FPGAスタンドアロンSDRレシーバー

以前、DE0-nanoデバッグボードに基づく自家製SDRレシーバーについて書きました。 他のほとんどのSDRレシーバーと同様に、コンピューターに接続しなければ動作しませんでした。 同時に、使用されたFPGAにはまだ多くの未使用のリソースがあったため、受信機を完全に自律的にすることにしました。

SDRレシーバー全体の動作方法と、それを実装する方法について-さらに。

前のプロジェクトについて少し

任意の受信機のタスクは、アンテナからの信号を増幅し、目的の高周波信号を選択し、それを低周波領域（ほとんどの場合は音）に転送し、結果の信号を復調することです。 この場合の難しい問題は、正確に特定の高周波信号が無線空気全体から分離されることです。 通常、目的の信号は比較的狭い周波数帯域にあり（ほとんどのアマチュア無線信号の幅は4 kHz未満です）、その隣には他の無線信号があり、その受信は干渉するだけです。 したがって、アナログのアマチュア無線受信機は非常に複雑であり、いくつかの周波数変換を実行し、かなり複雑なバンドパスフィルターをインストールする必要があります。 さまざまな信号変調方式の存在には、復調器の受信機セットの導入も必要です。



強力なコンピューティングテクノロジーの普及により、レシーバー機能の一部をコンピューターに転送することが可能になりました。 デジタル信号処理により、非常に効果的なバンドパスフィルター（ローパスフィルターも含む）を作成し、あらゆる種類の信号を復調し、受信信号のスペクトルを表示することができます。



最近のほとんどの受信機では、元の信号を基準発振器であるローカル発振器からの信号と混合（乗算）することにより、信号を高い周波数から低い周波数に転送します。 その結果、元の信号と局部発振器の周波数差に等しい周波数の信号がミキサー出力に現れます。



ただし、この場合、ローカル発振器周波数よりも低い信号と高い信号の両方を受信できます（図の周波数AとB）。 この現象は「ミラーチャネル」と呼ばれます。 それに対抗するために、アナログ受信機はフィルターを共有し、中間周波数に転送します。



直交信号ミキシングを使用して、ミラーチャネルを抑制する別の方法（位相）があります（ メソッドの説明 ）。 この方法の特徴は、受信機での実装のために、十分に高い次数の2つの位相シフターを実装する必要があり、それらの特性が同一である必要があることです。



いくつかの異なる信号はまったく同じ方法でデジタル処理できるため、今ではかなりシンプルだが効果的なレシーバーを作成することが可能になりました。 このような受信機では、直交ミキサー後の信号はRF信号からフィルタリングされ、増幅され、ADCによってデジタル化され、コンピューターまたはDSPに送信されます。 この技術は、ほとんどのSDR受信機で使用されています。

そのような受信機の構造図：





適切な高速ADCとFPGAを使用すると、結果の信号の直交変換とデシメーションをデジタルで実行できます。 このタイプのレシーバーは、DDC（デジタルダウンコンバージョン）と呼ばれます。 このような受信機にはアナログコンポーネントが実質的に存在しないという事実により、非常に高い「ミラーチャネル」抑制係数を取得できます。

これは、前に説明した受信機です。 外部ADCとFPGAに実装されたFPGA、デジタル信号発生器、CICおよびFIRフィルター、受信した情報をコンピューターに送信するためのモジュールが含まれていました。 レシーバは、イーサネット経由で16ビットx 50 ksps x 2チャネルのデータストリームを提供しました。



そして、自律的に動作できるSDRレシーバーの説明に移る価値があります。

信号の分離とその復調

私のレシーバーでは、これらの操作はコンピューターで実行されていました。 今では、それらをFPGAに実装する必要がありました。

結果の復調器のブロック図：



受信機のチンキのメイン周波数を変更せずに受信信号の周波数を変更できるようにしたかったので、追加のジェネレーターと複素乗算器を復調器ブロックに追加する必要がありました。 ジェネレーター（NCO1）は正弦波と余弦波を形成し、0〜25 kHzの範囲で調整できます。

目的の信号をゼロ周波数の領域に転送するには、直交乗算器を使用します。 その動作の重要な特徴は、複雑な信号が乗算され、その出力にミラーチャネルが発生しないことです。

また、NCO1と乗算器を接続するバスを交換して、信号シフトの方向を変更できるモジュールもあります（このモジュールは図には示されていません）。

信号転送結果：





ただし、前述の周波数転送では、ミラーチャネルの問題は解決されません。

直交ミキサの出力での信号の位相は、局部発振器周波数に対する位置に依存します。この周波数を超える周波数では、チャンネルIとQで+90度、-90度未満の位相差が生じます。

したがって、チャネルIのすべての信号をさらに+90度シフトすると、信号の位相差は180度または0度になります。 結果の信号を互いに追加するだけで十分です。不要なミラーチャネルは抑制されます（180度の位相差を持つ信号を追加するとゼロになります）。 信号を加算する代わりに減算する場合-受信されるのはミラーチャネルになります-この方法で、受信帯域のタイプを切り替えることができます：LSB / USB。





位相シフトを実行するために、デジタル位相シフトフィルターであるヒルベルト変換が復調器モジュールに導入されています。 信号のすべての周波数成分の位相シフトを90度実行します。

フィルターは、Matlabに含まれているFDAToolツールを使用して計算されました。 実際、ヒルベルトフィルターは特定の係数を備えた一種のFIRフィルターです。 FDAToolでは、結果のフィルターのVHDLコードを生成することもできます。 使用されるフィルターの次数は65です。

ヒルベルトフィルターの特徴は、周波数0およびFs / 2で透過率が0になる傾向があることです。この場合、これは0〜500 Hzの低周波数範囲の周波数が受け入れられないことを意味します。



ヒルベルトフィルターは、信号をN / 2サンプルだけ遅延させます。ここで、Nはフィルターの次数です。 この影響を補正するために、遅延線（FIFOバッファー）がチャネルQに導入され、信号を34サンプルだけ遅延させます。



チャンネルIとQの信号を結合した後、0〜3 kHz帯域の信号を出力に渡すことにより、結果の信号をフィルターで除去する必要があります。 これは、通常このような帯域を持つSSB信号の受信を容易にするためです。 電信で運営されている複数のラジオ局がこの帯域に入ると、それらすべてが聞こえることに注意してください。

フィルターとして、Quartusの既製のFIRフィルターが使用されます。 オーダーは32で、その係数もFDAToolで計算されました。

結果のフィルターの周波数応答：



すべての復調器モジュールには12ビットがあります。 ビット深度を低くしても、非常に高品質のサウンドは生成されません。サイズを大きくすると、より多くのFPGAリソースが必要になりますが、明らかに十分ではありません。 すべてのモジュールのクロック周波数は、周波数50 kHz（デシメーションフィルターの出力でのデータフローレート）です。

音声出力

FPGAから音声信号を出力するために、PWMドライバーを使用しました。 これはオーディオ信号を作成する最良の方法ではありませんが、最も簡単な方法です。 PWMドライバーのクロック周波数は、100 MHzという十分に高い値に選択されています。 このような周波数では、ビット深度が12ビットで、PWMパルス周波数は24 kHzです。



受信信号のダイナミックレンジは非常に大きいため、通常の受信では、設計ではプログラムされた自動ゲイン制御（AGC）を導入する必要がありました。 これは非常に簡単に実装されます-復調器の出力での信号振幅が大きすぎる場合、AGCモジュールは復調器の入力で信号を減衰させます（それに含まれるRight Shifterブロックはこの目的に使用されます）。 信号は単純なシフトにより2 ^ N回減衰しますが、これはあまり便利ではありませんが、ソフトウェアで非常に簡単に実装でき、実際にはFPGAリソースを必要としません。 0.2秒以内に復調器の出力の信号が低い場合、信号の減衰は減少します。 この方法の欠点は、ゲインの切り替えが時々可聴になることです。

FFT、スペクトル表示、受信機制御

以前、私はすでにVGAモニターで動作するDE0-nanoに取り組んでいました。 FFTモジュールも試しました 。

したがって、利用可能なモジュールをレシーバープロジェクトに転送し、デシメーションフィルターの出力をFFTモジュールの入力に接続するだけで十分でした。そして、メインローカルオシレーターNCO2の周波数から+ -25 kHzの帯域の無線信号のスペクトルを観測できるようになりました。 サウンド復調器とFFTは独立して動作するため、受信機の設定の周波数を変更せずに受信信号の周波数を変更できます。

512ポイントの長さを備えたQuartus製のFFTモジュールは、ウィンドウ関数モジュールと連携して動作します。



伝統的に、スペクトルを表示するとき、その対数表現が使用されます。 ただし、対数を計算するためのハードウェアモジュールがFPGAリソースを大量に消費し、ソフトウェアの対数の計算が長すぎることが判明しました。 そのため、画面に表示される前のスペクトル振幅の値は2 ^ N倍だけ減少します。数値Nはプログラムで変更できます。



このプロジェクトでは、NIOS IIソフトウェアプロセッサを含むSOPCシステムを使用して、FFTモジュールからのデータのキャプチャ、VGA画面へのデータの出力、SDRAMの操作、およびレシーバーの制御を行います。

簡略化されたSOPCブロック図：





受信機を制御するために、PS / 2インターフェイスを備えたマウスを使用することにしました。 それは非常に簡単で 、すべての通信は2本のワイヤで行われます。 アルテラのWebサイトでは、一部のデバッグボードの例の中で、PS / 2で動作するように設計されたSOPCのモジュールが明示的に言及されました。 コードに遭遇しました（必要なリンクが見つからないため、リンクを指定できません）。 見つかった例は、私のシステム周波数で動作するように変更する必要がありましたが、最初はまだ動作していませんでした。 PS / 2バスは双方向で、5ボルトであり、FPGAは3.3Vで動作するため、状況は複雑でした。 判明したように、マウスが正常に動作するには、5Vを供給する必要があります（マウスは3.3Vで起動しません）。Quartusの設定では、PS / 2に使用される出力は3.3Vから動作するように示されます（残りの出力は2.5 V）。 また、信頼性の高い動作のために、CLKラインとグランドの間に470pFのコンデンサを設置する必要がありました。 おそらく、外部の電圧レベルコンバータを使用すれば、問題を回避できます。

次に、Niosからマウスとの接続を確立することができましたが、ここで問題が発生しました-マウスによるデータ出力の頻度を調整できませんでした。 後に判明したように、特定の種類のマウスの問題でした。 プログラムレベルでのマウスの操作は複雑ではありません。初期化後、移動すると、3バイトがFPGAに送信され、マウスコントローラーがSOPCで受信します。 また、Niosがカーソルの新しい座標を計算するハンドラーで、Niosの割り込みを生成します。



Niosに実装されたインターフェースにより、スペクトル、「ウォーターフォール」の観察、受信機設定（メインローカルオシレーター）の制御、音声受信の周波数、受信帯域の種類-USB / LSBの調整が可能になります。 チューニング周波数は、左/右マウスボタンで周波数インジケーターの対応する数字をクリックすることで変更できます（同様に、多くのコンピューターSDRプログラムで周波数を変更できます）。 サウンド受信設定の周波数は、スペクトルまたは「ウォーターフォール」の適切な場所でマウスをクリックすることで変更できます。



受信機全体のブロック図：

プロジェクトで使用されるFPGAリソース

上で書いたように、プロジェクトを作成する過程で、プロジェクトのボリュームに関連する特定の困難がありました。 多数のフィルターを使用します。これらのフィルターは、ロジックエレメント（LE）とハードウェア乗算器の両方で使用されます。 各ブロックのパラメーターを設定するとき、使用するフィルターの長さを選択する必要がありました。 リソースが不足しているため、一部のフィルターを対称モードに切り替える必要があり、フィルターで使用される乗算器の数が半分になりました。 それでも、復調器のヒルベルトフィルターとFIRフィルターのパラメーターはかなり平凡でした（コンピュータープログラムでは、はるかに効率的です）。 結果のデザインでは、FPGAリソースが最大限に使用されていないことに注意してください。ほとんどのモジュールのクロック周波数は50 kHzですが、はるかに高い周波数で動作できます。

また、非常に多くのリソースがSOPCとNiosによって占有されています-6000 LE以上。

合計で、プロジェクトは以下を使用します。

LE：21,445 / 22,320（96％）

9ビット乗算器：98/132（74％）

ご覧のとおり、ほぼすべてのLE FPGAが使用されています。



受信機の一般的なビュー：



クローズアップ：





操作中の表示（CQ WW RTTY DXコンテスト中）：



SSB受信：





ビデオ受信機の操作：





ビデオから、受信機の品質を判断できます。 音声は、ビデオでの電話の録音よりも耳のほうが少し優れていることに注意してください。 また、以前の投稿で既に述べたように、使用されるアンテナは最適ではありません。

受信機はrtty信号を受信することができ（受信機に接続されたPDAはそれらをデコードしました）、JT65信号は受信されました（コンピューターでデコードされました）。 メテオファックスを放送するドイツのラジオ局はよく聞かれました。



プロジェクトへのリンク