Eğitsel SDR Tekniklerine Dayalı FPGA Tabanlı FM Radyo Verici Tasarım ve Uygulaması

Yazılım Tanımlı Radyo (SDR) sistemlerinin temel amacı, radyo sinyallerini sayısal olarak işlemek için bir dijital sinyal işlemcisi kullanmaktır. Bu sistemlerde modülasyon, demodülasyon, sinyal oluşturma ve hat kodlama gibi görevleri gerçekleştirmek için Alan Programlanabilir Kapı Dizisi (FPGA) gibi bir işlemcinin kullanılması, analog devre tabanlı donanıma olan talebi önemli ölçüde azaltır. FPGA'lar, programlanabilir mantık blokları arasındaki bağlantılardan oluşan çok çeşitli uygulamalara sahip dijital entegre devrelerdir. Yaratıcının, tasarımcının ihtiyaç duyduğu mantık işlevlerini gerçekleştirmesine yardımcı olmayı amaçlar. Sonuç olarak, kullanıcı her bir mantık bloğunun işlevini değiştirebilir. VHSIC Donanım Tanımlama Dili (VHDL), FPGA programlamada yaygın olarak kullanılır. Bu çalışmada VHDL kodu oluşturulmuş ve bu araştırmada bir FPGA kartına (CMOD A7) bir FM vericisi uygulanmıştır. Sinyalleri göndermek ve almak için PC üzerindeki ses kartı arayüzü kullanılırken, FPGA tarafında ise aynı amaç için uygun ADC ve DAC kartları kullanılmaktadır. Örnek wav dosyalarını oynatmak için Audacity programı, sinyalleri izlemek ve wav dosya formatında kaydetmek için HDSDR SDR programı kullanıldı. Son olarak, MATLAB kodu kullanılarak, kaydedilen verici sinyali çevrimdışı olarak demodüle edildi ve çıktı, sabit sürücüye depolandı. Elde edilen demodüle edilmiş sinyal, modülasyonun doğru bir şekilde yürütüldüğünü gösteren ilk modülasyon sinyaliyle aynıdır. Sonuç olarak, FPGA kullanan SDR sistemlerinin geliştirilmesi ve eğitimi için mükemmel bir temel oluşturulmuştur.

Anahtar Kelimeler:

SDR, FPGA, MATLAB, FM, TX.

Design and Implementation of an Educational FM Transmitter with FPGA Using SDR Techniques

The basic purpose of Software Defined Radio (SDR) systems is to use a digital signal processor to numerically handle radio signals. The use of a processor like a Field Programmable Gate Array (FPGA) to perform tasks like modulation, demodulation, signal creation, and line coding on these systems dramatically decreases the demand for analog circuit-based hardware. FPGAs are digital integrated circuits with a wide range of applications which are made up of links between programmable logic blocks. It's aimed at assisting the creator realize the logic functions that the designer needs. In consequence, the user may change the function of each logic block. VHSIC Hardware Description Language (VHDL) is commonly used in FPGA programming. In this study, VHDL code was created, and a FM transmitter was implemented on a FPGA board (CMOD A7) in this research. The sound card interface on the PC used to send and receive the signals while suitable ADC and DAC cards are used on the FPGA side for the same purpose. Audacity program was used to playback the sample wav files while HDSDR SDR program was used to monitor and record the signals in wav file format. Finally, using the MATLAB code, the recorded transmitter signal was demodulated offline, and the output was stored to the hard drive. The demodulated signal obtained is identical to the initial modulation signal, indicating that the modulation was correctly executed. As a result, a perfect foundation for the development and training of SDR systems using FPGA has been established.

Keywords:

SDR, FPGA, MATLAB, FM, TX.,

PDF

___

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,
Gareane A.G.A (2016). Transmit and Receive of FM Signals Using Softrock SDR and Matlab, Natural and Appliance Science of Karabuk University, Turkey
Eame M.A.M (2016). Transmit and Receive of FSK Signals Using Softrock SDR and Matlab, Natural and Appliance Science of Karabuk University, Turkey
Feng Z. (2013). A Software Defined Radio Implementation Using Matlab, Vaasan Ammattikorkeakoulu University of Applied Sciences, Finland
N.H. Sephus, A.D. Lanterman and D.V. Anderson, "Exploring frequency modulation features and resolution in the modulation spectrum," in Digital Signal Processing and Signal Processing Education Meeting (DSP/SPE), 2013 IEEE , vol., no., pp.169-174, 11-14 Aug. 2013
D.V I. Vitas, D. Šimuniand P. Kneževi, “Evaluation of software defined radio systems for smart home Environments,” in MIPRO, Opatija, Croatia, 2015, p 562.
I. Hatai and I. Chakrabarti “A new high performance digital FM modulator and demodulator for software defined radio and its FPGA implementation,” International Journal of Reconfigurable Computing, New York, United States, 2011
I. Hatai and I. Chakrabarti “FPGA Implemantation of a Digital FM Modem,” International Conference on Information and Multimedia Technology, 2009, pp 1-4
D. V. W. L. and f. h., "How to pack a room of analog FM-modulators into a Xilinx FPGA," Xilinx DSP Magazine, April 2007
Ali Ibrahim Khalifa HANDER, 2021 “Design and Implementation of an Educational AM Receiver With FPGA Using SDR Techniques”, Karabük University, Department of Electrical and Electronic Engineering
C. Kiremitci and B. Erkal, "Eğitim Amaçlı SDR Tekniklerine Dayalı FPGA Tabanlı Genlik Modüleli Radyo Vericisi Tasarımı ve Uygulaması", Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi, pp. 184-189, Oct. 2020, doi:10.31590/ejosat.803492
Hikmat N. Abdullah., “SOFTWARE DEFINED RADIO USING SIMULINK HDL CODER”, University of Al-Mustansiryah, College of Engineering, Electrical-Engineering Department, Baghdad-Iraq, (2020)
Internet: Digilent, “CMOD-A7 FPGA board”, https://digilent.com/reference/_media/cmod_a7/cmod_a7_rm.pdf
Internet: Digilent, “PMOD-AD1”, https://digilent.com/reference/_media/pmod:pmod:pmodAD1_rm.pdf
Internet: Digilent, “PMOD-DA2”, https://reference.digilentinc.com/reference/pmod/pmodda2/reference-manual
Internet: VIVADO Design Suite: https://www.xilinx.com/products/design-tools/vivado/vivado-ml.html
Internet: Audacity Audio Software Systems: https://www.audacityteam.org/
Internet: High Definition Software Defined Radio: https://hdsdr.software.informer.com/
Internet: Mathworks Systems (MATLAB): https://www.mathworks.com/products/matlab.html/