Implementierung eines Software Defined Radio auf einem Field Programmable Gate Array (FPGA)

Inhaltsverzeichnis

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

Zielsetzung & Themen

Das primäre Ziel dieser Arbeit ist die Realisierung eines Software Defined Radio (SDR) auf einem FPGA-Board. Hierbei soll die Signalverarbeitung, insbesondere die Demodulation eines AM-Signals, effizient in Software auf dem FPGA-Baustein umgesetzt werden, anstatt spezialisierte Demodulations-Hardware zu verwenden.

• Grundlagen der programmierbaren Logik und FPGAs
• Konzeption und Architektur von Software Defined Radios
• Methoden der AM-Demodulation und I/Q-Verarbeitung
• Praktische Implementierung auf einem Virtex-4 FPGA
• Einsatz von IP-Cores für Signalverarbeitungsaufgaben
• FFT-basierte Kanalanalyse und Systemverifikation

Auszug aus dem Buch

Zusammenfassung der Kapitel

KAPITEL 1: EINLEITUNG: Dieses Kapitel stellt die beteiligte Firma vor, erläutert die Motivation für den Einsatz von Software Defined Radios und definiert die Zielsetzung sowie die Gliederung der Arbeit.

KAPITEL 2: GRUNDLAGEN: Hier werden die theoretischen Grundlagen zu programmierbarer Logik, FPGAs, eingebetteten Systemen sowie die Prinzipien von SDR und AM-Demodulation dargelegt.

KAPITEL 3: ENTWICKLUNG UND ARBEITSUMGEBUNG: Dieses Kapitel beschreibt die verwendeten Software-Werkzeuge wie Xilinx ISE, MATLAB und die genutzte Hardware, insbesondere das Virtex 4 FPGA Evaluation Board.

KAPITEL 4: ENTWURF UND IMPLEMENTIERUNG: Dieser Abschnitt widmet sich der praktischen Umsetzung des Projekts, vom Entwurf der D/A- und A/D-Wandler bis hin zur Implementierung des Datenpfades, der Mischer und des Bandpassfilters.

KAPITEL 5: FFT-ANALYSE: In diesem Kapitel wird die Kanalanalyse mittels FFT-Algorithmus für AM-Signale und Rechtecksignale durchgeführt und ausgewertet.

KAPITEL 6: FAZIT: Das Fazit fasst die Ergebnisse der Arbeit zusammen und bestätigt die erfolgreiche Implementierung der gesamten Signalverarbeitungskette auf dem FPGA.

Schlüsselwörter

Software Defined Radio, SDR, FPGA, Virtex-4, AM-Demodulation, I/Q-Verarbeitung, CORDIC-Core, DDS-Core, Signalverarbeitung, Bandpassfilter, FFT, Digitale Signalverarbeitung, Hardwareentwurf, Schnittstellen, Signalrekonstruktion.

Häufig gestellte Fragen

Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?

Die Diplomarbeit befasst sich mit der Entwicklung und Implementierung eines Software Defined Radios (SDR) auf einem FPGA-Baustein, um die Signalverarbeitung flexibel in Software abzubilden.

Was sind die zentralen Themenfelder der Arbeit?

Die zentralen Themen umfassen FPGA-Architekturen, die Konzeption von SDR-Systemen, mathematische Verfahren der AM-Demodulation sowie die praktische Anwendung von Signalverarbeitungsalgorithmen.

Was ist das primäre Ziel der Arbeit?

Das Ziel ist der Aufbau eines SDR, bei dem Demodulations- und Filteraufgaben effizient durch den Einsatz von FPGAs und spezifischen IP-Cores gelöst werden.

Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?

Die Arbeit nutzt einen systemtheoretischen Ansatz zum Vergleich von Demodulationsverfahren, gefolgt von einer praktischen Implementierung und Verifikation mittels Oszilloskop-Messungen und FFT-Analyse.

Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?

Der Hauptteil behandelt den Entwurf, die Implementierung der Wandler, den Aufbau des Datenpfades, die Konfiguration der Mischer und die Analyse der Signale mittels FFT.

Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?

Wichtige Schlagworte sind Software Defined Radio, FPGA, AM-Demodulation, CORDIC, DDS-Core, Signalverarbeitung und FFT-Analyse.

Wie wurde die Kommunikation zwischen FPGA und Codec realisiert?

Die Kommunikation erfolgt über das AC'97-Protokoll, wobei der FPGA die Aufgabe übernimmt, serielle Datenströme in Frames zu strukturieren und die entsprechenden Register zu konfigurieren.

Welche Vorteile bietet die verwendete I/Q-Verarbeitung auf ZF-Ebene?

Dieser Ansatz ermöglicht eine Demodulation ohne Quadraturverzerrungen bei Trägerschwund und macht eine aufwendige Trägerrückgewinnung überflüssig.

Warum ist der Einsatz von IDELAY-Blöcken im LTC2208-Design notwendig?

Die IDELAY-Blöcke dienen der präzisen zeitlichen Synchronisation der Sampling-Daten des A/D-Wandlers mit dem Systemtakt des FPGA.