I. Tổng Quan Về Thiết Kế Mạch Tổng Hợp Tần Số Cao Trên FPGA
Ngày nay, các mạch số ngày càng được sử dụng rộng rãi. Rất nhiều mạch tương tự đang được chuyển sang số. Các mạch tổng hợp tần số tương tự cũng dần được thay thế bởi bộ tổng hợp tần số trực tiếp. Các bộ tổng hợp tần số loại này có ưu điểm là chuyển tần số nhanh, độ phân giải tần số cao, không có hiện tượng dịch pha. Nó còn cho phép điều chế tần số và pha trên tín hiệu số. Trước đây, công nghệ DDS chỉ dùng trong các thiết bị quân sự, High end do chi phí cao, công suất tiêu thụ lớn, khó thực hiện và yêu cầu bộ DAC tốc độ FDR. Ngày nay, dưới sự phát triển của công nghệ bán dẫn, các bộ này ngày càng được sử dụng rộng trên nhiều thiết bị đặc biệt là các thiết bị RA/DA, thiết bị không dây, điện thoại di động, thiết bị vệ tinh, thiết bị y tế. Đặc biệt, tổng hợp tần số trực tiếp (FDSS) còn có ý nghĩa trong các phương tiện đo lường do nó cho phép tạo ra các tần số có độ chính xác cao, độ phân giải cao. Đây là những tham số rất cần thiết cho một phương tiện đo cho chuyên dụng. Hiện nay, các thiết bị phát chuyên dụng loại sử dụng kĩ thuật DDS đã đạt đến độ phân giải µHz.
1.1. Tổng quan về Kỹ thuật Tổng hợp Tần số Trực tiếp DDS
Kỹ thuật DDS (Direct Digital Synthesis) là phương pháp tạo ra tín hiệu có tần số và pha có thể điều khiển được bằng cách sử dụng các thành phần số. Ưu điểm chính của DDS là khả năng chuyển đổi tần số nhanh chóng, độ phân giải tần số cao và khả năng điều khiển pha chính xác. DDS được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như truyền thông, đo lường và điều khiển. Mạch DDS có thể tích hợp trên FPGA để tăng hiệu năng và khả năng tùy biến. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng đòi hỏi tốc độ và độ chính xác cao. Việc sử dụng FPGA cho phép thực hiện các thuật toán nén ROM phức tạp, giảm kích thước bộ nhớ cần thiết và tăng tốc độ xử lý tín hiệu.
1.2. Ưu điểm của Thiết kế DDS trên FPGA so với ASIC
Thiết kế mạch DDS trên FPGA mang lại nhiều lợi thế so với sử dụng ASIC (Application-Specific Integrated Circuit). FPGA cung cấp tính linh hoạt cao, cho phép thay đổi và cập nhật thiết kế dễ dàng sau khi sản xuất, điều này rất quan trọng trong các ứng dụng thử nghiệm và phát triển. Chi phí thiết kế và sản xuất ASIC thường cao hơn nhiều so với FPGA, đặc biệt là cho các ứng dụng có số lượng nhỏ. FPGA cũng giúp giảm thời gian đưa sản phẩm ra thị trường, vì không cần phải trải qua quy trình sản xuất chip phức tạp như ASIC. Tuy nhiên, ASIC có thể đạt được hiệu suất cao hơn và tiêu thụ năng lượng ít hơn so với FPGA trong một số trường hợp cụ thể.
II. Thách Thức Trong Thiết Kế Mạch Tổng Hợp Tần Số Cao Trên FPGA
Để nâng cao tần số, độ phân giải và độ sạch phổ tín hiệu (SFDR), cần phân tích các phương pháp tổng hợp tần số trực tiếp, chọn ra một phương pháp thích hợp để tổng hợp tần số cao và nhúng thuật toán trên FPGA. Trên cơ sở đó, sẽ đánh giá và đưa ra các hướng cải tiến nhằm nâng cao tần số, độ phân giải và độ sạch phổ tín hiệu. Luận văn này tập trung vào phân tích các giải thuật tra bảng nhằm giảm dung lượng bộ nhớ. Các phương pháp này có ưu và nhược điểm riêng. Mục tiêu là lựa chọn phương pháp phù hợp để triển khai trên FPGA, đảm bảo hiệu suất và tiết kiệm tài nguyên.
2.1. Giới Hạn Về Tốc Độ và Tài Nguyên Khi Sử Dụng FPGA
Thiết kế mạch tổng hợp tần số cao trên FPGA gặp phải nhiều thách thức do giới hạn về tốc độ và tài nguyên. FPGA có tốc độ hoạt động thấp hơn so với các mạch chuyên dụng (ASIC), điều này ảnh hưởng đến tần số đầu ra tối đa của mạch tổng hợp tần số. Tài nguyên logic và bộ nhớ trên FPGA cũng có giới hạn, đặc biệt là khi triển khai các thuật toán phức tạp như nén ROM. Việc tối ưu hóa thiết kế để giảm thiểu tài nguyên sử dụng và tăng tốc độ xử lý là rất quan trọng. Các kỹ thuật như pipelining và parallel processing có thể được áp dụng để cải thiện hiệu suất của mạch.
2.2. Ảnh Hưởng của Nhiễu và Sai Số Lượng Tử Hóa đến Chất Lượng Tín Hiệu
Nhiễu và sai số lượng tử hóa là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu trong mạch tổng hợp tần số trên FPGA. Nhiễu có thể phát sinh từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm nhiễu clock, nhiễu nguồn và nhiễu từ các thành phần khác trên FPGA. Sai số lượng tử hóa xảy ra do quá trình chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số (ADC) và ngược lại (DAC). Để giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu và sai số lượng tử hóa, cần sử dụng các kỹ thuật lọc tín hiệu, chọn DAC và ADC có độ phân giải cao, và thiết kế mạch PCB cẩn thận để đảm bảo tính toàn vẹn tín hiệu.
2.3. Tối Ưu Hóa Mạch PCB Tần Số Cao cho Thiết Kế FPGA
Thiết kế mạch PCB tần số cao là một yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu suất của mạch tổng hợp tần số trên FPGA. Các đường dẫn tín hiệu phải được thiết kế cẩn thận để giảm thiểu suy hao tín hiệu, phản xạ và nhiễu xuyên kênh. Sử dụng các lớp vật liệu PCB chất lượng cao và tuân thủ các quy tắc thiết kế tần số cao như kiểm soát trở kháng, giảm thiểu độ dài của các đường dẫn tín hiệu và sử dụng vias một cách hợp lý. Việc mô phỏng mạch PCB trước khi sản xuất là rất quan trọng để phát hiện và khắc phục các vấn đề tiềm ẩn.
III. Phương Pháp Nén ROM Hiệu Quả Trong Thiết Kế DDS Trên FPGA
Luận văn này tập trung vào phân tích các giải thuật tra bảng nhằm giảm dung lượng bộ nhớ. Chương này trình bày nguyên lý các giải thuật, ưu và nhược điểm của các giải thuật và sự phát triển của nó hiện nay. Từ đó chọn ra thuật toán phù hợp với bài toán thiết kế mạch tần số cao trên FPGA.
3.1. Giới Thiệu Các Giải Thuật Nén ROM Tra Bảng Phổ Biến
Các giải thuật nén ROM tra bảng được sử dụng rộng rãi để giảm kích thước bộ nhớ trong thiết kế DDS trên FPGA. Một số giải thuật phổ biến bao gồm: nén ROM theo phương pháp chia pha, nén ROM dựa trên sai phân, nén ROM sử dụng xấp xỉ chuỗi Taylor, và nén ROM dựa trên phương pháp BTM (Bipartite Table Method). Mỗi giải thuật có ưu và nhược điểm riêng về độ phức tạp tính toán, độ chính xác và mức độ nén. Việc lựa chọn giải thuật phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng, bao gồm tốc độ, độ chính xác và tài nguyên FPGA sẵn có.
3.2. Phân Tích Ưu và Nhược Điểm của Thuật Toán BTM Bipartite Table Method
Thuật toán BTM (Bipartite Table Method) là một phương pháp nén ROM hiệu quả cho thiết kế DDS trên FPGA. BTM chia bảng ROM thành hai bảng nhỏ hơn và sử dụng phép nội suy để tính toán các giá trị còn thiếu. Ưu điểm của BTM là khả năng nén cao, độ chính xác tốt và độ phức tạp tính toán tương đối thấp. Tuy nhiên, BTM cũng có nhược điểm là đòi hỏi một số tài nguyên logic trên FPGA để thực hiện phép nội suy. BTM đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao và có giới hạn về tài nguyên bộ nhớ.
3.3. Triển Khai Thuật Toán Nén ROM Trên FPGA Bằng Ngôn Ngữ VHDL Verilog
Để triển khai thuật toán nén ROM trên FPGA, cần sử dụng các ngôn ngữ mô tả phần cứng như VHDL hoặc Verilog. Đầu tiên, cần mô tả kiến trúc phần cứng của mạch DDS, bao gồm các thành phần như bộ tích lũy pha, bộ chuyển đổi pha sang biên độ và bảng ROM nén. Sau đó, cần viết mã VHDL/Verilog để thực hiện các phép tính toán và truy cập bộ nhớ theo thuật toán nén ROM đã chọn. Quá trình tổng hợp và triển khai trên FPGA sẽ tạo ra một file cấu hình (bitstream) có thể được nạp vào FPGA để thực thi mạch DDS.
IV. Xây Dựng Hệ Thống Tổng Hợp Tần Số Cao Trên FPGA
Chương này trình bày phương pháp xấp xỉ BTM. Đây là phương pháp tốt nhất hiện nay đang được nghiên cứu. Chương này đi sâu nghiên cứu thuật toán xấp xỉ 2 bảng ROM (BTM) và trình bày nguyên lý xây dựng thuật toán nén ROM xấp xỉ đa thức hai bảng ROM trên Matlab (BTM). Phần này trình bày kết quả xây dựng thuật toán nén ROM cho phương pháp xấp xỉ BTM trên Matlab và phân tích các tham số của chúng.
4.1. Thiết Kế Khối Chức Năng Cơ Bản Của Hệ Thống Tổng Hợp Tần Số
Hệ thống tổng hợp tần số trên FPGA bao gồm các khối chức năng cơ bản sau: bộ tích lũy pha, bộ chuyển đổi pha sang biên độ (ROM hoặc thuật toán tính toán), bộ chuyển đổi số sang tương tự (DAC) và bộ lọc thông thấp. Bộ tích lũy pha tạo ra các mẫu pha liên tiếp dựa trên tần số điều khiển. Bộ chuyển đổi pha sang biên độ chuyển đổi các mẫu pha thành các giá trị biên độ tương ứng. DAC chuyển đổi các giá trị biên độ số thành tín hiệu tương tự. Bộ lọc thông thấp loại bỏ các thành phần tần số cao không mong muốn.
4.2. Lựa Chọn Và Cấu Hình Chip DAC Phù Hợp Với Ứng Dụng
Việc lựa chọn chip DAC phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất của hệ thống tổng hợp tần số. Các thông số quan trọng cần xem xét bao gồm: độ phân giải, tốc độ lấy mẫu, dải động không tạp âm (SFDR) và độ méo hài tổng (THD). DAC có độ phân giải cao và tốc độ lấy mẫu lớn sẽ cho phép tạo ra tín hiệu có độ chính xác cao và tần số cao. SFDR và THD là các thông số đánh giá chất lượng tín hiệu, cần chọn DAC có giá trị SFDR và THD thấp để giảm thiểu ảnh hưởng của tạp âm và méo tín hiệu.
4.3. Tích Hợp Và Kiểm Thử Hệ Thống Tổng Hợp Tần Số Trên Kit Phát Triển FPGA
Sau khi thiết kế và mô phỏng các khối chức năng cơ bản, cần tích hợp và kiểm thử hệ thống tổng hợp tần số trên kit phát triển FPGA. Quá trình tích hợp bao gồm kết nối các khối chức năng với nhau và cấu hình các chân vào/ra của FPGA. Quá trình kiểm thử bao gồm nạp bitstream vào FPGA, cấp nguồn và kiểm tra tín hiệu đầu ra bằng các thiết bị đo như máy hiện sóng và máy phân tích phổ. Cần thực hiện các phép đo để đánh giá các thông số quan trọng của hệ thống như tần số, biên độ, độ méo hài và độ sạch phổ.
V. Kết Quả Mô Phỏng Và Thực Nghiệm Mạch Tổng Hợp Tần Số Trên FPGA
Chương này trình bày hệ thống tổng hợp tần số trên cơ sở KIT FPGA và KIT DAC DA9744. Phần này trình bày nguyên lý hoạt động của hệ thống. Nguyên lý thiết kế và hoạt động của hệ thống tổng hợp tần số số nhúng trên FPGA với thuật toán BTM đã tổng hợp từ Matlab. Các kết quả tổng hợp tần số số sẽ được trình bày trong chương này. Chương này cũng phân tích các kết quả đạt được, các hạn chế và hướng khắc phục.
5.1. Trình Bày Kết Quả Mô Phỏng Mạch DDS Sử Dụng Phần Mềm Chuyên Dụng
Kết quả mô phỏng mạch DDS sử dụng các phần mềm chuyên dụng như ModelSim (Altera/Intel) hoặc Vivado Simulator (Xilinx) cho phép đánh giá hiệu suất của thiết kế trước khi triển khai trên phần cứng thực tế. Các kết quả mô phỏng bao gồm dạng sóng tín hiệu đầu ra, phổ tần số, độ méo hài và thời gian đáp ứng. So sánh kết quả mô phỏng với các thông số kỹ thuật mong muốn để đảm bảo thiết kế đáp ứng yêu cầu.
5.2. So Sánh Kết Quả Thực Nghiệm Với Kết Quả Mô Phỏng
So sánh kết quả thực nghiệm với kết quả mô phỏng giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của mạch DDS trên phần cứng thực tế. Các yếu tố này có thể bao gồm: sai số linh kiện, nhiễu điện từ, và các hiệu ứng không mong muốn khác. Việc phân tích sự khác biệt giữa kết quả thực nghiệm và kết quả mô phỏng giúp cải thiện thiết kế và tối ưu hóa hiệu suất của mạch.
VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Mạch Tổng Hợp Tần Số Cao FPGA
Qua phân tích sơ đồ khối này cho thấy bộ tổng hợp tần số này rất dễ thực hiện điều chế FM và PM bằng cách thay đổi FCW.
6.1. Tóm Tắt Kết Quả Nghiên Cứu Và Đánh Giá Tính Ứng Dụng
Nghiên cứu và phát triển mạch tổng hợp tần số cao trên FPGA đã đạt được nhiều tiến bộ đáng kể. Kết quả nghiên cứu cho thấy khả năng ứng dụng rộng rãi của mạch DDS trong nhiều lĩnh vực như truyền thông, đo lường và điều khiển. Việc sử dụng các thuật toán nén ROM hiệu quả và các kỹ thuật tối ưu hóa thiết kế giúp cải thiện hiệu suất và giảm thiểu tài nguyên sử dụng.
6.2. Đề Xuất Các Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Để Nâng Cao Hiệu Suất
Để nâng cao hiệu suất của mạch tổng hợp tần số cao trên FPGA, có thể đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo như: phát triển các thuật toán nén ROM mới, tối ưu hóa kiến trúc phần cứng, và nghiên cứu các kỹ thuật giảm nhiễu và sai số lượng tử hóa. Bên cạnh đó, việc tích hợp các chức năng điều chế và giải điều chế vào mạch DDS sẽ mở rộng phạm vi ứng dụng của thiết kế.
