Geri Dön

2-port vector network analyzer implementation using AD9361 and ZYNQ FPGA

AD9361 ve ZYNQ FPGA ile 2-port vektör ağı analizörü gerçeklemesi

PDF İndir

  1. Tez No: 683227
  2. Yazar: MERT KÜLTE
  3. Danışmanlar: PROF. DR. MÜŞTAK ERHAN YALÇIN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2021
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 95

Özet

Bir RF bileşeninin S-parametrelerinin hesaplanması, tüm RF tasarımı yapan mühendislerin ihtiyaç duyduğu bir ölçümdür. Tasarlanan RF bileşenin istenen gereksinimleri karşılayıp karşılamadığını anlamanın en hızlı ve kolay yolu, bu bileşenin S-parametrelerinin incelenmesi ile olur. RF bileşenlerin S-parametrelerinin hesaplanması, vektör ağ analizörü (VNA) isimli cihazlar sayesinde olur. Sparametlerinin ölçülmesi için kullanılan bu cihazlar, özelliklerine bağlı olarak değişse de genellikle maliyetli cihazlardır. Yüksek lisans tezim olarak tasarladığım bu projede, S-parametrelerinin ölçülmesinde kullanılacak VNA tasarımını, küçük şirketler ve araştırma laboratuvarlarının da erişebileceği maliyette üretmek hedeflenmiştir. Projede kullanılan AD9361 iki almaç iki göndermeç RF entegresi sayesinde iki girişli VNA tasarımı yapmak mümkün olmaktadır. Ayrıca tasarlanan sistemin modüler yapısı, ileride farklı parçalar kullanılarak geliştirmeye olanak sağlamaktadır. Tasarlanan sistem ek bileşenler ile geliştirilerek radar ve görüntüleme projelerinde kullanılabilecek hale de getirilebilir. Bir VNA tasarımında olması gereken temel yapılardan ilki, ölçüm yapılacak olan bileşene gönderilecek sinyali üreten, bu sinyalin referans siyanli ile ölçüm yapılan bileşenden yansıyan veya geçen sinyali kaydedebilecek bir RF ön uç devresidir. RF sinyallerin işlenip dijital alana geçirildikten sonra, elde edilen verilerin doğru algoritmalar uygulanarak işlenmesi için sinyal işleme bölümünün olması gerekmektedir. Son olarak işlenen verilerin kullanıcıya gösterilmesi için bir bilgisayar veya monitöre aktarabilecek, kullanıcı komutlarını sinyal işleme ve RF ön uç bölümlerine iletebilecek bir kullanıcı arayüzünün tasarlanması gerekmektedir. Projede bu temel yapıları gerçeklemek için kullanılan yapılar, kullanıma hazır ve doğrulanmış bileşenlerden seçilmiştir. Bu sayede sistem tasarım süreci büyük ölçüde kısaltılmıştır. Ayrıca kullanılan bileşenlerin oluştruduğu yapının modüler olması nedeniyle, ileride yapılacak geliştirme çalışmalarında kolaylık sağlamaktadır. Sistemde RF ön uç devresinin gerçeklenmesi için Analog Devices tarafından sunulan AD9361 2 almaç 2 göndermeçli RF entegre devresi kullanılmıştır. AD9361 70 MHz – 6 GHz arasında sinyal üretip alabilen, içerisinde PLL, mixer, ADC, DAC, analog ve dijital filtre gibi yapıları bulunduran bir RF tümdevredir. RF ön uç tasarımı, bir VNA tasarımında zorlayıcı parçalardan biridir. Ancak AD9361'in RF ön uç tasarımını tek çip üzerinde gerçeklemesi bu tasarım sürecini kolaylaştırmaktadır. PLL ile üretilen local oscillator (LO) frekansı, 70 MHz – 6 GHz arasında 2.4 Hz adımlar ile ayarlanabilmektedir. 12 bit ADC ve DAC, ölçümler için 72 dB dinamik alan sağlamaktadır. 61.44 MHz'e kadar çıkabilen örnekleme frekansı gözlemlenmek istenen sinyalin daha hızlı örneklenmesini sağlamaktadır. Göndermeç ve almaç tafarlarında bulunan sabit ve programlabilir filtrele, alınan ve gönderilen sinyalin çalışılan alanda doğru şekilde oluşturulup örneklenmesini sağlamaktadır. AD9361 entegresi, yine Analog Devices tarafından sunulan FMCOMMS3 kartı ile birlikte kullanılmıştır. Bu kartın üzerinde bulunan FMC konnektör, desteklenen FPGA kartları ile kolay entegrasyon imkanı sağlamaktadır. AD9361 entegresine ek olarak, VNA tasarımı için gerekli olan coupler, RF anahtarı ve kalibrasyon araçlarına ihtiyaç vardır. Couplerın devredeki asıl amacı, giriş portundan gelen sinyalin küçük bir bölümünü referans portuna, geriye kalan kısmını da çıkış portuna iletmektir. Bu sayede gönderilen sinyalin gücü ve fazı hakkında bilgi sahibi olunabilmekte ve ölçüm altındaki bileşenden gelen sinyal ile karşılaştırılabilmesi mümkün olmaktadır. RF anahtarlama devreleri, hem referans sinyalleri hem de test altındaki bileşenden yansıyan/geçen sinyallerin seçilmesini sağlayarak farklı S-parametlerinin ölçülebilmesini sağlamaktadır. Projede kullanılan coupler'lar ve RF switchler online marketlerde satılan hazır devrelerin satın alınması ile sağlanmıştır. Satın alınan RF anahtarlama devrelerinin çalışma aralığı 0 – 3 GHz aralığında olması, sistemin çalışma aralığını kısıtlayan faktör olmuştur. Kalibrasyon kiti ise açık-kısa-yüklü-thorugh gibi frekans cevabı bilinen devrelerdir. Bu devreler kullanılarak sistemdeki kayıp, yansıma vb ideal olmayan durumlar hesaplanıp, düzeltme algoritması ile kullanıcıya doğru Sparametre ölçümü gösterilmesi hedeflenmektedir. Kalibrasyon kitlerinin piyasa fiyatlarının çok yüksek olması sebebiyle, SMA konnektörler kullanılarak üretilmiştir. Bu sebepten dolayı ideal bir kalibrasyon kiti üretilemeyip, 3 GHz'e yaklaşırken faz cevaplarında bozulmalar görülmüştür. Sinyal işleme bölümünde yüksek veri hızları nedeniyle mikro işlemci tabanlı bir entegre yerine FPGA tabanlı bir gömülü entegre kullanılması zorunludur. Ancak projede kullanılmasına karar verilen Xilinx tarafından sunulan ZC702 kartında bulunan XC7Z020-CLG484-1 gömülü entegresi, üzerinde bulundurduğu FPGA ve ARM Cortex-A9 işlemci ile hem FPGA hem mikro işlemci tasarımlarının sağladığı avantajları içerisinde barındırmaktadır. Kullanılan ZC702 kartının Analog Devices tarafından FMCOMMS3 kartını destekleyen kartlardan biri olması da geliştirme sürecini büyük ölçüde kısaltmıştır. XC7Z020-CLG484-1 gömülü entegresinin FPGA tarafı AD9361 arasındaki yüksek hızlı veri transfer arayüzünün gerçeklenmesi ve zaman alan FFT benzeri sinyal işleme algoritmalarının gerçeklenmesi için kullanılmıştır. ARM Corte-A9 mikro işlemci tarafı ise AD9361 entegresinin ve FPGA tarafının kontrol edilmesi ile kullanıcı arayüzü arasındaki UART ve ethernet bağlantılarının sağlanması için kullanılmıştır. AD9361 ile programlama ve veri arayüzleri Analog Devices tarafından sağlanan HDL projesi ile gerçeklenmiştir. Sinyal işleme algoritmalarının FPGA üzerinde gerçeklenmesi için Xilinx tarafından sunulan hızlı fourier dönüşümü ve kayan noktalı sayılar aritmetiği hazır blokları kullanılmıştır. İşlenen verilerin işlemcinin erişebilmesini sağlamak için DMA kullanılarak veriler DDRRAM'e yazılmıştır. İşlemci tarafında işletim sistemi kullanmak yerine kodun direk olarak işlemci üzerinde çalıştığı yalın donanım mantığı kullanılmıştır. AD9361 HDL projesinin tamamlayıcısı olan No-Os (No Operating System) kodları AD9361 entegresinin programlanması için işlemci üzerinde kullanılmıştır. Ayrıca lwIP ethernet kütüphanesi kullanılarak, kullanıcı arayüzü ile haberleşecek TCP/IP tabanlı ethernet arayüzü oluşturulmuştur. UART seri haberleşme arayüzü ise sistemin izlenmesi ve hataların ayıklanması için kullanılmıştır. Kullanıcı arayüzü tasarımı için MATLAB tarafından sağlanan AppDesigner yazılımı kullanılmıştır. Bu yazılım diğer grafik kullanıcı arayüzü geliştirme yazılımlarına göre çok daha kolay bir yazılım geliştirme süreci sunmaktadır. İçerisinde MATLAB'in zengin fonksiyon ve çizim kütüphanelerini bulundurması, kullanıcı arayüzü oluşturmada kolaylık sağlamıştır. Grafik kullanıcı arayüzü tasarımı için kullanılan AppDesigner öncelikle sistemin temel ayarlarının kontrol edilebileceği bir fonksiyoneliteye sahip olmuş, sistemin en basit birimleri olan veri alma, frekans ayarlama, kazanç modu ve değerini ayarlama gibi özelliklerin çalıştığı doğrulandıktan sonra VNA tasarımının parçası olan frekans taraması, kalibrasyon algoritması gibi kompleks yapılar da eklenmiştir. 12 hata terimli kalibrasyon algoritmasının kompleks yapısı sebebiyle bu algoritma FPGA üzerinde gerçeklenmesi yerine MATLAB üzerinde gerçeklenmiştir. Sistemin doğru ölçüm yapıp yapmadığının testi, iki farklı RF bileşenin iki farklı VNA üzerinde S-parametrelerinin ölçülmesiyle yapılmıştır. Kullanılan RF bileşenlerden ilki 2.4 GHz de çalışan bir antendir. Bu anten tek portlu olması sebebiyle sadece S11 ölçümü için kullanılmıştır. Kullanılan diğer RF bileşen sistemde kullanılan RF couplerlardan birisidir. Bu componentin beklenilen davranışa sahip olup olmadığı, S11, S21, S31 ve S23 parametrelerinin hesaplanmasıyla kontrol edilmiştir. S-parametrelerinin doğrulanması için kullanılan VNA'nın modeli Anritsu VNA master MS2024B'dir. Bu VNA'dan alınan veriler .s2p dosyası olarak kaydedilip MATLAB ortamına aktarılmıştır. Tasarlanan sistemdeki ölçümler ile birlikte aynı grafik üzerinde çizdirilerek karşılaştırması yapılmıştır. Tezin ilk bölümünde, tezin amacı, VNA ve S-parametreleri hakkında giriş, VNA'ların genel tasarımları ve tezin bölümleri hakkında bilgi verilmiştir. İkinci bölümde RF ön uç parçaları olan AD9361 gömülü entegresi, RF coupler, RF anahtar devresi ve tasarlanan kalibrasyon kitleri hakkında bilgi verilmiştir. Üçüncü bölümde sinyal işleme ve haberleşme arayüzlerinin gerçeklendiği ZC702 kartından, FPGA ve mikroişlemci tasarımları hakkında bilgi verilmiştir. Dördüncü bölümde kullanılan grafik kullanıcı arayüzü yazılım MATLAB AppDesigner ve bu yazılım üzerinde gerçeklenen kalibrasyon algoritması hakkında bilgi verilmiştir. Beşinci bölümde performans analizleri için tasarlanan sistem ve Anritsu VNA master MS2024B cihazında yapılan ölçümler gösterilmiştir. Altıncı ve son bölümde, sistemdeki problemli noktalara değinişmiş ve bu problemlerin çözülmesi ve tasarımın geliştirilmesi için yapılabilecek çalışmalar tartışılmıştır.

Özet (Çeviri)

In this thesis, a low-cost vector network analyzer is designed. The purpose of the design is to provide a cheap VNA to small companies and research labs that can not afford a expensive commercial VNA. The design also can be used as a part of a bigger design such as radar or imaging systems for calculating S-parameters. To make design more compact and error-proof, the design parts are selected from a ready-to-use parts. For RF front end design, two transmitter two receiver AD9361 transceiver from Analog Devices are used. For signal processing part, ZC702 board from Xilinx with XC7Z020-CLG484-1 integrated circuit on it is used. Calibration kit is handmade using SMA connectors. Couplers are manufactured from a known design. RF switches are bought from online electronics markets. The complete system costs around 2000$ which is cheap compared to other commercial VNAs on the market with the same specifications. The thesis consists of six chapters. In the first chapter, purpose of the thesis and a brief introduction to concepts that are used in this thesis are explained. In the second chapter, RF front-end parts, AD9361, couplers, RF switches and calibration kit are explained in detail. In the third chapter, how both FPGA and MCU parts of the ZC702 board is used is explained. In the fourth chapter, PC side of the design and the algorithms are given in detail. In the fifth chapter, the performance of the design is compared by measuring same RF components on this design and Anritsu VNA master MS2024B. An antenna for S11 measurement and couplers for S11, S21, S31 and S23 measurements are used in this chapter. Sixth and final chapter is used for discussing the problems in the desing and offers solutions for future work. The AD9361 RF transceiver IC is used for both transmitting a signal to the DUT and receiving reference and reflected/transmitted signal from the DUT. Two receivers are a must have component for a two-port VNA design because signals must be received on the same time for calculating the phase of S-parameters. The AD9361 chip offers an integrated LO frequency generation, automatic and manual gain control mechanisms, transmit and receive calibration algorithms and ready-to-use HDL project with various supported FPGA boards. These features makes AD9361 an ideal RF front-end solution for this project. ZC702 board with XC7Z020-CLG484-1 integrated circuit is used for controlling RF front-end, receiving the data, signal processing and implementing connection between PC and VNA by serial and ethernet connections. Zynq series FPGA offers FPGA and MCU on the same chip and enables the benefits of both designs. ZC702 FPGA side is used for implementing time consuming signal processing part of the design and MCU part of the chip is used for controlling RF front-end and communication protocols between PC and the design. On the host PC, MATLAB AppDesigner is used for GUI design of the system. AppDesigner is selected as GUI design tool because it offers the rich libraries of MATLAB and offers a easy to use tools for GUI design. Also the 12-term calibration algorithm implemented on the GUI software because of its complexity. Perfomance tests of the designed VNA is done by comparing results with commercial VNA Anritsu VNA master MS2024B. S-parameters of two RF components, an antenna and one of the couplers that is used in the RF front-end circuit is measured. The results and comments about the measurements are given in chapter five and six.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    389309

    Design and implementation of a broadband impedance matching network using simplified real frequency technique matching 6.25 ohm output impedance of a high speed dac to 50 ohm

    Bir hızlı DAC' ın çıkış katı için, SRFT yöntemi ile bir geniş band empedans eşleştirici ağı tasarımı ve gerçekleştirilmesi

    HAMID YADEGAR AMIN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İSMAİL SERDAR ÖZOĞUZ

  2. Tez No

    607339

    DP16T switching matrix for microwave imaging applications

    Mikrodalga görüntüleme sistemleri için DP16T switch

    YUNUS BAYKAL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MEHMET ÇAYÖREN

  3. Tez No

    544447

    Katkılı NiFe2O4 polimer tabanlı mikrodalga yutucuların frekans seçici malzeme tasarımı

    Frequency selector material design by using microwave absorbers wi̇th doped NiFe2O4 polymmer based

    ETHEM İLHAN ŞAHİN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı

    PROF. MESUT KARTAL

  4. Tez No

    797645

    A low-profile wideband antenna array with wide-scan ability

    Düşük profilli geniş bant geniş tarama özelliğine sahip anten dizisi

    TUTKU BAKAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. LALE ALATAN

  5. Tez No

    810499

    Derin öğrenme tabanlı yöntemler ile GPR görüntülerinde obje tespiti

    Object detection in GPR images with deep learning based methods

    ORHAN APAYDIN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Jeofizik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Jeofizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. TURGAY İŞSEVEN

Geri Dön