基于A(yíng)D9957的USB側音測距信號發(fā)生器設計

　　0 引言

　　隨著(zhù)我國航天技術(shù)的不斷進(jìn)步，深空測距技術(shù)受到越來(lái)越多的關(guān)注。在深空測距系統中，中頻信號發(fā)生器對系統性能有著(zhù)重要的意義。在USB(統一S頻段)系統中，原有的模擬電路實(shí)現的發(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、不能適應中心頻率大范圍變化、體積大等問(wèn)題，為了解決上述問(wèn)題，可在一個(gè)標準化通用數字調制信號發(fā)生器的平臺上，通過(guò)外圍的控制電路，實(shí)現對載波中心頻率、輸出功率、調相指數、測距音通／斷控制等參數的改變。

　　以軟件無(wú)線(xiàn)電思想為核心，基于PLD(可編程邏輯器件)的通用調制信號發(fā)生器的設計，進(jìn)一步給出了實(shí)現中頻USB側音測距信號的硬件設計及軟件的設計思想，仿真結果及片上硬件數據采集結果證明了輸出信號的正確性，同時(shí)實(shí)現了靈活的參數可控性能。

　　1 USB側音測距原理

　　USB系統中可用的測距信號有偽碼、側音和偽碼加側音3種，形成不同的測距體制。目前微波統一系統中使用最多的是純側音測距。

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

　　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相指數；Ωi為第i個(gè)正弦副載波的角頻率。

　　USB系統采用7個(gè)側音，主側音為100 kHz，次測音為20 kHz、4 kHz、800 Hz、160 Hz、62 Hz及8 Hz；次側音經(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(chēng)為虛擬次側音。其中最高側音的選擇與測距精度要求有關(guān)，次側音是側音匹配解模糊所必需的。

　　在純側音測距系統中，有側音"同時(shí)發(fā)送"和"順序輪發(fā)"兩種方式，我們采用側音同時(shí)發(fā)送方式。這種方式，主側音f7一直發(fā)送，而在解模糊階段，每次按側音頻率由高到低順序加發(fā)一個(gè)虛擬次側音。主側音與虛擬次側音間依次音發(fā)送次序層層進(jìn)行匹配解模糊，直至主側音與最低側音問(wèn)匹配完成，即進(jìn)入無(wú)模糊距離測量階段，此后，只發(fā)一個(gè)主側音。發(fā)送過(guò)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)的內置14位D／A轉換器的直接數字頻率合成器(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400 MHz輸出頻率，而且sFDR(無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍)高達80 dB以上，應用到無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)系統中時(shí)。利用AD9957調制器或QDUC(正交數字上變頻器)提供的高達400 MHz中頻實(shí)時(shí)輸出達到簡(jiǎn)化數據傳輸的目的。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和掃描系統等需要頻率或相位極快變化的場(chǎng)合。

　　此外，AD9957支持高達400 MHz輸出的QDUC，由于A(yíng)D9957內部集成了高速DDS、14bit D／A轉換器、時(shí)鐘倍頻電路和數字濾波器，當應用于無(wú)線(xiàn)或有線(xiàn)通信基礎設施系統時(shí)，可以實(shí)現基帶上的變頻，使數據傳輸簡(jiǎn)單、成本低、效率高。1 GSPS的NCO(數控振蕩器)和D／A轉換器允許AD9957提供高達400 MHz的直接輸出，因此無(wú)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2 Mb／s的SPI接口；內置1 024×32 bit RAM，可實(shí)現內部調制功能；內部采用1.8 V供電，超低功耗；內置的低噪聲參考時(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系統設計與實(shí)現

　　系統具體實(shí)現框圖如圖3所示。硬件設計主要包括外圍控制、FPGA、AD9957和濾波放大電路。

　　3.1外圍控制模塊設計

　　外圍控制模塊主要由PC機和相應的外圍控制電路組成，主要用來(lái)控制主、次側音的選擇及主、次側音所對應的調相指數的選擇。

　　3.2 FPGA設計

　　本設計中FPGA(現場(chǎng)可編程門(mén)陣列)采用XILINX公司生產(chǎn)的XC3S200，主要應用了VHDL可編程語(yǔ)言編寫(xiě)核心處理模塊的硬件開(kāi)發(fā)程序，其中包括時(shí)鐘產(chǎn)生模塊、側音生成模塊和初始化模塊3個(gè)模塊的設計。如圖4所示。

 　　時(shí)鐘產(chǎn)生模塊(clk_module)主要用來(lái)提供系統所需的統一工作時(shí)鐘及AD9957所需要的差分時(shí)鐘Clk_P和Clk_N，并為系統提供復位信號。

　　側音生成模塊(ceyin_module)中采用XILINX公司提供的DDS IP CORE直接產(chǎn)生所需主側音和虛擬次側音，通過(guò)計算控制字作為DDS的輸入，即可得出相應頻率的正弦信號輸出，再與外圍控制模塊送進(jìn)的各自的調相指數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(lái)產(chǎn)生AD9957的配置信號，如片選信號CS、串口數據寫(xiě)入SDIO信號等。使用Modelsim SE 6.0進(jìn)行串口寫(xiě)數據的時(shí)序仿真如圖5所示。

　　3.3 AD9957設計

　　式(2)中側音信號與載波信號進(jìn)行正交調制后即可得到所需的側音測距信號。在設計中使用AD9957的QDUC模式，由FPGA送出的I／Q兩路信號與AD9957內部DDS生成的載波信號進(jìn)行調相調制后輸出，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)數據采集。ChipScope Pro是針對XILINX公司FPGA的在線(xiàn)片內信號分析工具，通過(guò)JTAG口在線(xiàn)、實(shí)時(shí)地讀出FPGA內部信號。

　　數據觀(guān)察窗口采集的數據如圖6所示。

　　4結束語(yǔ)

　　本文給出了一種基于FPGA和AD9957的側音測距信號發(fā)生器設計，設計過(guò)程中充分利用了FPGA中特有的IP CORE來(lái)實(shí)現設計中所需的DDS、乘法器、加法器及查找表的功能，這樣不僅簡(jiǎn)化了實(shí)現程序，而且節省了資源。同時(shí)通過(guò)外圍控制模塊的設計，實(shí)現了靈活的參數可控性能。

　　本文所設計的中頻USB信號發(fā)生器已在某深空測距系統得以應用。