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基于Matlab的DDS線性調(diào)頻信號的仿真應(yīng)用

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作者: 時間:2010-01-27 來源: 收藏

  直接數(shù)字頻率合成()是近年來得到迅速發(fā)展的一種新的頻率合成方法,具有頻率切換速度快,很容易提高頻率分辨率、對硬件要求低等優(yōu)點。可編程全數(shù)字化便于單片集成、有利于降低成本。提高可靠性并便于生產(chǎn)等有點。技術(shù)從相位的概念出發(fā)進行頻率合成,存儲了數(shù)字采樣波形表,可以產(chǎn)生點頻、線性調(diào)頻、ASK、FSK等各種形式的信號。線性調(diào)頻信號可以獲得較大的壓縮比,有著良好的距離分辨率和徑向速度分辨率,作為一種常用的脈沖壓縮信號,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高分辨率雷達領(lǐng)域。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/104203.htm

  是美國MathWorks公司自20世紀80年代中期推出的數(shù)學軟件,優(yōu)秀的數(shù)值計算與卓越的數(shù)據(jù)可視化能力使其很快在同類軟件中脫穎而出。已經(jīng)發(fā)展成為多學科、多種工作平臺的功能強大的大型軟件。本文用軟件建立系統(tǒng)中線性調(diào)頻信號的仿真模型,對于理解線性調(diào)頻信號和在FPGA中來實現(xiàn)線性調(diào)頻信號有借鑒意義。

  DDS線性調(diào)頻信號發(fā)生器框圖設(shè)計

  

 

  圖 1 DDS技術(shù)的基本原理

  1 DDS技術(shù)的基本原理

  基本模型如圖1所示,主要由時鐘頻率源fclk、相位累加器、波形存儲器(ROM)、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(D/A)、以及低通濾波器(LPF)組成。輸出信號波形的頻率表達式為:

  

(1)

 

  (1)式中,fclk為參考時鐘頻率,ΔΦ為相位增量,N為相位累加器的位數(shù)。只要N足夠大,DDS可以得到很小的頻率間隔。要改變DDS的輸出信號的頻率,只要改變ΔΦ即可。當參考時鐘頻率給定后,輸出信號的頻率取決于頻率的控制字,頻率分辨率取決于累加器的位數(shù),相位分辨率取決于ROM的地址位數(shù),幅度量化取決于ROM的數(shù)據(jù)字長和D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。

  2 線性調(diào)頻信號的實現(xiàn)框圖

  

 

  圖2 軟件編程實現(xiàn)線性調(diào)頻信號的原理圖

  脈沖壓縮雷達最常見的調(diào)制信號是線性調(diào)頻信號,接收時采用匹配濾波器(Matched Filter)壓縮脈沖。它的數(shù)學表達式如下:

  

(2)

 

  式中fe為載波頻率,K=B/T是調(diào)頻斜率,于是,信號的瞬時頻率為。

  其對應(yīng)的量化公式如下(此式是以圖2實現(xiàn)的原理公式):

  

(3)

 

  式中N為相位累加器的位數(shù),Kc為頻率控制字,K為上式中的調(diào)頻斜率。

  圖1所示的DDS原理框圖是用于實現(xiàn)固定頻率的正弦波信號,按照公式(3)的思路實時改變ΔΦ,即可產(chǎn)生線性調(diào)頻信號。

  經(jīng)過頻率累加器輸出的是嚴格線性增長的瞬時頻率。在實際過程中,相位累加器的輸出是經(jīng)過相位截斷再進行尋址,從而引入了一定的相位誤差,雖然這一誤差會影響到線性調(diào)頻信號的線性度,但是調(diào)頻斜率為相位的二次導(dǎo)數(shù),相位截斷誤差本身已很小,所以對調(diào)頻線性度的影響就更小了。在本文的Matlab實現(xiàn)中暫時不考慮截斷問題,忽略不計。

  3 Matlab軟件建模實現(xiàn)線性調(diào)頻信號

  本程序遵照上述軟件編程實現(xiàn)線性調(diào)頻信號的原理圖編寫,采用.m文件的方式編寫,下面是實現(xiàn)的源程序:

  %調(diào)頻信號的累加器實現(xiàn)

  clear all;clc %清除所有變量,清屏

  M=2^11;%采樣的點數(shù)

  a(1:1:M)=0;%頻率累加器的數(shù)值

  b(1:1:M)=0;%相位累加器的數(shù)值

  y(1:1:M)=0;%輸出的波形數(shù)據(jù)

  K=400;%調(diào)頻斜率

  Kc=10; %初始頻率控制字

  N=10; %幅度量化位數(shù)

  L=24; %相位累加器位數(shù)

  %下面一段實現(xiàn)頻率累加器

  a(1)=0.5*K;%初始頻率步進量

  for i=2:1:M

  a(i)=a(i-1)+K;

  end

  %下面一段實現(xiàn)相位累加器

  b(1)=Kc+a(1);%相位初始值

  for i=2:1:M

  b(i)=b(i-1)+(Kc+a(i));

  end

  %下面一段實現(xiàn)了查找表ROM以及進行幅度量化

  for i=1:1:M

  y(i)=floor(2^N*cos(2*pi/(2^L)*b(i)));

  end

  %下面一段畫出相應(yīng)的圖形

  figure(1);plot(y);axis([0 M,-2^N-100 2^N+100]);

  figure(2);freqz(y)

  上面這段程序中,有很多的變量,包括調(diào)頻斜率K、頻率控制字Kc、幅度量化位數(shù)N以及相位累加器位數(shù)L等等,修改不同變量值可以得到各,不同的線性調(diào)頻信號。具體的實現(xiàn)要根據(jù)實際的需要來設(shè)置。

  4 實驗結(jié)果

  根據(jù)上面的程序,取調(diào)頻斜率為400,頻率控制字為10,幅度量化為10位(和所使用的D/A配合),相位累加器為24位,用Matlab仿真得到的線性調(diào)頻信號的波形和相應(yīng)的幅頻響應(yīng)如圖3和圖4所示。

  

 

  結(jié)束語圖3 K=400,Kc=10,N=10,L=24的情況下的線性調(diào)頻信號

  

 

  圖4 針對圖3的幅頻特性曲線

  本文所講的線性調(diào)頻信號的產(chǎn)生原理和方法有很好的可擴展性,修改頻率累加器的內(nèi)容即可以實現(xiàn)其他的各種調(diào)頻信號。作為線性調(diào)頻信號,由于廣泛應(yīng)用于高分辨率的雷達系統(tǒng)中,因此正確理解線性調(diào)頻信號的產(chǎn)生原理和掌握其產(chǎn)生的方法是很有現(xiàn)實意義的。在實際應(yīng)用中主要采用專用DDS芯片或者FPGA來實現(xiàn)線性調(diào)頻信號(各有優(yōu)缺點),而本文則基于Matlab軟件的良好編程性來驗證這一方案,仿真結(jié)果較好的證明本方案的可行性,完成了預(yù)期的方案設(shè)計和論證。



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