Implementierung eines Software Defined Radio auf einem Field Programmable Gate Array (FPGA) E-Book
Auguste Feukam-Chindji
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- Herausgeber: GRIN Verlag
- Sprache: Deutsch
Diplomarbeit aus dem Jahr 2008 im Fachbereich Elektrotechnik, Note: 1,7, Technische Hochschule Köln, ehem. Fachhochschule Köln (Institut für Nachrichtentechnik), Veranstaltung: Diplomarbeit, Sprache: Deutsch, Abstract: 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.
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Veröffentlichungsjahr: 2008
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I: Danksagung
Die vorliegende Diplomarbeit entstand im Rahmen meiner Tätigkeit bei der Firma Trenz Electronic GmbH als Diplomand. Mein Dank gilt HerrnDipl.-Ing. Thorsten Trenz,Geschäftsführer der Firma Trenz GmbH, für sein Vertrauen in meine Fähigkeiten und Herrn Dipl.-Ing. Kolja Sulimma, der dieses Thema für mich erarbeitet hat. Mein besonderer Dank gilt auch Herrn Prof. Dr.-Ing. Michael Silverberg für seine Unterstützung bei der Durchführung meiner Arbeit. Dazu gehört jede einzelne Diskussion, die wir im Laufe der Zeit geführt haben. Für seine Bereitschaft, das Hauptreferat zu übernehmen, danke ich ebenfalls.
II: 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 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
IV: Abkürzungsverzeichnis
V: Abbildungsverzeichnis
VI: Literaturverzeichnis
III: Kurzfassung
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[1] 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[2] 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[3] oder Denoising in Software auszuführen.
Abbildung 1: Labor Aufbau
Kapitel 1: Einleitung
1.1 Vorstellung der Firma
Diese Diplomarbeit entstand im Auftrag und mit der Unterstützung der Firma Trenz Electronic GmbH. In diesem Abschnitt wird Trenz Electronic GmbH kurz vorgestellt.
Die Firma Trenz Electronic GmbH wurde 1992 als Personengesellschaft ge-gründet und im Jahre 2002 in eine GmbH umgewandelt. Der Geschäftsführer und Gründer der Firma ist Herr Dipl. Ing. Thorsten Trenz. Er wird von fünf weiteren Mitarbeitern bei der täglichen Arbeit unterstützt.
Trenz Electronic GmbH entwickelt, fertigt und vertreibt Embedded-Produkte für den industriellen Einsatz und zwar
- FPGA Boards
- ARM CPU Module
- Embedded Device Server
- Kommunikation
- Digital Ein-/Ausgabe
- Industrielle Flash Speicher
Die Firma Trenz Electronic GmbH bietet umfangreiche Dienstleistungen für die Entwicklung und Realisierung elektronischer Komponenten und Systeme. Das Portfolio besteht aus:
- Hardware Entwicklung
- Software Entwicklung
- HDL Design
- Beratung
1.2 Motivation
Anfang der 90er Jahre beschrieb Joseph Mitola [1] die Idee, die Signal-verarbeitung von Funksignalen statt durch Hardwarekomponenten komplett durch Software oder programmierbare Digitalhardware (DSPs oder FPGAs) zu realisieren. Dabei sollten die empfangenen Funksignale durch A/D-Wandler digitalisiert werden, um danach durch einen universellen Prozessor mit den gewünschten Software-Routinen weiterverarbeitet zu werden. Man erkannte aber schnell, dass so ein ideales Software-Radio Probleme mit sich brachte: Bei hohen Trägerfrequenzen im GHz-Bereich benötigt man sehr schnelle und hoch auflösende A/D- bzw. D/A-Wandler, um das Signal zu empfangen bzw. zu senden. Außerdem würden solche schnellen Wandler enorm viel Energie be-nötigen. Deshalb hat man sich zu dem Kompromiss entschlossen, die Signale analog auf eine niedrigere Zwischenfrequenz oder direkt ins Basisband herunter zumischen, um dann die Signale zu digitalisieren und durch Software-Routinen weiter zu verarbeiten.
Meine Diplomarbeit soll eine Antwort auf die Frage liefern:
