CF和FM多频信号的DDS实现

摘 要:本文为了实现模仿蝙蝠通过精确调整其叫声频率,可以快速、准确定位的功能,应用DDS(Direct Digital Synthesizer)直接数字频率合成技术,进行单片机和AD9852芯片一体化设计,实现单频CF和调频FM两种信号的产生,以实现水中目标探测器在不同探测阶段发射不同信号的功能,经过硬件调试,表明应用直接数字频率合成技术可以产生单频CF和调频FM信号。

关键词:目标探测器 直接数字频率合成 发射信号

中图分类号:TJ430文献标识码:A文章编号:1007-9416(2011)01-0022-03

1、引言

水中兵器主要有鱼雷、水雷和深水炸弹,在海战中发挥着重要作用,特别是在反潜作战中具有重要地位和作用。声波是唯一一种能在水中进行远距离传播的物理场,因此,超声探测技术已经普遍应用于水中兵器的引信探测器中,成为一种主要的探测技术。

传统的超声探测技术因搜索“视场”窄,仅能完成“发现”目标的功能,欲从感知物体的回波中快速获取目标信息,并实现“发现、定向、定位”,必须赋予其智能化的功能。在智能化的目标探测器中受系统中枢控制的数字式发射信号的发生是研究的关键问题之一,尤其是发射信号的调制方法将直接影响探测器的分辨率。因此,本文主要开展数字式发射信号发生器的设计,以产生具有高分辨率的发射信号。

2、CF和FM信号数学模型

对声探测系统来说,发射信号的波形设计是影响探测系统性能的关键因素之一。发射信号波形不但决定了探测系统采用的信号处理方法、而且还会对声探测系统的参数测量精度、分辨力、抑制混响以及反对抗能力等性能产生直接影响。

蝙蝠能巧妙地调整声音的频率实现回波定位,从而适应特殊的杂乱地形。比起使用单一频率,多频定位可以帮助蝙蝠更加迅速地适应周围环境。蝙蝠将发出的声信号和回声进行对比,可忽略外来干扰,小心比对发送的声音和回声,进行判断、行动。蝙蝠需要发出两次、三次甚至四次叫声,才能获取足够的信息,通过改变每次发出的声音频率,可区分出探测物的不同,从而在大脑中将其绘制成一个高分辨率的3D地图[1,2]。对蝙蝠回声定位机理的研究成果表明,大部分蝙蝠发射的超声波主要由CF或FM组成。这些超声波大致可分为三种形式:短CF-FM超声波、长CF-FM超声波、FM超声波。蝙蝠在搜寻猎物阶段一般主要利用CF超声波来发现目标,而在跟踪和捕捉猎物阶段主要采用FM超声波来对目标进行定位和判断[3]。本文模仿蝙蝠的这一机理,信号设计为:在搜索阶段,发射CF信号来发现较远距离动目标;在跟踪和攻击阶段,发射FM信号对动目标进行识别、定位,本文中的FM信号设计为线性调频(LFM)脉冲信号。

CF和LFM信号的数学表达式分别为

式中,T为信号脉冲宽度,为载频频率,K为线性调频系数。本文中,信号脉冲宽度T定义为0.001s,频率定义为500KHz。

3、数字式信号发生器硬件设计

本文设计的数字式信号发生器主要由以下几部分组成:

1)微控制器:采用宏晶科技最新高速、低功耗、超强抗干扰的STC12LE5A60S2八位单片机。

2)DDS专用集成芯片,采用美国ADI公司的AD9852芯片。

3)单片机外围电路:复位电路、振荡电路、通信电路等。

4)DDS芯片外围电路,包括系统时钟产生、电流电压转换电路等。

5)120MHz椭圆函数型低通滤波电路。

6)系统供电电路以及电源去耦电路。

数字式信号发生器整体硬件方案如图1所示。

单片机通过数据总线、地址总线和控制总线与AD9852芯片进行并行通信,通过软件编程的方式向AD9852芯片对应控制寄存器内写入频率控制字、相位控制字和幅度控制字等数据字,从而实现对AD9852芯片的频率调制、相位调制和幅度调制等功能,通过外部电流-电压转换电路、120MHz椭圆函数型低通滤波器输出预定频率、脉冲宽度等符合设计要求的信号。

3.1 AD9852工作模式选择

AD9852存在五种可编程工作模式:单音、FSK、斜变FSK、线性调频脉冲和BPSK,通过定义芯片内部并行地址为1F hex的控制寄存器中三个二进制位:Mode2、Mode1和Mode0,来选择相应的工作模式。

根据本文设计的发射信号波形,在硬件电路中AD9852的工作模式应设置为单音模式或线性调频脉冲模式。具体设置是通过软件编程定义上述三位二进制位,然后通过微控制器写入AD9852对应的控制寄存器中。

3.2 AD9852系统时钟电路设计

AD9852芯片最高系统时钟频率为300MHz,实际应用中其输出频率范围定义为0～120MHz。AD9852系统时钟的产生有两种方法:

1)通过芯片69脚以单端形式或通过68脚、69脚以差分形式直接输入300MHZ的时钟信号。

2)通过设置控制寄存器的第21位“bypass PLL”,利用内部集成的4～20倍可编程基准时钟乘法器由芯片69脚输入。这样可以利用较低频率的外部基准时钟在芯片内部产生300MHz的系统时钟,具有实现简单,成本低的优点。可编程4～20倍基准时钟乘法器的倍数是通过定义控制寄存器的第16位到20位(并行地址1E hex寄存器的低五位)来设置的。

本文选用第二种方式实现300MHz系统时钟的输入。在硬件电路设计中,采用30MHz的有源晶振产生AD9852芯片的外部基准时钟,通过定义可编程4～20倍基准时钟乘法器,实现10倍频,最终在芯片内部产生300MHz的系统时钟。

3.3 AD9852输出电流及电流电压转换电路设计

AD9852芯片经过内部DAC输出为电流信号,最大满增益输出为20mA。输出电流幅度的大小是由AD9852芯片“DAC RSET”引脚外接电阻的阻值来决定的,但不要超过最大满增益输出电流20mA。AD9852芯片DAC输出电流幅度和“DAC RSET”引脚外接电阻阻值的关系如下所示：

(3)

式中,为DAC输出电流幅度值(A);为“DAC RSET”引脚外接电阻阻值()。

由AD9852芯片资料知通常的取值范围为8k～2k,对应的DAC输出电流幅度范围为5mA～20mA。当DAC输出电流幅度为10mA时,具有最好的SFDR性能。因此,本文选择DAC的输出电流幅度为10mA,由式(3)计算得对应的外接电阻为3.993k。在硬件电路设计中,本文选取的阻值为3.9k。因为后续功率放大电路是需要电压信号驱动的,在这里需要将输出电流信号转换为电压信号。具体实现方法就是在DAC输出端通过一个合适的电阻接地,但经该接地电阻转换的电压值必须控制在-0.5V～1V这个范围内,否则将会引起DAC输出失真,严重的话甚至会永久性地损坏DAC。所以在这里选择一个合适的接地电阻显得尤为重要。因为前面设定的DAC输出电流幅度约为10mA,为了不超出要求的电压值范围,本文选择的接地电阻阻值为50,这样输出电压幅度约为0.5V。

3.4 120MHz椭圆函数型低通滤波电路设计

在DDS实际应用中,为了抑制像频响应在输出频谱中的影响,需要在其DAC输出端接一个抗混淆低通滤波器,为了低通滤波器设计的合理性以及有效滤除掉不需要的杂散信号,输出频率带宽通常设定为系统时钟频率的40%,即低通滤波器的截止频率设定为系统时钟频率的40%。因为AD9852的系统时钟频率为300MHz,所以低通滤波器截止频率应设计为120MHz。椭圆函数型低通滤波器相比其他几种LC低通滤波器具有良好的截止特性,因此本文选择该种低通滤波器。

椭圆函数型低通滤波器的主要设计指标为:

1)截止频率为120MHz。

2)通带内波纹为0.25dB。

3)特征阻抗为50。

4)在阻带频率145MHz处衰减70dB。

采用Filter Solutions 2009软件进行120MHz椭圆函数型低通滤波器设计,通过仿真计算得到满足上述指标的9阶椭圆函数型低通滤波器,其传递函数为:

(4)

其零极点位置分布如图2所示,“○”符号表示零点,“×”符号表示极点,满足设计原则:除了实轴上的极点和零点可以单个出现以外,其他位置的极点和零点都必须共轭成对出现;极点必须限定在左半平面,零点可以出现在任何一个半平面。

本文主要从表征滤波器性能的频率响应、瞬态响应两个方面对该9阶椭圆函数型低通滤波器进行幅频特性、阶跃响应、冲激响应和延迟特性仿真分析,以判断该滤波器是否满足设计要求,仿真结果如图3所示。

通过该9阶椭圆函数型低通滤波器幅频特性、阶跃响应、冲激响应和群延迟特性仿真结果得出以下结论:

1)该滤波器在通带内(0～120MHz)衰减非常小,几乎为0;在截止频率120MHz处,最大通带衰减为0.2293dB,小于本文设定的0.25dB,满足设计要求;在阻带频率145MHz处,最小阻带衰减为78.52dB,满足本文70dB的设计指标;在过渡区域有较为陡峭的衰减斜率,约为-3.13。

2)滤波器阶跃响应的上升时间非常迅速,大约用了5ns的时间;在13.23ns处,有一个幅度为1.19左右的过冲;振铃以较快的速度逐渐衰减并最终消失,在150ns已经趋于稳定。

3)该滤波器对单位冲激信号的响应非常迅速,几乎为0停顿;在9.124ns处,达到了冲激响应的最高度,为1.959×108;滤波器在冲激响应过后,振铃在较短的时间内快速衰减,在250ns左右几乎趋于稳定。

4)滤波器在其通带内(0～120Mhz)群延迟是固定的,为7.6ns左右;在阻带内,群延迟逐渐趋于0。

4、数字式信号发生器实验验证

为了验证本文设计的CF和FM两种信号输出质量,搭建了硬件测试平台对其进行信号发生测试,其输出信号如图4所示。

图4(a)是数字式信号发生器工作在单频模式下示波器显示的输出信号。通过调节频率控制字可以方便、快速地调节该单频信号的频率;图4(b)显示的LFM脉冲信号是数字式信号发生器工作在线性调频脉冲模式下的输出信号,通过调节频率控制字、步进频率和步进时间可快速调节信号的初始频率和频率分辨率。LFM脉冲信号的脉冲宽度和脉冲周期可通过AD9852芯片的“I/O UD CLK”输入的更新时钟信号和寄存器中的“CLR ACC2”位的高低电平持续时间来快速调节。

5、结语

本文模仿蝙蝠的回声定位机理,基于DDS技术设计的多频数字式信号发生器能够快速产生CF和FM两种不同的信号,并能快速、精确地调节信号频率、脉宽等参数,具有48位的频率分辨率,1 μHz的调谐分辨率。采用DDS技术合成信号,具有频率分辨率高、转换速度快、频率捷变时相位连续等优点。这在无线电通信领域,尤其在雷达、航空航天和移动通信中都已显示了其巨大的优越性,并得到了广泛的应用。

参考文献

[1]曾铁.蝙蝠脑中的3D地图[J].自然与科技,2010(6):2-2.

[2]科学家制出蝙蝠超声波“回声定位”3D效果模型[J].发明与创新,2010(5):27-27.

[3]徐留洋.引信仿蝙蝠探测系统信号发生器关键技术研究:[D].南京:南京理工大学,2009.

[4]郝敬响.引信仿蝙蝠探测器电路关键技术研究:[D].南京:南京理工大学,2009.

[5]黄智伟.锁相环与频率合成器电路设计[M].西安:西安电子科技大学出版社,2008.

[6]Arthur B.Williams,Fred J.Taylor著,宁彦卿,姚金科译.电子滤波器设计[M].北京:科学出版社,2008.

作者简介:解立洋,男,1984年11月出生,现于南京理工大学机械电子工程专业攻读硕士学位,研究方向为机电一体化智能控制技术。

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