Alanda Programlanabilir Kapı Dizileri'nde i̇şaret üretimi ve süzgeçlerin gerçeklenmesi
Implementation of Signal Generation and Filters on Field Programmable Gate Arrays (FPGA)
Yazar: ZEYNEP KAYA
Danışman: YRD. DOÇ. DR. EROL SEKE
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Telekomünikasyon  - Sinyal İşleme Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Sayısal işaret işlemede süzgeçler oldukça geniş ve önemli bir yere sahiptir. Süzgeçler bant genişliğini sınırlamak, ilgilenilen aralığın dışında kalan frekanslardaki işaretleri bastırmak bu sayede gürültü enerjisini azaltmak, giriş işaretini şekillendirmek ve/veya sadece istenilen örüntüye sahip işaretlerin tanımak/geçmesine izin vermek için kullanılırlar. Örneklenmiş ve sayısallaştırılmış işaret değerleri üzerinde ilgili hesapları gerçekleştirmek için FPGA (Alanda Programlanabilir Kapı Dizileri) ve DSP (Dijital İşaret İşlemcisi) gibi özel veya genel amaçlı sayısal işlemciler/devreler/yazılım kullanılır. Ana sistem, işaret/görüntü tanıma/üretme ve/veya haberleşme için tasarlanmış olabilir. Örneğin, SDR (Yazılım Tabanlı Radyo) süzgeç, eşzamanlayıcı, modülatör, demodülatör, kodlayıcı vb gibi birçok sayısal işlem içermektedir. İşlemlerin karmaşıklığına bağlı olarak, gerçek zamanlı yada değil çoğu sistemin hızı/performansı temel aritmetik işlemlerle sınırlanmaktadır.
Bu tez çalışmasında sayısal süzgeçlerin çarpma işlemsiz de gerçekleştirilebileceğini göstermek amacıyla LUT (Taramalı Tablo) tabanlı süzgeçler incelenmiş, geliştirilmiş ve örnek süzgeç olarak üst-örnekleyen raised-cosine süzgecinin FPGA üzerinde tasarımı gerçekleştirilmiştir. LUT içeriğinin çalışma zamanında değiştirilebilmesi süzgeç tepkisinin de çalışma zamanında değiştirilebilmesine olanak sağlamakta, aynı zamanda çarpma işlemi de içermediğinden bu süzgeçleri klasik süzgeçlere göre oldukça avantajlı bir konuma getirmektedir.
SDR sistemlerinde değişik frekanslarda sinus (yada farklı dalgaşekilleri) işaretleri birçok katmanda kullanılmaktadır. Bu işaretler sayısal osilatörler ile üretilmektedir. Bunlardan en vazgeçilmezi istenen işaretin seçimi yada veri işaretinin belirlenmesi için kullanılan eşzamanlama ve algılama devreleri için üretilen dalga şekilleridir ve frekansı anlık ayarlanabilen osilatörler ile üretilmelidirler. De Moivre trigonometrik ilişkisini kullanan sayısal bir osilatör geliştirilmiş, bu osilatörün trigonometrik ilişkiler ve doğrusal yaklaşım uygulamalarıyla birleştirilmesiyle daha önce gerçeklenmemiş iki sayısal kontrollü sinüzoidal işaret üreteci tasarlanmıştır. Lineer parçalı doğrusal yaklaşım ile yeni bir sayısal kontrollü osilatör daha geliştirilmiş ve Simulink üzerinde test edilmiştir.
Anahtar Kelimeler: FPGA, LUT, FIR filtre, De Moivre, VHDL, NCO, SDR.

Abstract:
Filters have wide and important role in digital signal processing. They are used for limiting bandwidth, suppressing signals in frequency outside the interest range to reduce the noise power, shaping the input signal and allowing the signal which has desired pattern. FPGA (Field Programmable Gate Array), DSP (Digital Signal Processor) and special microprocessor/ circuitry/ software are generally used to perform signal processing on sampled and digitized signal values. Main system might have been designed for signal/image recognition/ production and/or communication systems and includes many digital processes such as SDR (Software Defined Radio) filter, synchronizer, modulator, demodulator, encoder etc.. Depending on the complexity of the operation, performance/speed of most systems, real-time or not, is limited by fundamental arithmetic operations.
It is shown in this thesis that LUT (Look-Up Table) based digital filters can be implemented without multiplication but with a reasonable serialization. LUT based filters are examined and improved and an upsampling raised-cosine filter is designed and implemented on FPGA. Since the content of the LUT can be changed at runtime, filter response can also be changed at runtime. In addition, because these filters do not include multiplication, they are quite advantageous compared to conventional filters.
Sinusoidal signals (or different waveform) at different frequencies are used in many layers of SDR systems. These signals are generated with numerically controlled oscillators. The most indispensable use of numerically controlled oscillators is in synchronization and detection circuits where the transmitted data is detected. These waveforms must be generated by frequency-adjustable oscillators. A numerically controlled oscillator is developed by using De Moivre trigonometric identity. Two additional new oscillators are designed by combining De Moivre oscillator and trigonometric relations. Another new numerically controlled oscillator is designed with linear segment approach and tested on Simulink.
Keywords: FPGA, LUT, FIR filter, De Moivre, VHDL, NCO, SDR