Nghiên cứu, thiết kế bộ tổ hợp tín hiệu điều tần cho ra đa liên tục bằng phương pháp tổ hợp số trực tiếp tần số

Thông tin khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016 197
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ BỘ TỔ HỢP TÍN HIỆU ĐIỀU TẦN 
 CHO RA ĐA LIÊN TỤC BẰNG PHƯƠNG PHÁP 
TỔ HỢP SỐ TRỰC TIẾP TẦN SỐ 
Nguyễn Minh Thắng 1*, Nguyễn Đình Hưng 2, Đinh Trọng Quang1, 
Trịnh Xuân Thọ1, Nguyễn Thành1 
Tóm tắt: Bài báo trình bày nghiên cứu, thiết kế bộ tổ hợp tín hiệu cho ra đa liên 
tục sử dụng tín hiệu điều tần bằng phương pháp tổ hợp số trực tiếp tần số. Bằng 
việc khảo sát tín hiệu điều tần tuyến tính dạng tam giác, bài báo đã làm rõ nguyên 
lý hoạt động cả ra đa liên tục. Bài báo cũng đề xuất phương án thiết kế bộ tổ hợp 
tín hiệu điều tần tuyến tính liên tục theo phương pháp tổ hợp số trực tiếp dựa trên 
công nghệ vi mạch tích hợp khả trình FPGA (Field Programmable Gate Array) kết 
hợp với linh kiện điều chế cầu phương I/Q AD9957. Kết quả của nghiên cứu sẽ 
được giới thiệu và đánh giá với bộ tham số thiết kế đầu vào. 
Từ khóa: Ra đa liên tục, Tổ hợp số trực tiếp tần số, Điều tần tuyến tính, Vi mạch AD9957 
1. ĐẶT VẤN ĐỀ 
Tín hiệu điều tần là dạng tín hiệu điều chế được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh 
vực thông tin liên lạc, ra đa cảnh giới, ra đa viễn thám, hệ thống đo cao, hệ thống 
giám sát chất lượng. Trong các ứng dụng sử dụng tín hiệu điều tần, lĩnh vực nghiên 
cứu liên quan tới ra đa liên tục sử dụng tín hiệu điều tần đã có quá trình phát triển 
lâu dài và được phát triển rộng rãi trong những năm gần đây [1]-[5]. Đặc biệt trong 
lĩnh vực quân sự, cùng với việc phát triển của công nghệ bán dẫn và các hệ thống 
xử lý số thông tin tốc độ cao, thời gian gần đây đã có nhiều hệ thống ra đa liên tục 
được giới thiệu như hệ thống cảnh giới Cam Shell 76N6, hệ thống ra đa ELM-
2112, hệ thống ra đa Ranger R20SS, v.v. Tại Việt Nam, lĩnh vực nghiên cứu ra đa 
liên tục cũng đã được quan tâm tuy nhiên vẫn thiếu những nghiên cứu chuyên sâu, 
mang tính chất nền tảng cho việc nghiên cứu, phát triển và ứng dụng chủng loại ra 
đa này trong thực tiễn. 
Trong bối cảnh nghiên cứu như trên, bài báo trình bày nghiên cứu, thiết kế bộ tổ 
hợp tín hiệu cho ra đa liên tục sử dụng tín hiệu điều tần bằng phương pháp tổ hợp 
số trực tiếp tần số. Trước tiên, nguyên lý hoạt động của ra đa liên tục được làm rõ 
bằng việc khảo sát tín hiệu điều tần tuyến tính dạng tam giác. Dựa trên kết quả 
khảo sát nguyên lý hoạt động của ra đa liên tục, bài báo đề xuất phương án thiết kế 
bộ tổ hợp tín hiệu điều tần tuyến tính liên tục theo phương pháp tổ hợp số trực tiếp 
tần số dựa trên công nghệ vi mạch tích hợp khả trình FPGA kết hợp với linh kiện 
điều chế cầu phương I/Q AD9957. Kết quả của nghiên cứu sẽ được giới thiệu và 
đánh giá với bộ tham số thiết kế đầu vào. 
2. TỔ HỢP TÍN HIỆU TRONG RA ĐA ĐIỀU TẦN 
TUYẾN TÍNH LIÊN TỤC 
 2.1. Nguyên lý hoạt động của ra đa liên tục sử dung tín hiệu điều tần 
Ra đa liên tục có thể sử dụng dạng điều tần tuyến tính để đo cả khoảng cách và 
tần số Đốp le. Trong thực tế ra đa liên tục, dạng sóng điều tần tuyến tính được thay 
Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa 
N.M. Thắng, N.Đ. Hưng, , “Nghiên cứu, thiết kế bộ tổ hợp tổ hợp số trực tiếp tần số.” 198 
đổi theo độ rời rạc đủ nhỏ để đáp ứng được yêu cầu về độ chính xác khi đo khoảng 
cách và vận tốc mục tiêu. Tín hiệu phản xạ từ mục tiêu ngoài việc phụ thuộc vào 
khoảng cách R đến mục tiêu còn phụ thuộc vào vận tốc hướng tâm của mục tiêu so 
với đài phát. Hình 1 miêu tả miêu tả sóng điều tần liên tục sử dụng dạng sóng điều 
tần tam giác và tín hiệu phản xạ từ mục tiêu ở khoảng cách R đối với mục tiêu 
không chuyển động, còn Hình 2 là đối với mục tiêu chuyển động. 
Hình 1. Tần số truyền, nhận và tần số 
phản xạ cho trường hợp mục tiêu không 
chuyển động. 
Hình 2. Tần số truyền, nhận và tần số 
phản xạ cho trường hợp mục tiêu 
chuyển động. 
Trong trường hợp mục tiêu không chuyển động, tần số phách được định nghĩa 
theo công thức: 
  =  −  =
2∆

2

 (1) 
Trong đó: :độ di tần ( độ lệch tần cực đại ) 
 ∆: độ dịch tần của điều chế 
 : chu kì dịch tần 
 : khoảng cách từ mục tiêu đến đài 
Trong trường hợp mục tiêu chuyển động với vận tốc khác không, khi đó trong 
thành phần tín hiệu phản xạ sẽ mang thêm thành phần Đốp le. Khi đó mối quan hệ 
giữa tín hiệu truyền và tín hiệu phản xạ sẽ được biểu diễn trên hình 2. Khi mục 
tiêu chuyển động, tần số phản xạ sẽ được cộng thêm thành phần Đốp le, lượng tần 
số cộng vào sẽ mang dấu dương (nếu mục tiêu chuyển động lại gần so với ra đa) và 
mang dấu âm (nếu mục tiêu chuyển động ra xa so với ra đa), khi đó ta tính được: 
Tần số phách  (Up Beat frequency) nửa chu kì dịch tần lên: 
  =
4∆

−
2

 (2) 
Tần số phách  (Dp Beat frequency) nửa chu kì dịch tần xuống: 
  =
4∆

+
2

 (3) 
Trong đó: : tốc độ hướng tâm của mục tiêu so với ra đa. 
Thông tin khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016 199
 : bước sóng tương ứng với tần số trung tâm 
Khi đó khoảng cách thu được từ công thức sau: 
  =

8∆
( + ) (4) 
Tốc độ mục tiêu sẽ được tính theo công thức: 
  =

4
( − ) (5) 
2.2. Phương pháp tổ hợp số trực tiếp tần số 
Tổ hợp số trực tiếp DDS (Direct Digital Synthesizer) hoặc NCO (Numerically 
Controlled Oscillator), là một phần tử quan trọng trong hệ thống truyền thông, hệ 
thống ra đa hiện đại và trong một vài hệ thống điện tử khác. Tổ hợp số trực tiếp tần 
số được sử dụng rộng rãi để thay đổi tần số lấy mẫu tín hiệu, các kiểu điều chế 
hoặc giải điều chế, và thực thi một số dạng mã hóa tín hiệu như là PSK, FSK, và 
MSK. Thông thường cách thức hoạt động của nó là tạo một tín hiệu hình sin (cầu 
phương hoặc không) dựa vào một bảng tra. Bảng tra chứa các mẫu của tín hiệu 
hình sin. Phương pháp này tạo ra độ chính xác tần số cao, độ ổn định của tần số 
theo nhiệt độ và thời gian là rất cao, dải điều chỉnh tần số rộng, tốc độ điều chỉnh 
tần số rất nhanh. 
3. CẤU TRÚC BỘ TẠO TÍN HIỆU 
3.1. Thiết kế cấu trúc bộ tạo tín hiệu 
Cấu trúc bộ tạo tín hiệu đề xuất trong nguyên cứu này bao gồm 2 mô đun chính: 
mô đun AD9957 và mô đun vi xử lý khả trình FPGA trong đó mô đun vi mạch 
khả trình FPGA đóng vai trò thiết lập tham số thanh ghi khởi tạo cho linh kiện 
AD9957 và cung cấp tham số I/Q trong quá trình điều chế cầu phương thực hiện 
bởi mô đun AD9957. 
3.1.1. Mô đun vi mạch tổ hợp tần số AD9957 
AD9957 tạo ra tín hiệu băng tần cơ sở bằng phương pháp tổ hợp số trực tiếp tần 
số. Trong AD9957 tích hợp một bộ tổ hợp số trực tiếp tần số, một bộ biến đổi số - 
tương tự 14 bít, mạch nhân xung nhịp, bộ lọc số và các mạch xử lý tín hiệu số 
khác. Tín hiệu băng tần cơ sở có thể được tạo ra có thể được điều chế biên độ, pha, 
tần số một cách dễ dàng bằng cách nạp dữ liệu cho các thanh ghi qua các chân vào 
ra nối tiếp và các chân truyền dữ liệu song song. 
AD9957 có 3 chế độ hoạt động cơ bản: chế độ điều chế cầu phương, chế độ nội suy 
DAC, chế độ tạo xung đơn. Trong khuôn khổ nội dung bài báo này ta chỉ quan tâm 
đến chế độ điều chế cầu phương để tạo ra được tín hiệu điều tần tuyến tính liên tục. 
3.1.2. Mô đun vi mạch khả trình FPGA 
Trong nghiên cứu, nhóm tác giả đề xuất vi mạch tích hợp khả trình Spartan-3E 
là họ FPGA của Xilinx với nhiều ưu điểm nổi bật. Đầu tiên phải kể đến là khả 
năng tích hợp của Spartan-3E từ 100,000 gates đến 1,6 triệu gates, dễ sử dụng, giá 
thành thấp, tiêu thụ điện ít, mật độ tích hợp nhiều phần tử logic, truyền dữ liệu với 
tốc độ khá cao. 
200
cho mô đun vi m
nh
tuy
3.2
trong vi
mô đun AD9957. Phương pháp chung 
giá tr
bảng giá trị khởi tạo để tổ hợp đ
nhóm tác gi
trìn
trực tiếp đ
trong đó:
bít c
3.3
thi
V
ững tín hiệu theo b
ến tính li
. Nguyên lý ho
Như đ
h FPGA c
ủa từ điều khiển tần số
. S
Đ
ết bị theo s
Máy 
N.M. Th 
ới nhữn
ị I v
ản phẩm thực tế v
Hình 3
ể nạp ch
tính
ã nói 
ệc điều khiển v
à Q. B
ư
 
Hình 
ắng, N.Đ. H
g ưu đi
ên t
ả sử dụng l
ợc tính theo công thức sau:

.
ục.
ở tr
ủa Xilinx để thiết kế bộ tổ hợp tần số. Tần số đầu ra của bộ tổ hợp số 
: tầ
 Mô đun Spartan
5.
ương tr
ơ đ
ạch khả tr
ạt động của l
ộ tích phân số đ
n s
 Sơ đ
ồ đư
M
XILINX
ểm nh
ên, mô đun vi m
ố 
ình và 
ợc mô tả nh
ạch n
ưng, 
ài toán đ
à truy
õi lô gic DDS 
đồng h
ồ ghép nối để nạp ch
ạ
ư v
à sơ đ
p 
ình FPGA 
ền số liệu I/Q trong quá tr
ồ 
. 
đánh giá k
, “Nghiên c
ậy ta ho
ề ra v
õi DDS CORE
chu
ồ ghép nối
-3E
ược sử dụng để đ
ư

ẩn
. 
ư trong 
Spartan
àn toàn có th
à c
ạch khả tr
ợc tân số mong muốn. Trong nghi

, ∆
ứu, thiết kế bộ tổ hợp
đ
ụ thể ở đây sẽ l
ở đây l
đư
=
:
ết quả tín hiệu đ
h
ể điều khiển mô đun AD9957 để tổ hợp 
ợc phát triễn hỗ trợ cho họ vi mạch khả 

2
 giá tr
ương tr
ình 5
-3E
∆
(
ình FPGA 
à kh

)
ị của từ điều khiển tần số
Hình 
. 
ể sử dụng linh kiện Spartan
ởi tạo một bảng 
ưa ra tham s
ình và 
Mô đun
AD9957
K
à t
ình t
4. Mô đun 
đánh giá k
ã đư
ỹ thuật si
ạo ra tín hiệu điều tần 
đóng vai tr
ợc tạo ra ta lắp đặt các 
tổ hợp số trực tiếp tần số
ổ hợp số trực tiếp tr
ố về pha kết hợp với 
AD9957
êu cao t
tham kh
ết quả
ò quan tr
ên c
Máy phân
tích ph
hi
ần & Ra đa
, 
.
.
Máy
ện 
ảo các 
ứu n
(
sóng
-
ọng 
): 
ổ 
.”
3E 
ên 
ày, 
(6)
số 
Thông tin khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016 201
4. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 
4.1. Tham số thiết kế 
Nhóm tác giả đã thiết kế các mô đun phần cứng, xây dựng chương trình phần 
mềm để tạo ra tín hiệu điều tần tuyến tính liên tục dạng tam giác. Trong quá trính 
khảo sát, nhóm tác giả đã tiến hành đo đạc, kiểm thử với nhiều bộ thám số khác 
nhau với tần số trung tâm có giá trị từ  = 10 MHz đến  = 150 MHz, độ dịch 
tần thay đổi từ Δ = 1 MHz đến Δ = 20 MHz. Do giới hạn của bài báo, kết quả 
đo được giới thiệu trong bài báo được tiến hành với bộ tham số chính như sau: 
Tần số trung tâm  = 35 MHz. 
Độ dịch tần Δ = 10 MHz. 
Chu kì dịch tần T = 1000. 
4.2. Kết quả đo đối với sản phẩm thực nghiệm 
Hình 6. Kết quả đo từ máy phân tích phổ. Hình 7. Kết quả đo bằng máy hiện sóng. 
Kết quả đo sử dụng sơ đồ ghép nối (tham khảo hình 5) được thể hiện như hình 
6 và hình 7. Hình 6 thể hiện độ dịch tần của tín hiệu tổ hợp có độ rộng 10Mhz từ 
30 MHz đến 40 MHz với tần số trung tâm là 35 MHz. Kết quả đo bằng máy hiện 
sóng (tham khảo hình 7) cho thấy ứng với tại điểm giữ chậm 1000, dao động 
của tín hiệu chuyển từ nhanh sang chậm tương ứng với tần số 30MHz. Kết quả đo 
từ máy phân tích phổ và máy hiện sóng đã cho thấy tín hiệu được tổ hợp trong bài 
báo đảm bảo được tham số thiết kế đã đề ra trong mục 4.1. 
5. KẾT LUẬN 
Bài báo đã trình bày nghiên cứu, thiết kế bộ tổ hợp tín hiệu cho ra đa liên tục sử 
dụng tín hiệu điều tần bằng phương pháp tổ hợp số trực tiếp tần số. Dựa trên kết 
quả khảo sát nguyên lý hoạt động của ra đa liên tục được khảo sát trong phần 2, 
bài báo đã đề xuất phương án thiết kế bộ tổ hợp tín hiệu điều tần tuyến tính liên tục 
Bằng việc sử dụng Spartan-3E để điều khiển mô đun AD9957 tổ hợp tần số theo 
phương pháp trực tiếp ta có thể tạo ra được tín hiệu điều tần tuyến tính liên tục 
trong phần 3 của bài báo. Kết quả đo bộ tổ hợp tần số số trực tiếp cho thấy tín 
thời gian giữ chậm 
Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa 
N.M. Thắng, N.Đ. Hưng, , “Nghiên cứu, thiết kế bộ tổ hợp tổ hợp số trực tiếp tần số.” 202 
hiệu được tạo ra có các tham số đúng như yêu cầu thiết kế và được kiểm nghiệm 
bằng máy phân tích phổ và máy hiện sóng. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. M.I. Skolnik, “Radar Handbook”, 2008. 
[2]. L. N. Uyên, N. Thành, V. V. Phúc, “Thiết kế chế tạo máy thu đa kênh dùng 
cho rađa cộng hưởng dải sóng mét trên cơ sở sử dụng linh kiện tích hợp 
cao”, Các công trình nghiên cứu, phát triển và ứng dụng CNTT-TT, tr. 54 -
63, tập V-1, số 6 (26), tháng 9/2011. 
[3]. A. Patel, “Signal Generation for FMCW Ultra-Wideband Radar”, Master 
thesis, 2009. 
[3]. Analog Devices Inc., “A Technical Tutorial on Digital Signal Synthesis”, 
1999. 
[4]. J. Vankka, “Direct Digital Synthesizers: Theory, Design and Appli-cations”, 
Doctor thesis, 2000. 
[5]. B.Suresh,, M.V.Srikanth, “Radar Waveform Generator based on DDS”, Int. 
Jour. of Adv. Research in Comp. and Comm. Eng., Vol. 2, Issue 9, 
September 2013. 
ABSTRACT 
A DESIGN OF WAVEFORM GENERATOR FOR CONTINUOUS 
WAVE RADAR USING FREQUECY MODULATED BY 
USING DIGITAL DIRECT SYNTHESIZER METHOD 
In this paper, we will research, design, and built a frequency synthesizer 
for the continuous wave radar by applying direct digital synthesizers(DDS) 
method. By studying the linear frequency modulated (LMF) continuous 
waveform in triangle shape, paper makes clear about principle and theory of 
operation for CW radar. We also propose a design of LMF frequency 
synthesizer by apply direct digital synthesizer method associate with FPGA 
and using quadrature modulation of AD9957 device. The clarified of this 
proposal design is confirmed by measure result of modulated waveform. 
Keywords: Continous wave radar, Direct digital synthesizer, Linear frequency modulated, AD9957 device. 
Nhận bài ngày 15 tháng 06 năm 2016 
Hoàn thiện ngày 26 tháng 07 năm 2016 
Chấp nhận đăng ngày 01 tháng 08 năm 2016 
Địa chỉ: 1 Viện Ra đa, Viện Khoa học và Công nghệ quân sự; 
 2 Học viện Phòng Không Không Quân. 
 * Emai: minhthang.mta@gmail.com