采用AD9833 DDS芯片實(shí)現水聲遙控信號的合成

　　引言

　　水聲信號發(fā)射器是水聲通信技術(shù)中的重要部分，它的性能直接影響到水聲通信質(zhì)量。而作為水聲信號發(fā)射器的信號產(chǎn)生單元，更是整個(gè)通信系統信源的核心部件。早期的信號產(chǎn)生單元都是使用數字電路和模擬電路等分立元件搭建而成，在體積、效率和信號質(zhì)量都難以滿(mǎn)足便攜式設備的要求。由于水聲信號頻率不高，后來(lái)開(kāi)始使用單片機控制DAC技術(shù)的水聲信號發(fā)生器，可以達到較好的效果。但是CPU在逐點(diǎn)控制DAC輸出時(shí)要占用大量機時(shí)，影響了設備的顯示和操作功能的進(jìn)一步擴展。而伴隨著(zhù)水聲通信領(lǐng)域的發(fā)展，對水聲信號的調制、發(fā)送的要求也越來(lái)越高，因此，單獨由單片機DAC作為信號源的方案越來(lái)越不能滿(mǎn)足現代水聲通信的需求，尤其是對比較復雜的相位調制，精度、分辨率和穩定度不高。

　　直接數字頻率合成(DDS) 是目前廣為應用的一項頻率合成技術(shù)，它具有頻率轉換時(shí)間短、頻率分辨率高、輸出相位連續和使用靈活等特點(diǎn)。AD9833是ADI 公司生產(chǎn)的一款低功耗DDS可編程波形發(fā)生器，該芯片無(wú)需外接元件，輸出信號的頻率和相位都可通過(guò)軟件編程控制。該芯片內部有28 位的頻率寄存器，主頻時(shí)鐘為25 MHz 時(shí)，精度為0.1 Hz，除了產(chǎn)生正弦波、三角波、方波之外還可產(chǎn)生各種調制信號，其最大功耗僅為20mW。這些性能非常適合用來(lái)作為水聲信號發(fā)射器的信號產(chǎn)生單元，可以滿(mǎn)足現代水聲通信對信號建立時(shí)間、輸出頻率的精確度、分辨率及穩定度的要求。

　　本文給出的是用于海纜水聲遙控浮標定位系統的信號產(chǎn)生電路，由于采用DDS技術(shù)，整個(gè)電路軟硬件結構十分簡(jiǎn)單。

　　DDS芯片AD9833工作原理

　　AD9833中使用的DDS 技術(shù)是從連續信號的相位出發(fā)，將一個(gè)正弦信號取樣、量化、編碼，形成一個(gè)正弦函數表儲存在ROM 中。合成時(shí)改變相位增量，由于相位增量不同，一個(gè)周期內的取樣點(diǎn)數也不同，這樣產(chǎn)生的正弦信號頻率也就不同，從而達到頻率合成的效果。

　　DDS工作原理框圖如圖1所示。DDS 基本工作原理是：每產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘脈沖，相位累加器就將累加器輸出的累積相位與預置的相位增量相加；然后以相加后的結果作為地址，對波形ROM 進(jìn)行尋址，取出波形ROM 中與該相位對應單元中的幅度量化編碼值，經(jīng)D/ A 轉換器將其轉換為模擬取樣值，再經(jīng)低通濾波器平滑得到符合要求的模擬信號。

設參考時(shí)鐘頻率為fc，相位累加器的字長(cháng)為N，則DDS 輸出頻率為：

　　式中：K 是由外部控制電路來(lái)預置的。 當時(shí)鐘頻率fc與相位累加器位數N一定時(shí)，輸出頻率f0僅僅取決于K 。K為頻率控制字：

　　當K=1時(shí)，DDS 所能產(chǎn)生的正弦信號的最低頻率即頻率分辨率為：

　　DDS 的最大輸出頻率由Nyquist 采樣定理決定，即為fc/2。AD9833的頻率控制字是28位，所以當采用25MHz作為參考時(shí)鐘時(shí)，理論上最大輸出頻率為12.5MHz (實(shí)際輸出大概是參考時(shí)鐘的40%)，輸出頻率的頻率分辨率約為0.05Hz；當采用1MHz作為參考時(shí)鐘時(shí)，最大輸出頻率為0.5MHz，輸出的頻率分辨率約為0.004Hz。根據不同輸出范圍和精度要求，可選用不同的參考時(shí)鐘來(lái)實(shí)現。AD9833采用10個(gè)管腳的MSOP封裝結構，其管腳結構示意圖如圖2 所示。

　　MCLK(5腳)為外部參考頻率信號的輸入端，SDATA(6腳)、SCLK(7腳)、FSYNC(8腳)組成AD9833的標準三線(xiàn)串行接口，可以與SPI、QSPI、MICROWIRE或DSP芯片直接連接。16位串行數據字由6腳輸入，在7腳的下降沿被讀入AD9833，8腳為頻率更新控制信號，可以用作片選信號，當8腳保持低電平時(shí)新的控制字寫(xiě)入AD9833中，在8腳的上升沿可以從Vout(10腳)輸出模擬或數字信號，且輸出端內部自帶200Ω的片上集成電阻。其中三線(xiàn)串行接口操作時(shí)序圖如圖3所示。

　　水聲遙控信號的結構

　　本研究中的水聲信號的結構比較簡(jiǎn)單，很容易采用DDS芯片來(lái)實(shí)現。對于復雜的調制信號，通過(guò)ARM7處理器LPC2148編程控制AD9833，硬件上也無(wú)須變動(dòng)。

　　水聲信號在水中的傳播速度為1200米/秒左右，在遙控的距離內信號的傳輸時(shí)間長(cháng)達數秒鐘。為保證工作的可靠性，在滿(mǎn)足使用要求的前提下信號的傳輸碼率設計的很低。水聲發(fā)射器發(fā)射的遙控信號采用非相干調制中的MFSK方式，其時(shí)序波形如圖4所示。遙控信號的“0”和“1”代碼分別用頻率為f 1和f 2的有限長(cháng)度正弦信號表示。本系統中f 1和f 2頻率分別為8.35KHz和8.45KHz，為防止多個(gè)用戶(hù)之間相互串擾，除了遙控地址的編碼不同外，工作頻率可在7KHz至11KHz范圍內選擇。信號的每個(gè)碼元發(fā)送時(shí)間為T(mén)1=1秒，碼元間隔為T(mén)2=2秒，每組編碼9位，前八位是數據位，第九位是校驗位，碼組間隔為4秒。

　　信號產(chǎn)生單元硬件電路

　　本文介紹的遙控信號發(fā)射器用于一種便攜式的海上施工遙控系統，功率和體積較小，結構框圖如圖5所示。它是由微控制器、信號產(chǎn)生單元、水聲功率放大器、電池充電電路和水聲換能器等組成。操作者可以通過(guò)手持機上的按鍵和液晶顯示器設置相應的發(fā)射編碼信號。

　　系統采用的微控制器是NXP(恩智浦)公司的ARM7處理器LPC2148，LPC2148是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的32/16位ARM7TDMI-S內核的微控制器，帶有40kB的片內靜態(tài)RAM和512kB的片內Flash存儲器，128位寬的存儲器接口和獨特的加速結構可實(shí)現高達60MHz工作頻率，包括多個(gè)串行接口：1個(gè)USB、2個(gè)UART、2個(gè)高速I(mǎi)2C總線(xiàn)、SPI和SSP，小型的LQFP64封裝上包含多達45個(gè)可承受5V的通用I/O口。

　　本設計中利用LPC2148的SPI接口來(lái)控制AD9833，由于SPI操作由LPC2148的硬件接口來(lái)完成，大大減輕了主控制器的負擔，以便有更多時(shí)間處理其他的任務(wù)。由于CPU另有足夠的時(shí)間去完成其他操作和人機交互，使整個(gè)遙控發(fā)射器的功能十分完善。

　　LPC2148與AD9833的硬件連接如圖6所示。圖中外接有源晶體振蕩器給AD9833提供主時(shí)鐘，LPC2148的SPI0工作在主方式，其中引腳P0.6/MOSI0口與SDATA相連，用來(lái)給AD9833發(fā)送數據；P0.4/SCK0口與SCLK相連，提供數據傳送時(shí)鐘；P0.7/SSEL0與FSYNC相連，作為AD9833選通信號。

　　由于A(yíng)D9833輸出的Vout信號的最大幅值只有0.6V左右，并且為了實(shí)現輸出功率可控，需要經(jīng)過(guò)一級前置放大才能送入水聲功率放大器中，因此在實(shí)際應用中，信號產(chǎn)生單元電路還需要包括信號調節和放大部分，如圖7所示。

　　信號調節使用的是數字電位器X9511，AD9833的輸出Vout接到X9511的一端VH，通過(guò)LPC2148的P0.2和P0.3輸出脈沖可以軟件控制中間抽頭的位置，進(jìn)而實(shí)現面板按鍵調節輸出的目的。信號經(jīng)過(guò)X9511調節后送入低功耗放大器TLE2062中，經(jīng)過(guò)一級放大和電壓跟隨后，可以明顯增強AD9833輸出信號驅動(dòng)能力。

　　軟件程序

　　本項目的水聲發(fā)射器發(fā)射的遙控信號采用MFSK方式，利用AD9833產(chǎn)生頻率可調的正弦波作為水聲遙控信號，不同的頻率代表不同的編碼信息，AD9833的主要任務(wù)就是完成正弦波形的迅速建立和頻率的快速切換，可以通過(guò)軟件設置不同的頻率控制字來(lái)達到切換頻率的目的。對于頻率控制字，ADI公司提供了一個(gè)在線(xiàn)的交互式設計工具，即AD9833配置助手，在PC機瀏覽器上的顯示如圖8所示。

　　通過(guò)AD9833配置助手可以設置參考時(shí)鐘，期望得到的頻率或者相位，以及產(chǎn)生的波形種類(lèi)，最后點(diǎn)擊Update，就可以得到對應于期望頻率的控制字，非常簡(jiǎn)單方便。在軟件程序中，只要定時(shí)通過(guò)SPI向AD9833寫(xiě)入不同的頻率控制字，就可以控制編碼遙控信號的輸出。在編程中需要注意的是，由于A(yíng)D9833的頻率控制字是16位的，因此對于SPI的寫(xiě)操作來(lái)說(shuō)，需要分兩次完成，還要注意AD9833的數據位的寫(xiě)入順序，因為其數據格式是高位在前，低位在后。

　　結語(yǔ)

　　在本設計中，AD9833的參考時(shí)鐘是3.579545MHz，能夠精確和穩定的輸出0Hz、8.35KHz、8.45KHz等信號，而且還可以實(shí)現快速的切換或調制，該信號發(fā)生器已經(jīng)成功應用到了海纜水聲遙控浮標定位系統中。由于A(yíng)D9833實(shí)現的信號產(chǎn)生電路除了產(chǎn)生的波形精確穩定、波形建立時(shí)間短外，還有功耗低、所用元件少、體積小、控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，非常適合應用于各種通信、測量和其他時(shí)域響應系統等領(lǐng)域。

　　參考文獻：

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　　3.  AD9833_a datasheet，ADI，2003

　　4.  www.analog.com