Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghệ truyền dẫn số ngày càng phát triển, việc ứng dụng các kỹ thuật xử lý tín hiệu số hiện đại đã trở thành xu hướng tất yếu nhằm nâng cao hiệu quả và chất lượng truyền dẫn. Theo ước tính, các hệ thống truyền dẫn số hiện đại như luồng E1 với tốc độ 2,048 Mb/s đang được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị truyền dẫn và tổng đài viễn thông. Tuy nhiên, việc thiết kế các modul đóng khung E1 hiệu quả, linh hoạt và có khả năng tái cấu trúc vẫn là một thách thức kỹ thuật lớn. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phát triển modul đóng khung E1 sử dụng công nghệ FPGA (Field Programmable Gate Array) với ngôn ngữ mô tả phần cứng VHDL, nhằm tận dụng ưu điểm mềm hóa phần cứng, giảm thiểu rủi ro và tăng khả năng tái sử dụng thiết kế. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi thiết kế và triển khai trên board mạch thực tế sử dụng IC Spartan-3E của Xilinx, với thời gian nghiên cứu tập trung vào năm 2019 tại Việt Nam. Kết quả nghiên cứu không chỉ góp phần nâng cao hiệu quả thiết kế các thiết bị truyền dẫn số mà còn mở ra hướng ứng dụng công nghệ FPGA trong các hệ thống viễn thông hiện đại, góp phần thúc đẩy phát triển công nghệ trong nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai nền tảng lý thuyết chính: lý thuyết ghép kênh theo thời gian (TDM) và công nghệ FPGA. Lý thuyết ghép kênh theo thời gian được áp dụng để hiểu và thiết kế cấu trúc khung E1 theo tiêu chuẩn ITU-T, trong đó tín hiệu số được chia thành 32 khe thời gian (TS0 đến TS31) với mỗi khe thời gian chứa 8 bit dữ liệu, tổng thời gian khung là 125 µs. Ghép kênh đồng bộ được lựa chọn nhằm đảm bảo hiệu quả sử dụng đường truyền cao và đồng bộ chính xác giữa bộ phân phối phát và thu. Công nghệ FPGA, đặc biệt là họ Spartan-3E của Xilinx, được sử dụng làm nền tảng phần cứng cho modul đóng khung E1. FPGA có kiến trúc mảng cổng lập trình được, bao gồm các khối logic lập trình được (CLB), khối vào/ra (IOB), block RAM, khối nhân DSP slice và bộ quản lý đồng hồ kỹ thuật số (DCM). Ngôn ngữ mô tả phần cứng VHDL được sử dụng để mô tả và lập trình thiết kế, với các cấu trúc cơ bản như entity, architecture, package, configuration và library, hỗ trợ mô phỏng và tổng hợp logic hiệu quả.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu bao gồm tài liệu kỹ thuật về chuẩn E1, tài liệu hướng dẫn thiết kế FPGA của Xilinx, và các công cụ phần mềm thiết kế như Altium Designer, Xilinx ISE 10.1, ModelSim. Phương pháp nghiên cứu chính là thiết kế mô-đun đóng khung E1 trên FPGA, bao gồm các bước: phân tích yêu cầu kỹ thuật, thiết kế phần cứng board mạch trung kế E1 sử dụng IC Spartan-3E, lập trình mô-đun đóng khung E1 bằng VHDL, mô phỏng chức năng trên ModelSim, tổng hợp và thực thi thiết kế trên công cụ ISE, tạo file bitstream (.bit, .mcs) và nạp vào FPGA. Cỡ mẫu nghiên cứu là một board mạch thực tế với IC Spartan-3E, được lựa chọn do tính phổ biến, chi phí thấp và khả năng đáp ứng yêu cầu thiết kế. Phương pháp phân tích bao gồm mô phỏng chức năng, kiểm tra đồng bộ khung, đo kiểm tín hiệu đầu ra bằng thiết bị đo luồng VeEX UX400. Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2019, từ thiết kế lý thuyết đến thực thi và đánh giá kết quả trên phần cứng thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế thành công modul đóng khung E1 trên FPGA Spartan-3E: Thiết kế được mô phỏng và tổng hợp thành công trên công cụ ISE, tạo ra file bitstream nạp vào FPGA. Kết quả mô phỏng cho thấy tín hiệu đầu ra có dạng xung đúng chuẩn E1 với 32 khe thời gian, mỗi khe chứa 8 bit dữ liệu, khung tín hiệu có độ dài 125 µs.

  2. Đồng bộ khung và đồng bộ nhịp được đảm bảo: Qua đo kiểm trên thiết bị VeEX UX400, tín hiệu đồng bộ khung được duy trì ổn định, sai số đồng bộ khung dưới 0.1%, đảm bảo truyền dẫn không lỗi. Tín hiệu đồng hồ thu được đồng bộ chính xác với tín hiệu phát, giảm thiểu hiện tượng mất đồng bộ giả.

  3. Hiệu quả sử dụng tài nguyên FPGA: Thiết kế sử dụng khoảng 40% tài nguyên logic của IC Spartan-3E xc3s500E, bao gồm các khối logic, bộ nhớ RAM phân tán và DSP slice. So với các thiết kế ASIC truyền thống, FPGA cho phép tái cấu trúc và nâng cấp dễ dàng, giảm chi phí phát triển.

  4. Tính linh hoạt và khả năng mở rộng: Thiết kế modul có thể mở rộng để xử lý các luồng E1 đa kênh hoặc tích hợp thêm các chức năng báo hiệu CAS, đồng bộ đa khung theo chuẩn ITU-T. Việc sử dụng ngôn ngữ VHDL giúp dễ dàng bảo trì và nâng cấp phần mềm mô tả phần cứng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân thành công của thiết kế là do việc áp dụng đúng lý thuyết ghép kênh đồng bộ và chuẩn cấu trúc khung E1, kết hợp với công nghệ FPGA hiện đại có khả năng lập trình linh hoạt và mật độ cổng logic cao. So sánh với các nghiên cứu trước đây, việc sử dụng FPGA Spartan-3E cho phép giảm thời gian thiết kế và chi phí sản xuất so với ASIC truyền thống, đồng thời tăng khả năng tái sử dụng thiết kế. Kết quả đo kiểm thực tế trên board mạch cho thấy tín hiệu đóng khung E1 đạt chuẩn, đồng bộ khung và nhịp được duy trì ổn định, phù hợp với yêu cầu kỹ thuật của các hệ thống truyền dẫn số hiện đại. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ tín hiệu xung đóng khung E1, bảng thống kê tài nguyên FPGA sử dụng và biểu đồ sai số đồng bộ khung theo thời gian. Nghiên cứu góp phần khẳng định hiệu quả của việc mềm hóa phần cứng trong lĩnh vực viễn thông, mở ra hướng phát triển các thiết bị truyền dẫn số linh hoạt, tiết kiệm chi phí và dễ dàng nâng cấp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai mở rộng modul đóng khung E1 đa kênh: Phát triển thiết kế để xử lý đồng thời nhiều luồng E1 trên cùng một FPGA nhằm tăng hiệu suất hệ thống, mục tiêu giảm chi phí phần cứng trên mỗi kênh xuống dưới 30%, thực hiện trong vòng 12 tháng, do nhóm kỹ sư thiết kế FPGA đảm nhiệm.

  2. Tích hợp chức năng báo hiệu CAS và đồng bộ đa khung: Nâng cấp phần mềm VHDL để hỗ trợ mã hóa và giải mã tín hiệu báo hiệu CAS theo chuẩn ITU-T, đồng thời cải thiện khả năng đồng bộ đa khung, nhằm tăng độ tin cậy truyền dẫn lên trên 99.9%, hoàn thành trong 6 tháng, do nhóm phát triển phần mềm FPGA thực hiện.

  3. Ứng dụng FPGA thế hệ mới với mật độ cổng cao hơn: Khuyến nghị sử dụng các dòng FPGA mới như Xilinx Virtex hoặc Zynq để tận dụng tài nguyên logic lớn hơn, hỗ trợ xử lý tốc độ cao và tích hợp bộ xử lý nhúng, giúp mở rộng tính năng và nâng cao hiệu năng, kế hoạch thực hiện trong 18 tháng.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực thiết kế FPGA cho cán bộ kỹ thuật: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về thiết kế VHDL và công nghệ FPGA cho đội ngũ kỹ sư nhằm nâng cao chất lượng thiết kế và khả năng bảo trì hệ thống, mục tiêu hoàn thành đào tạo cho ít nhất 20 kỹ sư trong 1 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế vi mạch và FPGA: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về thiết kế modul đóng khung E1 trên FPGA, giúp kỹ sư nâng cao kỹ năng lập trình VHDL và ứng dụng công nghệ FPGA trong thực tế.

  2. Nhà nghiên cứu và giảng viên lĩnh vực viễn thông: Tài liệu là nguồn tham khảo quý giá về lý thuyết ghép kênh theo thời gian, cấu trúc khung E1 và ứng dụng FPGA trong truyền dẫn số, hỗ trợ giảng dạy và nghiên cứu chuyên sâu.

  3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị truyền dẫn số: Các công ty phát triển thiết bị viễn thông có thể áp dụng kết quả nghiên cứu để thiết kế các sản phẩm linh hoạt, tiết kiệm chi phí và dễ dàng nâng cấp, tăng tính cạnh tranh trên thị trường.

  4. Sinh viên cao học ngành kỹ thuật viễn thông và điện tử: Luận văn giúp sinh viên hiểu rõ quy trình thiết kế phần cứng mềm hóa, từ lý thuyết đến thực thi trên phần cứng thực tế, hỗ trợ học tập và nghiên cứu luận văn tốt nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

  1. FPGA là gì và tại sao chọn FPGA cho thiết kế modul đóng khung E1?
    FPGA (Field Programmable Gate Array) là mạch tích hợp có thể lập trình lại tại hiện trường, cho phép thiết kế linh hoạt và tái sử dụng. FPGA được chọn vì khả năng mềm hóa phần cứng, giảm chi phí phát triển và thời gian đưa sản phẩm ra thị trường so với ASIC truyền thống.

  2. Ngôn ngữ VHDL có vai trò gì trong thiết kế này?
    VHDL là ngôn ngữ mô tả phần cứng chuẩn IEEE, giúp mô tả chi tiết cấu trúc và hành vi của modul đóng khung E1, hỗ trợ mô phỏng, tổng hợp và thực thi trên FPGA một cách chính xác và hiệu quả.

  3. Làm thế nào để đảm bảo đồng bộ khung trong truyền dẫn E1?
    Đồng bộ khung được đảm bảo bằng cách truyền liên tục tổ hợp đồng bộ khung trong khe thời gian riêng biệt (TS0), bộ thu giám sát và điều chỉnh khung bằng cách trượt khe thời gian khi phát hiện mất đồng bộ, giảm thiểu sai sót trong truyền dẫn.

  4. Thiết kế modul đóng khung E1 sử dụng bao nhiêu tài nguyên FPGA?
    Thiết kế sử dụng khoảng 40% tài nguyên logic của IC Spartan-3E xc3s500E, bao gồm các khối logic, bộ nhớ RAM phân tán và DSP slice, cho phép thiết kế hoạt động hiệu quả và có khả năng mở rộng.

  5. Có thể mở rộng thiết kế để xử lý nhiều luồng E1 không?
    Có thể. Thiết kế modul có cấu trúc mô-đun, dễ dàng mở rộng để xử lý đa kênh E1 hoặc tích hợp thêm các chức năng báo hiệu và đồng bộ đa khung, tận dụng khả năng lập trình linh hoạt của FPGA.

Kết luận

  • Đã nghiên cứu và thiết kế thành công modul đóng khung E1 sử dụng công nghệ FPGA Spartan-3E và ngôn ngữ VHDL, đáp ứng chuẩn ITU-T.
  • Thiết kế đảm bảo đồng bộ khung và đồng bộ nhịp ổn định, giảm thiểu lỗi truyền dẫn trong hệ thống truyền dẫn số.
  • FPGA cho phép mềm hóa phần cứng, giảm chi phí và thời gian phát triển so với ASIC truyền thống, đồng thời tăng khả năng tái sử dụng và nâng cấp thiết kế.
  • Kết quả nghiên cứu có thể mở rộng ứng dụng trong các hệ thống truyền dẫn đa kênh và tích hợp các chức năng báo hiệu phức tạp hơn.
  • Đề xuất triển khai mở rộng thiết kế, nâng cấp công nghệ FPGA và đào tạo kỹ sư để phát huy tối đa hiệu quả ứng dụng trong thực tế.

Hành động tiếp theo là tiến hành mở rộng thiết kế đa kênh, tích hợp chức năng báo hiệu CAS và đồng bộ đa khung, đồng thời triển khai đào tạo kỹ thuật viên thiết kế FPGA. Để biết thêm chi tiết và nhận hỗ trợ kỹ thuật, quý độc giả và doanh nghiệp có thể liên hệ với nhóm nghiên cứu tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông.