基于AD9957的USB側(cè)音測距信號發(fā)生器設(shè)計(jì)

　　0 引言

　　隨著我國航天技術(shù)的不斷進(jìn)步，深空測距技術(shù)受到越來越多的關(guān)注。在深空測距系統(tǒng)中，中頻信號發(fā)生器對系統(tǒng)性能有著重要的意義。在USB(統(tǒng)一S頻段)系統(tǒng)中，原有的模擬電路實(shí)現(xiàn)的發(fā)射模塊存在性能不完善、輸入動(dòng)態(tài)范圍小、可控性能差、不能適應(yīng)中心頻率大范圍變化、體積大等問題，為了解決上述問題，可在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化通用數(shù)字調(diào)制信號發(fā)生器的平臺上，通過外圍的控制電路，實(shí)現(xiàn)對載波中心頻率、輸出功率、調(diào)相指數(shù)、測距音通／斷控制等參數(shù)的改變。

　　以軟件無線電思想為核心，基于PLD(可編程邏輯器件)的通用調(diào)制信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)，進(jìn)一步給出了實(shí)現(xiàn)中頻USB側(cè)音測距信號的硬件設(shè)計(jì)及軟件的設(shè)計(jì)思想，仿真結(jié)果及片上硬件數(shù)據(jù)采集結(jié)果證明了輸出信號的正確性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了靈活的參數(shù)可控性能。

　　1 USB側(cè)音測距原理

　　USB系統(tǒng)中可用的測距信號有偽碼、側(cè)音和偽碼加側(cè)音3種，形成不同的測距體制。目前微波統(tǒng)一系統(tǒng)中使用最多的是純側(cè)音測距。

　　USB系統(tǒng)側(cè)音測距信號是一個(gè)正弦調(diào)相波，它由K個(gè)正弦副載波(可以被信息調(diào)制)所調(diào)制。為了減小各調(diào)制副載波之間的交調(diào)干擾，調(diào)制方式為窄帶調(diào)相。此調(diào)制信號表示為：
 

　　式中：A為載波幅度；ωc為載波角頻率；mi為第i個(gè)正弦副載波對載波的調(diào)相指數(shù)；Ωi為第i個(gè)正弦副載波的角頻率。

　　USB系統(tǒng)采用7個(gè)側(cè)音，主側(cè)音為100 kHz，次測音為20 kHz、4 kHz、800 Hz、160 Hz、62 Hz及8 Hz；次側(cè)音經(jīng)頻譜折疊處理后，變?yōu)?00 kHz、20 kHz、16 Hz、16.8 Hz、16.16 Hz、16.032 Hz、16.008 Hz，稱為虛擬次側(cè)音。其中最高側(cè)音的選擇與測距精度要求有關(guān)，次側(cè)音是側(cè)音匹配解模糊所必需的。

　　在純側(cè)音測距系統(tǒng)中，有側(cè)音"同時(shí)發(fā)送"和"順序輪發(fā)"兩種方式，我們采用側(cè)音同時(shí)發(fā)送方式。這種方式，主側(cè)音f7一直發(fā)送，而在解模糊階段，每次按側(cè)音頻率由高到低順序加發(fā)一個(gè)虛擬次側(cè)音。主側(cè)音與虛擬次側(cè)音間依次音發(fā)送次序?qū)訉舆M(jìn)行匹配解模糊，直至主側(cè)音與最低側(cè)音問匹配完成，即進(jìn)入無模糊距離測量階段，此后，只發(fā)一個(gè)主側(cè)音。發(fā)送過程如圖1所示。

　　2 AD9957功能介紹

　　AD9957是美國模擬器件公司生產(chǎn)的內(nèi)置14位D／A轉(zhuǎn)換器的直接數(shù)字頻率合成器(DDS)集成電路，基本框圖如圖2所示。

　　AD9957采樣速度達(dá)到1 GSPS(10億次采樣每秒)，同時(shí)，功耗比其他DDS減小50％以上，動(dòng)態(tài)性能高達(dá)400 MHz輸出頻率，而且sFDR(無雜散動(dòng)態(tài)范圍)高達(dá)80 dB以上，應(yīng)用到無線和有線系統(tǒng)中時(shí)。利用AD9957調(diào)制器或QDUC(正交數(shù)字上變頻器)提供的高達(dá)400 MHz中頻實(shí)時(shí)輸出達(dá)到簡化數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康?。AD9957還可提供用于快速編程的寬并行接口，具有一個(gè)更新速率達(dá)250 MHz的16 bit并行端口，允許每隔8 ns更新一次32 bit的頻率控制字。這種快速編程能力使之可以用于高速波形發(fā)生器、跳頻合成器、安全通信以及各種雷達(dá)和掃描系統(tǒng)等需要頻率或相位極快變化的場合。

　　此外，AD9957支持高達(dá)400 MHz輸出的QDUC，由于AD9957內(nèi)部集成了高速DDS、14bit D／A轉(zhuǎn)換器、時(shí)鐘倍頻電路和數(shù)字濾波器，當(dāng)應(yīng)用于無線或有線通信基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)基帶上的變頻，使數(shù)據(jù)傳輸簡單、成本低、效率高。1 GSPS的NCO(數(shù)控振蕩器)和D／A轉(zhuǎn)換器允許AD9957提供高達(dá)400 MHz的直接輸出，因此無需使用上變頻級，而且降低了對濾波器的要求。

　　AD9957的主要特點(diǎn)：32位相位累加器；波特率達(dá)2 Mb／s的SPI接口；內(nèi)置1 024×32 bit RAM，可實(shí)現(xiàn)內(nèi)部調(diào)制功能；內(nèi)部采用1.8 V供電，超低功耗；內(nèi)置的低噪聲參考時(shí)鐘倍頻器允許用低成本、低頻外部時(shí)鐘作為系統(tǒng)時(shí)鐘，同時(shí)仍可提供優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能；支持測試向量和幅度斜坡式控制功能。 3系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)框圖如圖3所示。硬件設(shè)計(jì)主要包括外圍控制、FPGA、AD9957和濾波放大電路。

　　3.1外圍控制模塊設(shè)計(jì)

　　外圍控制模塊主要由PC機(jī)和相應(yīng)的外圍控制電路組成，主要用來控制主、次側(cè)音的選擇及主、次側(cè)音所對應(yīng)的調(diào)相指數(shù)的選擇。

　　3.2 FPGA設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)中FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)采用XILINX公司生產(chǎn)的XC3S200，主要應(yīng)用了VHDL可編程語言編寫核心處理模塊的硬件開發(fā)程序，其中包括時(shí)鐘產(chǎn)生模塊、側(cè)音生成模塊和初始化模塊3個(gè)模塊的設(shè)計(jì)。如圖4所示。

 　　時(shí)鐘產(chǎn)生模塊(clk_module)主要用來提供系統(tǒng)所需的統(tǒng)一工作時(shí)鐘及AD9957所需要的差分時(shí)鐘Clk_P和Clk_N，并為系統(tǒng)提供復(fù)位信號。

　　側(cè)音生成模塊(ceyin_module)中采用XILINX公司提供的DDS IP CORE直接產(chǎn)生所需主側(cè)音和虛擬次側(cè)音，通過計(jì)算控制字作為DDS的輸入，即可得出相應(yīng)頻率的正弦信號輸出，再與外圍控制模塊送進(jìn)的各自的調(diào)相指數(shù)m1、m2經(jīng)乘法器相乘后送加法器相加，最后經(jīng)查找表輸出兩路正余弦信號作為AD9957的兩路輸入信號。

　　初始化模塊(AD9957_init)用來產(chǎn)生AD9957的配置信號，如片選信號CS、串口數(shù)據(jù)寫入SDIO信號等。使用Modelsim SE 6.0進(jìn)行串口寫數(shù)據(jù)的時(shí)序仿真如圖5所示。

　　3.3 AD9957設(shè)計(jì)

　　式(2)中側(cè)音信號與載波信號進(jìn)行正交調(diào)制后即可得到所需的側(cè)音測距信號。在設(shè)計(jì)中使用AD9957的QDUC模式，由FPGA送出的I／Q兩路信號與AD9957內(nèi)部DDS生成的載波信號進(jìn)行調(diào)相調(diào)制后輸出，經(jīng)帶通濾波后即可得到所需的中頻(70 MHz)USB信號。使用XILINX公司的ChipScope Pro 8.2i進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。ChipScope Pro是針對XILINX公司FPGA的在線片內(nèi)信號分析工具，通過JTAG口在線、實(shí)時(shí)地讀出FPGA內(nèi)部信號。

　　數(shù)據(jù)觀察窗口采集的數(shù)據(jù)如圖6所示。

　　4結(jié)束語

　　本文給出了一種基于FPGA和AD9957的側(cè)音測距信號發(fā)生器設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過程中充分利用了FPGA中特有的IP CORE來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)中所需的DDS、乘法器、加法器及查找表的功能，這樣不僅簡化了實(shí)現(xiàn)程序，而且節(jié)省了資源。同時(shí)通過外圍控制模塊的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了靈活的參數(shù)可控性能。

　　本文所設(shè)計(jì)的中頻USB信號發(fā)生器已在某深空測距系統(tǒng)得以應(yīng)用。