Eğitim Amaçlı SDR Tekniklerine Dayalı FPGA Tabanlı Genlik Modüleli Radyo Vericisi Tasarımı ve Uygulaması

Öz

Yazılım tanımlı radyo (Software Defined Radio - SDR) sistemlerinde temel amaç, radyo işaretlerini bir sayısal işaret işleyiciyle tamamen sayısal olarak işlemektir. Bu sistemler üzerinde modülasyon, demodülasyon, işaret üretimi ve hat kodlaması gibi işlemlerin alanda programlanabilir kapı dizileri gibi bir işlemci ile yapılması analog devre temelli donanıma duyulan ihtiyacı büyük ölçüde azaltmaktadır. Alanda Programlanabilir Kapı Dizileri (Field Programmable Gate Array - FPGA), programlanabilir mantık blokları arası bağlantılardan oluşan ve geniş uygulama alanları olan sayısal tümleşik devrelerdir. Tasarımcının ihtiyacına yönelik mantık işlevlerini gerçekleştirme amacıyla üretilmiştir. Bundan dolayı her mantık bloğunun işlevi kullanıcı tarafından düzenlenebilmektedir. FPGA’in programlanması aşamasında ise genellikle VHDL (Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language) kullanılır. Bu çalışma üzerinde ilk olarak VHDL kodu yazılarak, genlik modüleli (Amplitude Modulation - AM) verici, FPGA kartı (Mimas Spartan 6) üzerinde gerçekleştirilmiştir. Audacity programı ile modülasyonda kullanılacak örnek ses kaydı, ses kartı aracılığı ile FPGA kartına gönderilmiştir. FPGA kartı, ADC (Analog / Digital Converter - LM4550) kartı üzerinden analog sinyali alarak HDSDR (High Definition Software Defined Radio) programı ile verici sinyali alınıp, demodüle edilip, kaydedilmiştir. FPGA kartı, DAC (Digital / Analog Converter - LM4550) kartı aracılığı ile verici sinyalini analog formda üretip, laptopun ses kartı mikrofon girişine göndermiştir. Ve son olarak kaydedilmiş verici sinyali ayrıca matlab koduyla da offline olarak demodüle edilip sonuç harddiske kaydedilmiştir. Elde edilen demodüleli sinyalin baştaki modülasyon sinyaliyle aynı olduğu ve modülasyonun düzgün bir şekilde gerçekleştiği görülmüştür. Sonuç olarak, yazılım tanımlı radyo sistemlerinin (SDR), alanda programlanabilir kapı dizileri (FPGA) üzerinde gerçekleştirilmesine ve eğitimine yönelik güzel bir platform elde edilmiştir.

Anahtar Kelimeler

• SDR
• FPGA
• VHDL

Design and Implementation of an Educational AM Transmitter with FPGA using SDR Techniques

Abstract

In SDR systems, the main purpose is to process the radio signals completely numerically with a digital signal processor. Performing operations such as modulation, demodulation, signal generation and line coding on these systems with a processor such as FPGA greatly reduces the need for analog circuit-based hardware. FPGA are digital integrated circuits that consist of interconnections between programmable logic blocks and have wide application areas. It is produced for the purpose of realizing the logic functions needed by the designer. Therefore, the function of each logic block can be edited by the user. VHDL is generally used in programming the FPGA. In this study, firstly, VHDL code was written and AM transmitter was realized on FPGA board (Mimas Spartan 6). The sample sound recording to be used in modulation with the Audacity program was sent to the FPGA card via the sound card. FPGA card received analog signal from ADC (LM4550) card, transmitter signal was received, demodulated and recorded with HDSDR program. FPGA card generated the transmitter signal in analog form via DAC (LM4550) card and sent it to the microphone input of the laptop's sound card. And finally, the recorded transmitter signal was demodulated offline with the matlab code and the result was saved on the hard disk. It has been observed that the demodulated signal obtained is the same as the initial modulation signal and the modulation is performed properly. As a result, a good platform for the implementation and training of SDR systems on FPGA has been obtained.

Keywords

• SDR
• FPGA
• VHDL

References

1. Collins T.F., Getz R., Pu D. & Wyglinski A.M. (2018) Software Defined Radio for Engineers,
2. Mady Z.G.A. (2016). Transmit and Receive of Quadrature Phase-Shift Keying (QPSK) Signal Using Softrock SDR and Matlab Natural and Appliance Science of Karabuk University, Turkey
3. Gareane A.G.A (2016). Transmit and Receive of FM Signals Using Softrock SDR and Matlab, Natural and Appliance Science of Karabuk University, Turkey
4. Eame M.A.M (2016). Transmit and Receive of FSK Signals Using Softrock SDR and Matlab, Natural and Appliance Science of Karabuk University, Turkey
5. Feng Z. (2013). A Software Defined Radio Implementation Using Matlab, Vaasan Ammattikorkeakoulu University of Applied Sciences, Finland
6. Kara F. (2015). VHDL Kullanarak OFDM Gerçeklenmesi, Bülent Ecevit Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Türkiye
7. Akpolat A.N. (2015) FPGA Tabanlı Nesne Algılama, Fırat Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Türkiye
8. Cai X, Zhouand M. &Huang X. (2017, April), “Model Based Design for Software Defined Radio on an FPGA,” IEEE Access, April 2017.

9. Mathworks Systems (2020). Erişim Adresi: https://www.mathworks.com/products/matlab.html
10. Audacity Audio Software Systems (2020) Erişim Adresi: https://www.audacityteam.org
11. High Definition Software Defined Radio (2020) Erişim Adresi: http://www.hdsdr.de/
12. ISE Design Suite (2020) Erişim Adresi: https://www.xilinx.com/products/design-tools/ise-design-suite.html
13. Numato Systems (2020) Erişim Adresi: http://numato.com/
14. Kibar A.E. (2019). Genlik Modülasyonu Kullanarak Güç Sinyallerinde Harmonik Çözümleme, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Türkiye
15. Alghiryani S.G.S. (2016). Transmit and Receive of SSB and DSB-AM Signals Using Softrock SDR and Matlab, Natural and Appliance Science of Karabuk University, Turkey M.F. (2012). Introduction to Spartan 3E FPGA and VHDL