Yazılım tanımlı radyo tabanlı FM demodülatör tasarımı
Software defined radio based FM demodulator design
Yazar: ARDA DEMİRAY
Danışman: ÖĞR. GÖR. HASAN BÜLENT YAĞCI
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Demodülasyon = Demodulation ; FM alıcısı = FM receiver ; FPGA = FPGA ; VHDL = VHDL

Özet:
Tez çalışması, haberleşme sistemlerinde yaygın bir kullanım alanına sahip olan FM 
işaretinden  bilgi  işaretinin  elde  edilmesini  sağlayan  FM  demodülatör  yapısının 
tasarımını ve gerçeklenmesini kapsamaktadır. Tasarlanan demodülatör yapısı yazılım 
tanımlı  radyo  tabanlıdır.  Tasarım  aşamasında  sayısal  FM  demodülatör  yapıları 
incelenmiş  ve  daha  önceki  çalışmalar  dikkate  alınarak  demodülatör  tasarımı 
tamamlanmıştır. Sistemin benzetimleri MATLAB Simulink ve Modelsim yardımı ile 
yapılmış  olup  VHDL  kullanılarak  başarılı  bir  şekilde  donanımsal  olarak 
gerçeklenmiştir.
Son  yıllardaki  gelişmeler  ile  birlikte  düşük  maliyetli  sayısal  işaret  işleyicilerin 
yaygınlaşması,  yazılım  tanımlı  radyo  sistemlerinin  tasarımı  için  önem  arz  etmiştir. 
Özellikle hücresel haberleşme olmak üzere telekomünikasyon teknolojisindeki hızlı 
gelişim  ile  birlikte  düşük  maliyetli  ürünlere  olan  ihtiyaç  artmıştır.  Günümüzde 
geleneksel  radyo  haberleşme  sistemleri  yerlerini  hızla  yazılım  tanımlı  radyo 
sistemlerine  bırakmaktadır.  Yazılım  tanımlı  radyo,  radyo  sistemlerinde  donanımsal 
fonksiyonların yazılım tabanında gerçeklenmesi ile oluşmaktadır. Geleneksel olarak 
donanım  bazında  gerçeklenen  modülasyon,  demodülasyon,  karmaşık  işaretlerin  IQ 
ayrımı,  kodlama,  kod  çözme  ve  süzgeç  gibi  analog  tasarım  ile  yapılması  zor  olan 
temel  haberleşme  birimleri  yazılım  tabanlı  olarak  gerçeklenebilmektedir.  Böylece 
mevcut yazılım güncellenerek haberleşme sistemlerinin fonksiyonları değiştirilebilir. 
Bu  kapsamda  yazılım  tanımlı  radyo  sistemlerinde  sabit  elektronik  devrelerinin 
kullanımı azalmakta ve esnek bir yapı elde edilmektedir.
Frekans modülasyonu haberleşme sistemlerinde yaygın bir kullanım alanına sahiptir. 
Analog  bir  modülasyon  türü  olan  frekans  modülasyonu,  yazılım  tanımlı  radyo 
teknolojisinin gelişimi ve getirdiği avantajlar ile yeni nesil haberleşme sistemlerinde 
yazılım  tabanlı  olacak  şekilde  tasarlanabilmektedir.  Frekans  modülasyonlu  RF 
işaretleri sayısal olarak örneklenmekte ve işaret işleme teknikleri kullanılarak gerçek 
zamanda demodüle edilmektedir.
Sayısal  FM  demodülasyonunda  tabanbant  gecikme  demodülatörü,  faz  uyarlayıcı 
demodülatör, faz kilitlemeli çevrim ve karma demodülatör yapıları kullanılmaktadır. 
Bu  demodülatör  yapılarının  MATLAB  programı  yardımı  ile  benzetimleri  yapılmış, 
işaret  kalitesi,  işlem  gücü  ve  kapladığı  alan  dikkate  alınarak  karma  demodülatör 
yapısı tercih edilmiştir. Karma demodülatör yapısı dördün karıştırıcı ve demodülatör 
olmak  üzere  iki  temel  bloktan  oluşur.  Dördün  karıştırıcı  bloğunda,  ADC  ile 
örneklenmiş  FM  işareti  NCO  tarafından  oluşturulan  sinüs  ve  kosinüs  işaretleri  ile 
çarpılarak alçak geçiren süzgeçten geçirilir. Bu bloğun çıkışında elde edilen gerçel ve 
sanal  işaretler  demodülatör  bloğunun  girişini  oluşturmaktadır.  Demodülatör  bloğu 
gecikme,  çarpma,  toplama,  CORDIC  bloklarından  oluşmaktadır.  Demodülatör 
bloğunun çıkışı alçak  geçiren  FIR süzgeç  yardımı ile biçimlendirilerek bilgi işareti 
elde edilir. 
Karma  FM  demodülatör  mimarisinin  tasarımı  Modelsim  benzetim  programı  ve 
SignalTap hata ayıklama aracı  ile doğrulandıktan sonra Altera firmasının DE0 Nano 
geliştirme kartında gerçeklenmiştir. Rohde & Schwarz vektör işaret üreteci yardımı 
ile 1MHz taşıyıcı işarete sahip FM işareti üretilmiş ve farklı frekans sapma değerleri 
ile  tasarım  test  edilmiş  ve  doğrulanmıştır.  Gerçeklenen  sistem  Altera  DE0  Nano 
geliştirme  kartında  bulunan  EP4CE22F17C6  model  FPGA'da  bulunan  22320  adet 
LE'nin  1893  tanesini  kullanmıştır.  Sistemin  toplam  güç  tüketimi  113.56  mW, 
gecikme süresi ise 5.84 ns'dir.

Abstract:
The  present thesis includes the design  and implementation of the  FM demodulator 
stuructures  which  provide  obtaining  information  signal  from  the  FM  signal  which 
has widely used in communication systems. The designed demodulator structure is 
based on software defined radio. Digital FM demodulator structures are examined at 
the design stage and the demodulator design is completed considering the previous 
studies.  The  simulation  of  the  system  is  performed  with  the  help  of  MATLAB 
Simulink  and  Modelsim  simulation  tool.  After  this,  the  design  is  successfully 
implemented with using VHDL.
Upon  the  developments  in  recent  years,  the  spread  of  low-cost  digital  signal 
processing  ICs  has  gain  significant  importance  for  the  design  of  software  defined 
radio  systems.  The  need  for  low-cost  products  has  increased  with  the  rapid 
development  in  telecommunication  technology,  especially  for  the  cellular 
communication. Nowadays, traditional radio communication systems have given its 
way  to  the  software  defined  radio  systems.  Software  defined  radio  is  formed  by 
performing  the  hardware  functions  in  a  software  base  in  the  radio  systems.  Some 
basic communication units such as modulation, demodulation, IQ discrimination of 
complex signals, encoding, decoding  and  filtering  are traditionally implemented as 
hardware based.  However it is difficult to perform these  with analog design, these 
units could also be implemented as software based. Thus, the communication system 
functions can be changed by updating existing software. In this context, the use of 
fixed  electronic  circuit  are  decreased  in  the  software  defined  radio  system  and 
flexible structure can be obtained.
Frequency  modulation  has  widespread  usage  in  communication  systems.  With  the 
development  of  software  defined  radio  technology  and  its  advantages,  frequncy 
modulation, which is an analogue type of modulation, can be designed as a software 
based  in  the  new  generation  communication  systems.  Frequency  modulated  RF 
signals are digitally sampled and demodulated in real time using signal processing 
techniques.
Baseband  delay  demodulator,  phase-adapter  demodulator,  phase-locked  loop  and 
mixed  demodulator  structures  are  used  in  the  digital  FM  demodulation.  The 
simulations  of  these  demodulator  structures  are  made  with  the  help  of  MATLAB 
Simulink. Considering signal quality, processing power and the area covered, mixed 
demodulator  structure  is  preferred.  Mixed  demodulator  structure  consists  of  two 
main blocks –  a quadrature mixer and a demodulator. At the quadrature mixer block, 
FM signal sampled by the ADC is multiplied by the sine and cosine signals created 
by NCO and then passed through a low pass filter. The obtained real and imaginary 
signals  at  the  output  of  this  block,  constitute  the  input  of  demodulator  block. 
Demodulator  block  consists  of  unit  delay,  multiplication,  addition  and  CORDIC 
blocks.  The  information  signal  is  obtained  from  the  output  of  demodulator  block 
after formatting with the aid of low pass FIR filter.
After  confirming  the  design  of  the  FM  demodulator  architecture  with  Modelsim 
simulation tool and SignalTap debugging tool, it is implemented in Altera DE0 Nano 
development board. With the aid of Rohde & Schwarz vector signal generator, FM 
signal having 1MHz carrier signal is produced and the design is tested and verified 
with different frequency deviations. The implemented system uses 1893 out of 22320 
logical  element  in  Altera  DE0  Nano  develeopment  board  EP4CE22F17C6  device. 
Power consumption of the system is 113.56 mW and delay time is 5.84 ns.