Nghiên cứu, thiết kế bộ tổ hợp tín hiệu điều tần cho ra đa liên tục bằng phương pháp tổ hợp số trực tiếp tần số

Thông tin khoa học công nghệ

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ BỘ TỔ HỢP TÍN HIỆU ĐIỀU TẦN
CHO RA ĐA LIÊN TỤC BẰNG PHƯƠNG PHÁP
TỔ HỢP SỐ TRỰC TIẾP TẦN SỐ
Nguyễn Minh Thắng 1*, Nguyễn Đình Hưng 2, Đinh Trọng Quang1,
Trịnh Xuân Thọ1, Nguyễn Thành1
Tóm tắt: Bài báo trình bày nghiên cứu, thiết kế bộ tổ hợp tín hiệu cho ra đa liên
tục sử dụng tín hiệu điều tần bằng phương pháp tổ hợp số trực tiếp tần số. Bằng
việc khảo sát tín hiệu điều tần tuyến tính dạng tam giác, bài báo đã làm rõ nguyên
lý hoạt động cả ra đa liên tục. Bài báo cũng đề xuất phương án thiết kế bộ tổ hợp
tín hiệu điều tần tuyến tính liên tục theo phương pháp tổ hợp số trực tiếp dựa trên
công nghệ vi mạch tích hợp khả trình FPGA (Field Programmable Gate Array) kết
hợp với linh kiện điều chế cầu phương I/Q AD9957. Kết quả của nghiên cứu sẽ
được giới thiệu và đánh giá với bộ tham số thiết kế đầu vào.
Từ khóa: Ra đa liên tục, Tổ hợp số trực tiếp tần số, Điều tần tuyến tính, Vi mạch AD9957

1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Tín hiệu điều tần là dạng tín hiệu điều chế được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh
vực thông tin liên lạc, ra đa cảnh giới, ra đa viễn thám, hệ thống đo cao, hệ thống
giám sát chất lượng. Trong các ứng dụng sử dụng tín hiệu điều tần, lĩnh vực nghiên
cứu liên quan tới ra đa liên tục sử dụng tín hiệu điều tần đã có quá trình phát triển
lâu dài và được phát triển rộng rãi trong những năm gần đây [1]-[5]. Đặc biệt trong
lĩnh vực quân sự, cùng với việc phát triển của công nghệ bán dẫn và các hệ thống
xử lý số thông tin tốc độ cao, thời gian gần đây đã có nhiều hệ thống ra đa liên tục
được giới thiệu như hệ thống cảnh giới Cam Shell 76N6, hệ thống ra đa ELM2112, hệ thống ra đa Ranger R20SS, v.v. Tại Việt Nam, lĩnh vực nghiên cứu ra đa
liên tục cũng đã được quan tâm tuy nhiên vẫn thiếu những nghiên cứu chuyên sâu,
mang tính chất nền tảng cho việc nghiên cứu, phát triển và ứng dụng chủng loại ra
đa này trong thực tiễn.
Trong bối cảnh nghiên cứu như trên, bài báo trình bày nghiên cứu, thiết kế bộ tổ
hợp tín hiệu cho ra đa liên tục sử dụng tín hiệu điều tần bằng phương pháp tổ hợp

số trực tiếp tần số. Trước tiên, nguyên lý hoạt động của ra đa liên tục được làm rõ
bằng việc khảo sát tín hiệu điều tần tuyến tính dạng tam giác. Dựa trên kết quả
khảo sát nguyên lý hoạt động của ra đa liên tục, bài báo đề xuất phương án thiết kế
bộ tổ hợp tín hiệu điều tần tuyến tính liên tục theo phương pháp tổ hợp số trực tiếp
tần số dựa trên công nghệ vi mạch tích hợp khả trình FPGA kết hợp với linh kiện
điều chế cầu phương I/Q AD9957. Kết quả của nghiên cứu sẽ được giới thiệu và
đánh giá với bộ tham số thiết kế đầu vào.
2. TỔ HỢP TÍN HIỆU TRONG RA ĐA ĐIỀU TẦN
TUYẾN TÍNH LIÊN TỤC
2.1. Nguyên lý hoạt động của ra đa liên tục sử dung tín hiệu điều tần
Ra đa liên tục có thể sử dụng dạng điều tần tuyến tính để đo cả khoảng cách và
tần số Đốp le. Trong thực tế ra đa liên tục, dạng sóng điều tần tuyến tính được thay

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016

197


Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa

đổi theo độ rời rạc đủ nhỏ để đáp ứng được yêu cầu về độ chính xác khi đo khoảng
cách và vận tốc mục tiêu. Tín hiệu phản xạ từ mục tiêu ngoài việc phụ thuộc vào
khoảng cách R đến mục tiêu còn phụ thuộc vào vận tốc hướng tâm của mục tiêu so
với đài phát. Hình 1 miêu tả miêu tả sóng điều tần liên tục sử dụng dạng sóng điều
tần tam giác và tín hiệu phản xạ từ mục tiêu ở khoảng cách R đối với mục tiêu
không chuyển động, còn Hình 2 là đối với mục tiêu chuyển động.

Hình 1. Tần số truyền, nhận và tần số
phản xạ cho trường hợp mục tiêu không
chuyển động.

Hình 2. Tần số truyền, nhận và tần số
phản xạ cho trường hợp mục tiêu
chuyển động.

Trong trường hợp mục tiêu không chuyển động, tần số phách được định nghĩa
theo công thức:
2∆ 2
(1)
= −
=
Trong đó:

:độ di tần ( độ lệch tần cực đại )
∆ : độ dịch tần của điều chế
: chu kì dịch tần
: khoảng cách từ mục tiêu đến đài

Trong trường hợp mục tiêu chuyển động với vận tốc khác không, khi đó trong
thành phần tín hiệu phản xạ sẽ mang thêm thành phần Đốp le. Khi đó mối quan hệ
giữa tín hiệu truyền và tín hiệu phản xạ sẽ được biểu diễn trên hình 2. Khi mục
tiêu chuyển động, tần số phản xạ sẽ được cộng thêm thành phần Đốp le, lượng tần
số cộng vào sẽ mang dấu dương (nếu mục tiêu chuyển động lại gần so với ra đa) và
mang dấu âm (nếu mục tiêu chuyển động ra xa so với ra đa), khi đó ta tính được:
Tần số phách
(Up Beat frequency) nửa chu kì dịch tần lên:
4 ∆
2
(2)
=

−
Tần số phách

Trong đó:

(Dp Beat frequency) nửa chu kì dịch tần xuống:
4 ∆
2
=
+

(3)

: tốc độ hướng tâm của mục tiêu so với ra đa.

198 N.M. Thắng, N.Đ. Hưng, …, “Nghiên cứu, thiết kế bộ tổ hợp… tổ hợp số trực tiếp tần số.”


Thông tin khoa học công nghệ

: bước sóng tương ứng với tần số trung tâm
Khi đó khoảng cách thu được từ công thức sau:
(
+
8∆
Tốc độ mục tiêu sẽ được tính theo công thức:
=

)

(4)

)
= (
−
(5)
4
2.2. Phương pháp tổ hợp số trực tiếp tần số
Tổ hợp số trực tiếp DDS (Direct Digital Synthesizer) hoặc NCO (Numerically
Controlled Oscillator), là một phần tử quan trọng trong hệ thống truyền thông, hệ
thống ra đa hiện đại và trong một vài hệ thống điện tử khác. Tổ hợp số trực tiếp tần
số được sử dụng rộng rãi để thay đổi tần số lấy mẫu tín hiệu, các kiểu điều chế
hoặc giải điều chế, và thực thi một số dạng mã hóa tín hiệu như là PSK, FSK, và
MSK. Thông thường cách thức hoạt động của nó là tạo một tín hiệu hình sin (cầu
phương hoặc không) dựa vào một bảng tra. Bảng tra chứa các mẫu của tín hiệu
hình sin. Phương pháp này tạo ra độ chính xác tần số cao, độ ổn định của tần số
theo nhiệt độ và thời gian là rất cao, dải điều chỉnh tần số rộng, tốc độ điều chỉnh
tần số rất nhanh.
3. CẤU TRÚC BỘ TẠO TÍN HIỆU
3.1. Thiết kế cấu trúc bộ tạo tín hiệu
Cấu trúc bộ tạo tín hiệu đề xuất trong nguyên cứu này bao gồm 2 mô đun chính:
mô đun AD9957 và mô đun vi xử lý khả trình FPGA trong đó mô đun vi mạch
khả trình FPGA đóng vai trò thiết lập tham số thanh ghi khởi tạo cho linh kiện
AD9957 và cung cấp tham số I/Q trong quá trình điều chế cầu phương thực hiện
bởi mô đun AD9957.
3.1.1. Mô đun vi mạch tổ hợp tần số AD9957
AD9957 tạo ra tín hiệu băng tần cơ sở bằng phương pháp tổ hợp số trực tiếp tần
số. Trong AD9957 tích hợp một bộ tổ hợp số trực tiếp tần số, một bộ biến đổi số tương tự 14 bít, mạch nhân xung nhịp, bộ lọc số và các mạch xử lý tín hiệu số
khác. Tín hiệu băng tần cơ sở có thể được tạo ra có thể được điều chế biên độ, pha,
tần số một cách dễ dàng bằng cách nạp dữ liệu cho các thanh ghi qua các chân vào

ra nối tiếp và các chân truyền dữ liệu song song.
AD9957 có 3 chế độ hoạt động cơ bản: chế độ điều chế cầu phương, chế độ nội suy
DAC, chế độ tạo xung đơn. Trong khuôn khổ nội dung bài báo này ta chỉ quan tâm
đến chế độ điều chế cầu phương để tạo ra được tín hiệu điều tần tuyến tính liên tục.
3.1.2. Mô đun vi mạch khả trình FPGA
Trong nghiên cứu, nhóm tác giả đề xuất vi mạch tích hợp khả trình Spartan-3E
là họ FPGA của Xilinx với nhiều ưu điểm nổi bật. Đầu tiên phải kể đến là khả
năng tích hợp của Spartan-3E từ 100,000 gates đến 1,6 triệu gates, dễ sử dụng, giá
thành thấp, tiêu thụ điện ít, mật độ tích hợp nhiều phần tử logic, truyền dữ liệu với
tốc độ khá cao.

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016

199


K
Kỹỹ thuật si
siêu
êu cao ttần
ần & Ra đa

Với nhữn
Với
những
g ưu đi
điểm
ểm nh
ư vậy
vậy ta ho

hoàn
àn toàn có th
thểể sử dụng linh kiện Spartan
Spartan--3E
3E
như
cho mô đun vi m
mạch
ạch khả tr
trình
ình FPGA đđểể điều khiển mô đun AD9957 để tổ hợp
những tín hiệu theo bbài
những
ài toán đđềề ra và
và ccụ
ụ thể ở đây sẽ llàà tạo
tạo ra tín hiệu điều tần
tuyến tính li
tuyến
liên
ên tục.
tục.
3.2 Nguyên lý ho
3.2.
hoạt
ạt động của llõi
õi DDS CORE
Như đã
đã nói ở tr
trên,

ên, mô đun vi m
mạch
ạch khả tr
trình
ình FPGA đóng vai tr
tròò quan tr
trọng
ọng
trong việc
việc điều khiển vvàà truyền
truyền số liệu I/Q trong quá tr
trình
ình ttổ
ổ hợp số trực tiếp tr
trên
ên
mô đun AD9957. Phương pháp chung ở đây llàà khởi
khởi tạo một bảng tham kh
khảo
ảo các
giá tr
trịị I và
và Q. B
Bộ
ộ tích phân số đđược
ợc sử dụng để đđưa
ưa ra tham ssố
ố về pha kết hợp với
bảng
ảng giá trị khởi tạo để tổ hợp đđư

ược
ợc tân số mong muốn. Trong nghi
nghiên
ên ccứu
ứu nnày,
ày,
nhóm tác gi
giảả sử dụng llõi
õi lô gic DDS được
được phát triễn hỗ trợ cho họ vi mạch khả
trình FPGA ccủa
trình
ủa Xilinx để thiết kế bộ tổ hợp tần số. Tần số đầu ra của bộ tổ hợp số
trực
ực tiếp đđư
ược
ợc tính theo công thức sau:
∆
=
(6))
2 ( )
trong đó:
: tầầnn ssố đồng
ng hồ
h chuẩn
chu n, ∆ : giá trị
trị của từ điều khiển tần số
ố
số, ( ) : số
bít ccủa

ủa từ điều khiển tần số.
3.3 S
3.3.
Sản
ản phẩm thực tế vvà
à sơ đồ
đồ ghép nối

Hình 3.
3. Mô đun Spartan
Spartan-3E
3E.

Hình 4. Mô đun AD9957
AD9957..
Máy phân

Máy

M ch nạ
Mạch
nạp

tính
XILINX

Spartan 3E
Spartan-3E

Mô đun

AD9957

tích phổ
ph
Máy
hi n sóng
hiện

Hình 5. Sơ đđồ
ồ ghép nối để nạp ch
chương
ương trình
trình và đánh giá kkết
ết quả
quả..
Để nạp ch
Để
chương
ương tr
trình
ình và đánh giá kkết
ết quả tín hiệu đđã đư
được
ợc tạo ra ta lắp đặt các
thiết
thi
ết bị theo ssơ
ơ đđồ đư
được
ợc mô tả nh

như
ư trong h
hình
ình 5
5.

200 N.M. Thắng,
Thắng, N.Đ. H
Hưng,
ưng, …,
… “Nghiên
Nghiên ccứu,
ứu, thiết kế bộ tổ hợp
hợp…
… tổ
ổ hợp số trực tiếp tần số
số.””


Thông tin khoa học công nghệ

4. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN
4.1. Tham số thiết kế
Nhóm tác giả đã thiết kế các mô đun phần cứng, xây dựng chương trình phần
mềm để tạo ra tín hiệu điều tần tuyến tính liên tục dạng tam giác. Trong quá trính
khảo sát, nhóm tác giả đã tiến hành đo đạc, kiểm thử với nhiều bộ thám số khác
nhau với tần số trung tâm có giá trị từ = 10 MHz đến = 150 MHz, độ dịch
tần thay đổi từ Δ = 1 MHz đến Δ = 20 MHz. Do giới hạn của bài báo, kết quả
đo được giới thiệu trong bài báo được tiến hành với bộ tham số chính như sau:
Tần số trung tâm = 35 MHz.

Độ dịch tần Δ = 10 MHz.
Chu kì dịch tần T = 1000 .
4.2. Kết quả đo đối với sản phẩm thực nghiệm

thời gian giữ chậm

Hình 6. Kết quả đo từ máy phân tích phổ. Hình 7. Kết quả đo bằng máy hiện sóng.
Kết quả đo sử dụng sơ đồ ghép nối (tham khảo hình 5) được thể hiện như hình
6 và hình 7. Hình 6 thể hiện độ dịch tần của tín hiệu tổ hợp có độ rộng 10Mhz từ
30 MHz đến 40 MHz với tần số trung tâm là 35 MHz. Kết quả đo bằng máy hiện
sóng (tham khảo hình 7) cho thấy ứng với tại điểm giữ chậm 1000 , dao động
của tín hiệu chuyển từ nhanh sang chậm tương ứng với tần số 30MHz. Kết quả đo
từ máy phân tích phổ và máy hiện sóng đã cho thấy tín hiệu được tổ hợp trong bài
báo đảm bảo được tham số thiết kế đã đề ra trong mục 4.1.
5. KẾT LUẬN
Bài báo đã trình bày nghiên cứu, thiết kế bộ tổ hợp tín hiệu cho ra đa liên tục sử
dụng tín hiệu điều tần bằng phương pháp tổ hợp số trực tiếp tần số. Dựa trên kết
quả khảo sát nguyên lý hoạt động của ra đa liên tục được khảo sát trong phần 2,
bài báo đã đề xuất phương án thiết kế bộ tổ hợp tín hiệu điều tần tuyến tính liên tục
Bằng việc sử dụng Spartan-3E để điều khiển mô đun AD9957 tổ hợp tần số theo
phương pháp trực tiếp ta có thể tạo ra được tín hiệu điều tần tuyến tính liên tục
trong phần 3 của bài báo. Kết quả đo bộ tổ hợp tần số số trực tiếp cho thấy tín

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016

201


Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa

hiệu được tạo ra có các tham số đúng như yêu cầu thiết kế và được kiểm nghiệm
bằng máy phân tích phổ và máy hiện sóng.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. M.I. Skolnik, “Radar Handbook”, 2008.
[2]. L. N. Uyên, N. Thành, V. V. Phúc, “Thiết kế chế tạo máy thu đa kênh dùng
cho rađa cộng hưởng dải sóng mét trên cơ sở sử dụng linh kiện tích hợp
cao”, Các công trình nghiên cứu, phát triển và ứng dụng CNTT-TT, tr. 54 63, tập V-1, số 6 (26), tháng 9/2011.
[3]. A. Patel, “Signal Generation for FMCW Ultra-Wideband Radar”, Master
thesis, 2009.
[3]. Analog Devices Inc., “A Technical Tutorial on Digital Signal Synthesis”,
1999.
[4]. J. Vankka, “Direct Digital Synthesizers: Theory, Design and Appli-cations”,
Doctor thesis, 2000.
[5]. B.Suresh,, M.V.Srikanth, “Radar Waveform Generator based on DDS”, Int.
Jour. of Adv. Research in Comp. and Comm. Eng., Vol. 2, Issue 9,
September 2013.
ABSTRACT
A DESIGN OF WAVEFORM GENERATOR FOR CONTINUOUS
WAVE RADAR USING FREQUECY MODULATED BY
USING DIGITAL DIRECT SYNTHESIZER METHOD
In this paper, we will research, design, and built a frequency synthesizer
for the continuous wave radar by applying direct digital synthesizers(DDS)
method. By studying the linear frequency modulated (LMF) continuous
waveform in triangle shape, paper makes clear about principle and theory of
operation for CW radar. We also propose a design of LMF frequency
synthesizer by apply direct digital synthesizer method associate with FPGA
and using quadrature modulation of AD9957 device. The clarified of this
proposal design is confirmed by measure result of modulated waveform.
Keywords: Continous wave radar, Direct digital synthesizer, Linear frequency modulated, AD9957 device.

Nhận bài ngày 15 tháng 06 năm 2016
Hoàn thiện ngày 26 tháng 07 năm 2016
Chấp nhận đăng ngày 01 tháng 08 năm 2016

Địa chỉ:

1

Viện Ra đa, Viện Khoa học và Công nghệ quân sự;
Học viện Phòng Không Không Quân.
* Emai:
2

202 N.M. Thắng, N.Đ. Hưng, …, “Nghiên cứu, thiết kế bộ tổ hợp… tổ hợp số trực tiếp tần số.”