Đề tài Mô hình software defined radio cho hệ đo thử kênh mimo

MỤC LỤC Mở đầu ............................................................................................................................. 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ FPGA VÀ NGÔN NGỮ VHDL ................................. 2 1.1. Giới thiệu về FPGA. ......................................................................................... 2 1.2. Kiến trúc chung của một FPGA ............................................................................. 3 1.3. Ngôn ngữ phần cứng HDL. ............................................................................... 5 CHƯƠNG 2 CÁC CÔNG CỤ THIẾT KẾ .................................................................. 14 2.1. Những đặc điểm cơ bản của XtremeDSP Development Kit-IV ........................ 14 2.2. Các phần mềm chuyên dụng................................................................................. 23 2.3. Quy trình thiết kế tổng quát .................................................................................. 29 CHƯƠNG 3 GIỚI THIỆU MÔ HÌNH SOFTWARE DEFINED RADIO CHO HỆ ĐO THỬ KÊNH MIMO ............................................................................................... 32 3.1. Khái niệm MIMO ........................................................................................... 32 3.2. Lịch sử phát triển hệ MIMO ................................................................................. 33 3.3. Những ưu điểm của hệ MIMO ............................................................................. 33 3.4. Mô hình Software Defined Radio cho hệ đo thử kênh MIMO .......................... 37 CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM…………………………………………….40 4.1. Cơ sở lý thuyết………………………………………………………………………40 4.2. Mô hình thiết kế…………………………………………………………….………41 4.3. Kết quả mô phỏng trên MATLAB……………………………………………. 43 4.4. Kết quả thực nghiệm trên FPGA .......................................................................... 46 Kết luận ............................................................................................................................ Tài liệu tham khảo .......................................................... Error! Bookmark not defined. Mở đầu Hiện nay Thông tin vô tuyến là một ngành phát triển rất mạnh mẽ, các công nghệ sử dụng trong thông tin vô tuyến ngày càng được đổi mới nhằm nâng cao tính hiệu quả trong điều chế, giải điều chế và truyền thông tin. Tuy nhiên công nghệ phát triển càng cao thì lại càng đặt ra những khó khăn trong vấn đề thực nghiệm cho các sinh viên trong các trường Đại học. Các yêu cầu về phần cứng đôi khi lại trở thành những thử thách vô cùng phức tạp trong việc đưa các mô hình thiết kế vào thực tế. Vì vậy FPGA ra đời như một giải pháp cung cấp môi trường làm việc hiệu quả cho các ứng dụng thực tế. Tính linh động cao trong quá trình thiết kế cho phép FPGA giải quyết những bài toán phức tạp mà trước kia chỉ thực hiện nhờ phần mềm máy tính. Ngoài ra, nhờ mật độ cổng logic cao, FPGA được ứng dụng cho những bài toán đòi hỏi khối lượng tính toán lớn và dùng trong các hệ thống làm việc theo thời gian thực. Trong số các hãng sản xuất FPGA, Xilinx là một trong các hãng đi đầu trong việc sản xuất chip, không chỉ bởi các công cụ hỗ trợ thiết kế hoàn thiện mà còn cho phép người dùng có khả năng can thiệp sâu vào hệ thống, trong đó phải kể tới các chip dòng Virtex-sản phẩm mới nhất của Xilinx trong những năm gần đây. Qua quá trình tìm hiểu, nhóm nghiên cứu đã thực hiện được một số các ứng dụng trên FPGA nhằm hướng tới việc sử dụng FPGA như một công cụ để giải quyết bài toán đo kênh MIMO. Đây là vấn đề thu hút được rất nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực truyền thông vô tuyến. Để phục vụ cho mục đich này, trong nội dung bài luận văn dưới đây, em sẽ trình bày về việc sử dụng FPGA để thiết kế mô hình Software Defined Radio cho hệ đo thử kênh MIMO. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ FPGA VÀ NGÔN NGỮ VHDL 1.1. Giới thiệu về FPGA FPGA là viết tắt của "Field Programmable Gate Array", là vi mạch dùng cấu trúc mảng phần tử logic mà người dùng có thể lập trình được, có thể thực hiện các tính năng logic thông qua máy tính của mình với giá rẻ, và có thể xóa đi viết lại nhiều lần. Xilinx là công ty đầu tiên bán ra FPGA và luôn chiếm thị phần lớn nhất. Ngoài ra còn có Alterna, Lattice, Actel, QuickLogic. Nhiều nhà sản xuất hiện đang cung cấp rất nhiều cấu trúc và phương pháp xử lý khác nhau. Vì vậy, việc chọn một cấu trúc và một phương pháp xử lý để có thể đáp ứng được các yêu cầu về chức năng và độ ổn định, đối với một hệ thống trong thực tế là vấn đề mang tính quyết định. Thiết bị logic lập trình được được phát minh lần đầu vào cuối thập kỷ 1970 và ngay lập tức đã trở lên phổ biến trong ngành công nghiệp bán dẫn. Ngoài khả năng lập trình đa dạng, công nghệ này còn có thời gian sản xuất nhỏ nên có khả năng cạnh tranh thương mại rất lớn. Hơn nữa, việc thiết kế với nó khá dễ dàng và nó có khả năng lập trình lại nhiều lần. FPGA được thiết kế đầu tiêm bởi Ross Freeman, người sáng lập công ty Xilinx vào năm 1984, kiến trúc mới của FPGA cho phép tính hợp số lượng tương đối lớn các phần tử bán dẫn vào 1 vi mạch so với kiến trúc trước đó là CPLD (Complex Programmable Logic Device).Điểm tương đồng của CPLD và FPGA là ở chỗ chúng đều bao gồm một số lượng tương đối lớn các phần tử logic khả trình. Tuy nhiên mật độ tích hợp thì khác nhau, mật độ cổng logic của CPLD nằm trong khoảng từ vài nghìn đến hàng chục nghìn, trong khi với FPGA thì mật độ tích hợp cỡ hàng chục nghìn cho đến vài triệu. FPGA và CPLD có rất nhiều điểm khác biệt tuy nhiên kiến trúc là điểm khác biệt chính giữa CPLD và FPGA. CPLD có kiến trúc giới hạn ở một mức độ nào đó, nó bao gồm một hoặc nhiều dải logic “sum-of-products” khả trình và được cung cấp một số tương đối nhỏ các thanh ghi được đồng bộ. Điều này làm cho CPLD trở nên không được mềm dẻo lắm, nhưng bù lại trễ timing lại dễ dự đoán hơn và tốc độ kết nối logic cũng cao hơn FPGA. Với FPGA, thì kiến trúc theo một cách khác trội hơn hẳn CPLD bởi vì FPGA sử dụng các liên kết nối. Điều này không những tạo cho nó mềm dẻo hơn rất nhiều mà còn làm tăng độ phức tạp trong thết kế. Điểm khác biệt nữa giữa FPGA và CPLD là trong hầu hết chip FPGA đều có các hàm cấp cao (như bộ cộng và bộ nhân) và các bộ nhớ đã được nhúng vào. Ngoài ra, trong các FPGA đời mới còn hỗ trợ đầy đủ hoặc một phần việc cấu hình lại trong hệ thống, cho phép thay đổi thiết kế tức là có thể cập nhật hệ thống hoặc cấu hình động (dynamic reconfiguration) khi chúng đang hoạt động như là một chức rất bình thường. Một vài FPGA còn có khả năng cấu hình lại cục bộ (partial re-configuration) tức là một phần của thiết bị được cấu hình trong khi các phần còn lại vẫn đang hoạt động. 1.2. Kiến trúc chung của một FPGA Cấu trúc tổng thể của FPGA bao gồm: -Các khối Logic -Hệ thống liên kết mạch -Các phần tử tích hợp sẵn Hình 1.1 Cấu trúc tổng thể của một FPGA 1.2.1. Khối logic FPGA Hình 1.2 Khối Logic FPGA chứa trong nó rất nhiều khối logic có thể tái cấu hình CLB (Configurable Logic Blocks) được liên kết với nhau thành bằng các liên kết khả trình (Programmable Interconnect). Các khối vào ra được phân bố xung quanh chip tạo thành các liên kết với bên ngoài. Bên trong khối logic CLB có bảng LUT (Look-Up Table) và các phần tử nhớ (FlipFlop hoặc bộ chốt). LUT (Look up table) là khối logic có thể thực hiện bất kì hàm logic nào từ 4 đầu vào, kêt quả của hàm này tùy vào mục đích mà gửi ra ngoài khối logic trực tiếp hay thông qua phần tử nhớ flip-flop. Trong tài liệu hướng dẫn của các dòng FPGA của Xilinx còn sử dụng khái niệm SLICE, 1 Slice tạo thành từ gồm 4 khối logic, số lượng các Slices thay đổi từ vài nghìn đến vài chục nghìn tùy theo loại FPGA. Nếu nhìn cấu trúc tổng thể của mảng LUT thì ngoài 4 đầu vào kể trên còn hỗ trợ thêm 2 đầu vào bổ xung từ các khối logic phân bố trước và sau nó nâng tổng số đầu vào của LUT lên 6 chân. Cấu trúc này là nhằm tăng tốc các bộ số học logic. 1.2.2. Hệ thống mạch liên kết Mạng liên kết trong FPGA được cấu thành từ các đường kết nối theo hai phương ngang và đứng, tùy theo từng loại FPGA mà các đường kết nối được chia thành các nhóm khác nhau, ví dụ trong XC4000 của Xilinx có 3 loại kết nối: ngắn, dài và rất dài. Các đường kết nối được nối với nhau thông qua các khối chuyển mạch lập trình được (programable switch), trong một khối chuyển mạch chứa một số lượng nút chuyển lập trình được đảm bảo cho các dạng liên kết phức tạp khác nhau. 1.2.3. Các phần tử tích hợp sẵn Ngoài các khối logic tùy theo các loại FPGA khác nhau mà có các phần tử tích hợp thêm khác nhau, ví dụ để thiết kế những ứng dụng SoC, trong dòng Virtex 4,5 của Xilinx có chứa nhân xử lý PowerPC, hay trong Atmel FPSLIC tích hợp nhân ARV…, hay cho những ứng dụng xử lý tín hiệu số DSP trong FPGA được tích hợp các DSP Slide là bộ nhân cộng tốc độ cao, thực hiện hàm A*B+C, ví dụ dòng Virtex của Xilinx chứa từ vài chục đến hàng trăm DSP slices với A, B, C 18-bit. 1.3. Ngôn ngữ mô tả phần cứng (HDL) Ngôn ngữ mô tả phần cứng (HDL) là ngôn ngữ lập trình phần mềm dùng để mô hình họat động mong muốn của phần cứng. Có hai khía cạnh mà HDL tạo điều kiện để mô tả phần cứng: mô hình hành vi trừu tượng và mô hình cấu trúc phần cứng. Mô hình hành vi trừu tượng. Ngôn ngữ mô tả phần cứng tạo điều kiện dễ dàng cho việc mô tả trừu tượng hành vi của phần cứng đối với các mục đích đặc tả (chỉ rõ chi tiết kỹ thuật). Hành vi này không chỉ bị chi phối bới các khía cạnh cấu trúc hoặc thiết kế của ý địh phần cứng. Mô hình cấu trúc phần cứng. Cấu trúc phần cứng có khả năng được mô hình trong ngôn ngữ mô tả phần cứng mà không cần quan tâm đến hành vi thiết kế. Năm 1980 bộ Quốc phòng Mỹ (DOD) muốn thực hiện việc thiết kế mạch tự dẫn chứng, muốn theo đuổi một hệ phương pháp thiết kế tổng quát và có thể sử dụng lại được với các công nghệ mới. Rõ ràng đã có nhu cầu cho một ngôn ngữ lập trình chuẩn để mô tả chức năng và cấu trúc của các mạch số đối với việc thiết kế vi mạch (IC). Sau đó DOD đã tài trợ cho một dự án thuộc chương trình vi mạch có tốc độ rất cao VHSIC (very high speed integrated circuit) để tạo ra ngôn ngữ mô tả phần cứng chuẩn. Kết quả là dự án này đã tạo ra ngôn ngữ mô tả phần cứng VHSIC hay thường được gọi là VHDL (VHSIC Hardware Description Language-Ngôn ngữ miêu tả phần cứng VHSIC) như hiện nay. VHDL được xem như là sự kết hợp của các ngôn ngữ sau : ngôn ngữ tuần tự + ngôn ngữ đồng thời + netlist + định thời + mô phỏng. Do đó cấu trúc VHDL cho phép thể hiện cách thức thực hiện theo kiểu song song hay tuần tự của một hệ thống số có hoặc không có timing. Nó cũng cho phép vẽ mô hình một hệ thống bằng các liên kết nối của các thành phần. VHDL được dành cho tổng hợp mạch (synthesis) cũng như mô phỏng mạch (simulation). Dù VHDL có thể mô phỏng một cách đầy đủ, nhưng không phải tất cả các cấu trúc đều được VHDL tổng hợp. 1.3.1. Các ưu điểm của VHDL - Chương trình trong VHDL có thể được viết theo nhiều cấu trúc khác nhau: Ngẫu nhiên, tuần tự, nối chân, định thời chỉ rõ, ngôn ngữ sinh dạng sóng. - VHDL là một ngôn ngữ phân cấp, hệ thống số có thể được mô phỏng như một kết nối các khối mà các khối này được thực hiện bởi các khối con khác nhỏ hơn. - Cung cấp một cách mềm dẻo các phương thức thiết kế trên xuống, dưới lên, hoặc tổ hợp cả hai. - Cung cấp cả hai mode đồng bộ và không đồng bộ. - Linh hoạt trong kĩ thuật mô phỏng số như sử dụng biểu đồ trạng thái, thuật toán, các hàm Boolean. - Có tính đại chúng: VHDL được phát triển dưới sự bảo trợ của chính phủ Mỹ và hiện nay là một tiêu chuẩn của IEEE. VHDL được sự hỗ trợ của nhiều nhà sản xuất thiết bị cũng như nhiều nhà cung cấp công cụ thiết kế mô phỏng hệ thống. - VHDL cung cấp 3 kiểu mẫu viết khác nhau: structural, dataflow và behavioral. - Không giới hạn về độ lớn của thiết kế khi sử dụng ngôn ngữ. - VHDL hoàn toàn độc lập với công nghệ chế tạo phần cứng. Một mô tả hệ thống dùng VHDL thiết kế ở mức cổng có thể được chuyển thành các bản tổng hợp mạch khác nhau tuỳ thuộc công nghệ chế tạo phần cứng mới ra đời nó có thể được áp dụng ngay cho các hệ thống đã thiết kế . - Khả năng định nghĩa kiểu dữ liệu mới cung cấp một công cụ hữu hiệu cho thiết kế và mô phỏng công nghệ mới với một mức rất cao. 1.3.2. Cấu trúc một mô hình hệ thống sử dụng ngôn ngữ VHDL VHDL là ngôn ngữ mô tả phần cứng do vậy mà nó có thể được sử dụng để làm mô hình của một hệ thống số. Hệ thống số có thể đơn giản là các cổng logic hay phức tạp như một hệ thống hoàn chỉnh. Các khối xây dựng nên ngôn ngữ VHDL gọi là các khối thiết kế. Có 3 khối thiết kế chính: - Khai báo Entity (Thực thể) - Khai báo Architecture (Kiến trúc) - Khai báo Configuration (Cấu hình) - Đôi khi ta sử dụng các gó i (Packages) và mô hình kiểm tra hoạt động của hệ thống (Testbench). a. Entity (Thực thể) Khai báo thực thể trong VHDL là phần định nghĩa các chỉ tiêu phía ngoài của một phần tử hay một hệ thống. Khai báo Entity là chỉ ra tên của Entity và liệt kê các cổng vào/ra. Các cổng là các (dây) tín hiệu mà qua đó entity giao tiếp với môi trường bên ngoài. Ví dụ, một mạch bán tổng được chỉ ra ở hình 8 : Hình 1.3 Bộ bán tổng Khai báo Entity như sau: entity HALF-ADDER is port ( A, B : in BIT; SUM, CARRY : out BIT); end HATF-ADDER; Bộ bán cộng này gồm có hai đầu vào là A và B; và hai đầu ra là SUM và CARRY, BIT là một kiểu cấu trúc ngôn ngữ được định nghĩa trước của FPGA b. Architecture (Kiến trúc) Phần thứ 2 trong mã nguồn VHDL là khai báo Architecture. Mỗi một khai báo Entity đều phải đi kèm với ít nhất một Architecture tương ứng. Khai báo Architecture trong chương trình phải kết hợp tên của Architecture và một Entity trong chương trình đó. Phần thân Architecture có thể bao gồm các khai báo về các tín hiệu bên trong, các phần tử bên trong hệ thống, hay các hàm và thủ tục mô tả hoạt động của hệ thống. Tên của Architecture là nhãn được đặt tuỳ theo người viết chương trình. Cấu trúc bên trong của Architecture có thể được viết theo một trong số các kiểu mẫu sau: -Tập hợp kết nối bên trong của các thiết bị. -Tập các câu lệnh ngẫu nhiên -Tập các câu lệnh tuần tự. -Kết hợp của ba dạng trên. Các kiểu mô hình này sẽ được mô tả cụ thể như sau:  Kiểu kiến trúc Kiểu này được xây dựng dựa trên một tập các thành phần được kết nối. Ví dụ như bộ bán tổng được chỉ ra sau đây: architecture HA-STRUCTURE of HALF-ADDER is component XOR2 port (X,Y : in BIT; N: out BIT); End component; Component AND2 Port (L, M : in BIT; N : out BIT); End component; Begin X1: XOR2 port map(A,B,SUM); A1 : AND2 port map (A,B,CARRY); End HA-STRUCTURE;  Kiểu luồng dữ liệu Trong kiểu này, luồng dữ liệu qua Entity trước tiên được biểu diễn bằng các phép gán đồng thời. Kiểu luồng dữ liệu của bộ bán cộng được chỉ ra trong ví dụ sau: Architecture DATAFLOW of HALF-ADDER is Begin SUM <= A xor B after 8ns; CARRY <= A and B after 4ns; End DATAFLOW; Trong ví dụ này kiểu luồng dữ liệu sử dụng hai phép gán tín hiệu đồng thời (hoặc gán nối tiếp). Trong phép gán cho tín hiệu thì ký hiệu gán là “<=”. Giá trị của biểu biểu thức bên phải được gán cho tín hiệu bên phía tay trái. Một phép gán đồng thời được thực hiện chỉ khi có bất kỳ tín hiệu trong biểu thức phía phải có sự thay đổi, tức là giá trị tín hiệu thay đổi. Thông tin trễ cũng có thể được thêm vào phép gán bằng cách sử dụng mệnh đề “after” .  Kiểu behavior Kiểu behavior chỉ ra cách thức hoạt động của một entity như là một tập hợp lệnh được thực hiện theo kiểu nối tiếp bằng cách sử dụng process. Chúng không chỉ ra rõ ràng cấu trúc của entity mà chỉ ra chức năng của nó. Ví dụ sau xem xét kiểu behavior của bộ bán tổng. Architecture BEHAVIOR of HALF-ADDER is Begin Process (A,B) Variable X,Y : BIT; Begin X:=A; Y:=B; SUM<=X xor Y; CARRY <= X and Y; End process; End BEHAVIOR; Một process cũng có một phần để khai báo (trước từ khóa “begin”) và một phần để trình bày (giữa từ khóa “begin” và “process”). Các lệnh bên trong phần trình bày này được thực hiện theo kiểu nối tiếp. Danh sách các tín hiệu được chỉ ra trong dấu ngoặc sau từ khóa “process” tạo thành một danh sách “nhạy”. Tức là, khi có sự thay đổi của bất kỳ giá trị nào trong danh sách này thì mới thực hiện các lệnh trong process. Tuy nhiên, tất cả các process trong một chương trình thì đều thực hiện đồng thời. Khai báo biến (bắt đầu bằng từ khóa “variable”), trong ví dụ này có hai biến X và Y. Các biến được gán với ký hiệu là “:=” và giá trị của vế phải gán cho giá trị biến bên trái.  Kiểu hỗn tạp. Kiểu hỗn tạp là kiểu kết hợp cả ba kiểu trên. Tức là, bên trong một architecture, chúng ta có thể sử dụng cả ba cách trình bày trên. c. Configuration (Cấu hình) Khai báo Configuration dùng để lựa chọn một trong các thân Architecture có sẵn mà một Entity có hoặc để gắn các khối vào Entity. Nếu cho dạng cấu trúc, Configuration có thể được xem như liệt kê các thành phần cho khối mô hình. Cho mỗi khối thì Configuration chỉ rõ Architecture nào cho Entity từ nhiều Architecture. Khi Configuration cho tổng hợp Entity-Architecture thì được biên dịch vào thư viện và một thực thể mô phỏng được tạo ra. Ví dụ khai báo Configuration trong bộ bán tổng như sau: Library CMOS-LIB, MY-LIB; Configuration CONFIG of HALF-ADDER is For HA-STRUCTURE For X1:XOR2 Use entity CMOS-LIB.XOR-GATE (DATAFLOW); End for; For A1 : AND2 Use configuration MY-LIB.AND-CONFIG; End for; End for; End CONFIG; d. Package (Gói) Mục đích cơ bản của Package là gói gọn các phần nhỏ có thể được sử dụng trong nhiều thiết kế. Package là một biện pháp thường dùng để lưu dữ thông tin có thể được sử dụng trong nhiều Entity. Mối quan hệ trong Package cho phép dữ liệu có thể được tham chiếu bởi những Entity khác. Vì thế dữ liệu có thể được chia sẻ. Một Package gồm hai phần: Phần khai báo và phần thân (Body). Phần khai báo định nghĩa giao diện cho Package, bằng một cách tương tự như định nghĩa của Entity. Thân của Package chỉ rõ sự biến đổi quan hệ trong Package giống như trong Architecture. VHDL là không giống như cách thực thi chương trình một cách tuần tự như chương trình của PC, các lệnh của VHDL được thực hiện một cách đồng thời. Vì lí do này, người ta thường gọi là “mã VHDL” chứ không gọi là “chương trình VHDL”. Trong VHDL, chỉ các lệnh nằm trong PROCESS, FUNCTION hoặc PROCEDURE mới được thực thi một cách tuần tự. Như đã đề cập ở trên, một trong những ưu điểm của VHDL là nó cho phép tổng hợp một mạch hay một hệ thống trong một thiết bị khả trình (như PLD hoặc FPGA) hoặc trong một chip ASIC. Các bước thực hiện một project được chỉ ra trong hình 1.3. Hình 1.4 Sơ đồ thiết kế VHDL Thiết kế được bắt đầu bằng việc viết mã VHDL và lưu vào file có đuôi “.vhd” có cùng tên với tên của ENTITY. Bước đầu tiên trong quá trình tổng hợp là biên dịch. Biên dịch là quá trình chuyển từ ngôn ngữ VHDL bậc cao (mô tả mạch ở mức RTL – mức chuyển thanh ghi) sang dạng danh sách kết nối (netlist) ở mức gate. Bước thứ hai là tối ưu, được thực hiện trên danh sách kết nối mức gate để đạt được sự tối ưu về tốc độ hoặc tối ưu về diện tích sắp đặt. Ở giai đoạn này, thiết kế có thể được mô phỏng. Cuối cùng một phần mềm Place-và-route sẽ tạo ra sự sắp đặt (layout) vật lý cho một thiết bị PLD/FPGA hoặc sẽ tạo ra mặt nạ (mask) cho chip ASIC. e. Mô hình kiểm tra hoạt động (Testbench) Một trong các nhiệm vụ rất quan trọng là kiểm tra bản mô tả thiết kế. Kiểm tra một mô hình VHDL được thực hiện bằng cách quan sát hoạt động của nó trong khi mô phỏng và các giá trị thu được có thể đem so sánh với yêu cầu thiết kế.Môi trường kiểm tra có thể hiểu như một mạch kiểm tra ảo. Môi trường kiểm tra sinh ra các tác động lên