Implementierung eines Software Defined Radio auf einem Field Programmable Gate Array (FPGA)

Diploma Thesis , 2008 , 74 Pages , Grade: 1,7

Electrotechnology

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

• I: DANKSAGUNG
• II: INHALTSVERZEICHNIS
• III: KURZFASSUNG
• 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 1/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 Chip Scope 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

Zielsetzung und Themenschwerpunkte

Diese Diplomarbeit befasst sich mit der Implementierung eines Software Defined Radio (SDR) auf einem FPGA. Das Ziel ist es, die Demodulation von AM-Signalen in Software zu realisieren, anstatt auf spezialisierte Hardware zurückzugreifen. Dies ermöglicht Flexibilität und Anpassungsfähigkeit des Empfängers an verschiedene Anforderungen.

• Programmierbare Logik und FPGAs als Grundlage für SDR-Implementierungen
• Entwurf und Implementierung eines SDR-Empfängers für AM-Signale auf einem FPGA
• Anwendung von Digital Signal Processing (DSP)-Techniken wie FFT und Bandpassfilterung für die Demodulation
• Verwendung von IP-Cores für die Implementierung von Funktionen wie DDS und CORDIC
• Analyse der Performance und der Genauigkeit der SDR-Implementierung

Zusammenfassung der Kapitel

Kapitel 1 stellt die Firma Trenz Electronic GmbH vor und erläutert die Motivation und Zielsetzung der Diplomarbeit. Kapitel 2 behandelt die Grundlagen der programmierbaren Logik, eingebetteter Systeme, SDR und AM-Demodulation. Kapitel 3 beschreibt die Entwicklungsumgebung und die verwendeten IP-Cores. Kapitel 4 erläutert den Entwurf und die Implementierung des SDR-Empfängers, einschließlich der Implementierung des D/A-Wandlers, des A/D-Wandlers, des Datenpfades, der Mischer und des demodulierten Signals. Kapitel 5 präsentiert die FFT-Analyse des demodulierten Signals.

Schlüsselwörter

Software Defined Radio (SDR), FPGA, AM-Demodulation, Digital Signal Processing (DSP), FFT, Bandpassfilter, IP-Cores, DDS, CORDIC, Virtex 4 FPGA, Xilinx webpack ISE, VHDL, MATLAB

• College: Cologne University of Applied Sciences (Institut für Nachrichtentechnik)
• Course: Diplomarbeit
• Grade: 1,7
• Author: Dipl. Ing. Auguste Feukam-Chindji (Author)
• Publication Year: 2008
• Pages: 74
• Catalog Number: V116080
• ISBN (eBook): 9783640178070
• ISBN (Book): 9783640178186
• Language: German
• Tags: Implementierung, Software, Defined, Radio, FPGA, Diplomarbeit