsentation von Daten sein, meistens elektrische Spannung oder Strom. Es gibt grundsätzlich zwei Arten von Signalen:
- Analogsignal (zeitkontinuierlich und wertkontinuierlich)
- Digitalsignal (zeitdiskret und wertdiskret)
Die hier betrachteten wichtigsten Signale sind Sinus und Kosinus mit Phasenverschiebung.
Die Demodulation ist die Wiedergewinnung der Information, die zuvor durch Modulation auf einen Träger aufmoduliert wurde. Bei der Demodulation werden ein oder mehrere informationstragende Parameter (z. B. Frequenz, Phase, Amplitude, Tastverhältnis) des modulierten Trägers ausgewertet und zur weiteren Verarbeitung einer technischen Größe wiederum aufgeprägt. Schaltungen zur Demodulation werden Demodulator genannt.
Nun sei:
so (t): Nachrichtensignal mit | So (t)|<= 1.
so (f): Spektrum des Nachrichtensignals.
So (f) ist in der Regel Bandbegrenzt, z.B.: Auf 4,5 kHz bei Mittelwelle.
m: Modulationsgrad: m<= 1.
A: Trägeramplitude.
ft : Trägerfrequenz.
Zusammenfassung der Kapitel
KAPITEL 1: EINLEITUNG: Dieses Kapitel stellt die beteiligte Firma vor, erläutert die Motivation für den Einsatz von Software Defined Radios und definiert die Zielsetzung sowie die Gliederung der Arbeit.
KAPITEL 2: GRUNDLAGEN: Hier werden die theoretischen Grundlagen zu programmierbarer Logik, FPGAs, eingebetteten Systemen sowie die Prinzipien von SDR und AM-Demodulation dargelegt.
KAPITEL 3: ENTWICKLUNG UND ARBEITSUMGEBUNG: Dieses Kapitel beschreibt die verwendeten Software-Werkzeuge wie Xilinx ISE, MATLAB und die genutzte Hardware, insbesondere das Virtex 4 FPGA Evaluation Board.
KAPITEL 4: ENTWURF UND IMPLEMENTIERUNG: Dieser Abschnitt widmet sich der praktischen Umsetzung des Projekts, vom Entwurf der D/A- und A/D-Wandler bis hin zur Implementierung des Datenpfades, der Mischer und des Bandpassfilters.
KAPITEL 5: FFT-ANALYSE: In diesem Kapitel wird die Kanalanalyse mittels FFT-Algorithmus für AM-Signale und Rechtecksignale durchgeführt und ausgewertet.
KAPITEL 6: FAZIT: Das Fazit fasst die Ergebnisse der Arbeit zusammen und bestätigt die erfolgreiche Implementierung der gesamten Signalverarbeitungskette auf dem FPGA.
Schlüsselwörter
Software Defined Radio, SDR, FPGA, Virtex-4, AM-Demodulation, I/Q-Verarbeitung, CORDIC-Core, DDS-Core, Signalverarbeitung, Bandpassfilter, FFT, Digitale Signalverarbeitung, Hardwareentwurf, Schnittstellen, Signalrekonstruktion.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Diplomarbeit befasst sich mit der Entwicklung und Implementierung eines Software Defined Radios (SDR) auf einem FPGA-Baustein, um die Signalverarbeitung flexibel in Software abzubilden.
Was sind die zentralen Themenfelder der Arbeit?
Die zentralen Themen umfassen FPGA-Architekturen, die Konzeption von SDR-Systemen, mathematische Verfahren der AM-Demodulation sowie die praktische Anwendung von Signalverarbeitungsalgorithmen.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Ziel ist der Aufbau eines SDR, bei dem Demodulations- und Filteraufgaben effizient durch den Einsatz von FPGAs und spezifischen IP-Cores gelöst werden.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit nutzt einen systemtheoretischen Ansatz zum Vergleich von Demodulationsverfahren, gefolgt von einer praktischen Implementierung und Verifikation mittels Oszilloskop-Messungen und FFT-Analyse.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil behandelt den Entwurf, die Implementierung der Wandler, den Aufbau des Datenpfades, die Konfiguration der Mischer und die Analyse der Signale mittels FFT.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Schlagworte sind Software Defined Radio, FPGA, AM-Demodulation, CORDIC, DDS-Core, Signalverarbeitung und FFT-Analyse.
Wie wurde die Kommunikation zwischen FPGA und Codec realisiert?
Die Kommunikation erfolgt über das AC'97-Protokoll, wobei der FPGA die Aufgabe übernimmt, serielle Datenströme in Frames zu strukturieren und die entsprechenden Register zu konfigurieren.
Welche Vorteile bietet die verwendete I/Q-Verarbeitung auf ZF-Ebene?
Dieser Ansatz ermöglicht eine Demodulation ohne Quadraturverzerrungen bei Trägerschwund und macht eine aufwendige Trägerrückgewinnung überflüssig.
Warum ist der Einsatz von IDELAY-Blöcken im LTC2208-Design notwendig?
Die IDELAY-Blöcke dienen der präzisen zeitlichen Synchronisation der Sampling-Daten des A/D-Wandlers mit dem Systemtakt des FPGA.
- Quote paper
- Dipl. Ing. Auguste Feukam-Chindji (Author), 2008, Implementierung eines Software Defined Radio auf einem Field Programmable Gate Array (FPGA), Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/116080
