Yazılım tanımlı radyo tabanlı FM demodülatör tasarımı

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.