Eğitim amaçlı SDR tekniklerine dayalı fpga tabanlı genlik modüleli radyo vericisi tasarımı ve uygulaması
Design and implementation of an educational am transmitter with fpga using SDR techniques
Yazar: CANER KİREMİTCİ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ BİLGEHAN ERKAL
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Yazılım tanımlı radyo sistemlerinde temel amaç, radyo işaretlerini bir sayısal işaret işleyiciyle tamamen sayısal olarak işlemektir. Bu sistemler üzerinde modülasyon, demodülasyon, işaret üretimi ve hat kodlaması gibi işlemlerin alanda programlanabilir kapı dizileri gibi bir işlemci ile yapılması analog devre temelli donanıma duyulan ihtiyacı büyük ölçüde azaltmaktadır. Alanda Programlanabilir Kapı Dizileri ise, programlanabilir mantık blokları arası bağlantılarla meydana gelen ve fazla sayıda uygulama alanları olan sayısal bütünleşik devrelerdir. Tasarımcı ihtiyacına yönelik mantık işlevlerini uygulayabilme amacıyla üretilmiştir. Bundan dolayı her mantık bloğunun işlevselliği tasarımcı tarafından düzenlenebilir. FPGA'in programlanması aşamasında ise genellikle VHDL kullanılır. Bu çalışma üzerinde ilk olarak FPGA'de modellenecek genlik modüleli radyo vericisinin simülasyonu matlab kodlarıyla oluşturulmuştur. Ardından VHDL kodu, ISE Design Suite 14.7 üzerinde yazılarak, genlik modüleli verici, FPGA kartı (Mimas Spartan 6) üzerinde gerçekleştirilmiştir. Audacity programı ile modülasyonda kullanılacak örnek ses kaydı, ses kartı aracılığı ile FPGA kartına gönderilmiştir. FPGA kartı, ADC (LM4550) kartı üzerinden analog sinyali alarak HDSDR programı ile verici sinyali alınıp, demodüle edilip, kaydedilmiştir. FPGA kartı, DAC (LM4550) kartı aracılığı ile verici sinyalini analog formda üretip, laptopun ses kartı mikrofon girişine göndermiştir. Ve son olarak kaydedilmiş verici sinyali ayrıca matlab koduyla da offline olarak demodüle edilip sonuç harddiske kaydedilmiştir. Verilerin incelenmesi neticesinde, aynı test sinyali için simülasyon sonuçları ile reel test sonuçları arasında çok küçük miktar fark olduğu görülmektedir. Bu durum, reel testlerde sinyalin harici gürültüye maruz kaldığı göz önünde bulundurulursa gayet makul bir durum olarak kabul edilebilir. Aynı şekilde, elde edilen SNR değerleri incelendiğinde ise ortalama 20dB civarında bir değer görülmektedir ki bu AM modülasyonu için kabul edilebilir bir değerdir. Buradan yola çıkarak tasarlanan FPGA AM verici sisteminin AM yayınlarını başarıyla gerçekleştirebilecek kapasitede olduğu görülmektedir. Sonuç olarak, SDR sistemlerinin FPGA üzerinde gerçekleştirilmesine ve eğitimine yönelik güzel bir platform elde edilmiştir.

Abstract:
In software defined radio systems, the main purpose is to process the radio signals completely numerically with a digital signal processor. Performing operations such as modulation, demodulation, signal generation and line coding on these systems with a processor such as field programmable gate arrays greatly reduces the need for analog circuit-based hardware. Field Programmable Gate Arrays are digital integrated circuits consisting of connections between programmable logic blocks and have wide application areas. It is produced for the purpose of realizing logic functions for the needs of the designer. Therefore, the function of each logic block can be edited by the user. In the programming phase of FPGA, VHDL is generally used. In this study, firstly, the simulation of the amplitude modulated radio transmitter to be modeled in FPGA was created with matlab codes. Then the VHDL code was written on ISE Design Suite 14.7 and the amplitude modulated transmitter was implemented on the FPGA board (Mimas Spartan 6). The sample sound recording to be used in modulation with the Audacity program was sent to the FPGA card via the sound card. FPGA card received analog signal from ADC (LM4550) card and transmitter signal was received, demodulated and recorded with HDSDR program. FPGA card generated the transmitter signal in analog form via DAC (LM4550) card and sent it to the microphone input of the laptop's sound card. And finally, the recorded transmitter signal was demodulated offline with matlab code and the result was saved to the hard disk. As a result of the analysis of the data, it is seen that there is very little difference between the simulation results and the real test results for the same test signal. This can be regarded as a perfectly reasonable situation considering that the signal is exposed to external noise in real tests. Likewise, when the obtained SNR values are examined, an average value of around 20dB is seen, which is an acceptable value for AM modulation. Based on this, it is seen that the FPGA AM transmitter system, which is designed, is capable of successfully realizing AM broadcasts. As a result, a good platform for the implementation and training of SDR systems on FPGA has been obtained.