基于DSPDUC的短波陣列信號發(fā)生器3013

一、引言陣列信號處理作為數(shù)字信號處理領(lǐng)域的一個重要分支，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、聲納、通信、地震勘探和醫(yī)用成像等眾多領(lǐng)域；短波頻段則常用于短波測向和波束合成技術(shù)。在短波頻段，陣列信號處理設(shè)備通常包括短波天線陣、短波多波道接收機、后端陣列信號處理機3個主要組成部分。其中，短波天線陣接收空間短波信號，短波接收機對信號作模擬下變頻，陣列信號處理機則對短波多波道接收機輸出信號作數(shù)字采樣并進行相應(yīng)的陣列信號處理算法，給出最終運算結(jié)果。短波天線陣由于短波頻段的限制，通常天線單元的體積比較大，天線陣的孔徑也比較大，占地往往近十畝；而且為了達(dá)到比較好的接收效果，短波天線陣對周邊電磁環(huán)境的要求也相當(dāng)高。這都給短波陣列信號處理機研制過程中的調(diào)試和試驗帶來了極大的不便，同時也很不利于陣列信號處理機針對不同陣列流型短波信號的各種算法研究和驗證。針對短波陣列信號處理設(shè)備研制、調(diào)試的實際情況，筆者選用數(shù)字信號處理器芯片（）和數(shù)字上變頻器芯片（ ）設(shè)計了一個模擬短波天線陣輸出信號的陣列信號發(fā)生器，可以在實驗室環(huán)境下取代短波天線陣，產(chǎn)生各種不同陣列流型相對應(yīng)的短波陣列信號，提供陣列信號處理機算法的調(diào)試和驗證條件。二、設(shè)計思路按照設(shè)計構(gòu)想，本陣列信號發(fā)生器應(yīng)該能夠靈活地產(chǎn)生對應(yīng)不同陣列形式（攜帶有不同陣列形式對應(yīng)的幅度差和相位差）、基本覆蓋? 頻段范圍的短波陣列信號。如果采用傳統(tǒng)的模擬上變頻電路實現(xiàn)射頻輸出，很難滿足設(shè)計構(gòu)想，因此筆者采用軟件無線電的思想，選用了數(shù)字上變頻器（）C在數(shù)字域作上變頻，然后通過變換產(chǎn)生短波高頻模擬信號。為了實現(xiàn)不同陣列形式所帶來的幅度差和相位差，筆者選用了芯片，在數(shù)字域?qū)Χ鄠€信號加入不同的幅度及相，、 、戶.位差。如圖所示，陣列信號發(fā)生器的總體設(shè)計思路為：以 和 為核心，利用外部音頻信號輸入的 采樣數(shù)據(jù)作為調(diào)制信號數(shù)據(jù)，由對預(yù)制的載波信號（較低頻率）作數(shù)字調(diào)制運算，并根據(jù)可選的不同陣列流型對已調(diào)數(shù)字信號分別加上個不同的幅度差和相位差后，經(jīng) 分別送到個中，經(jīng)數(shù)字上變頻及 變換后輸出路短波陣列信號。在設(shè)計中由于實際的音頻調(diào)制信號要經(jīng)過芯片的數(shù)字調(diào)制運算，再分配到個中，因此使用一個大規(guī)模的 邏輯芯片作為 芯片和個芯片之間的數(shù)據(jù)交換接口。三、器件選擇作為本設(shè)計的核心器件， 芯片的運算能力要求比較高，同時又存在運算過程中大量數(shù)據(jù)交換的特點，經(jīng)過綜合比較，筆者選用了 公司的系列中的 2是位浮點，使用主時鐘，運算能力可達(dá) F片內(nèi)帶有的雙口（對本設(shè)計，則不需要外部另行擴充存儲器，所有運算所需存儲空間均由內(nèi)部支持，大大減少與外部存儲器交換數(shù)據(jù)的時間開銷）；支持個通道供片內(nèi)和外部存儲器、串口等交換數(shù)據(jù)（本設(shè)計利用其通道傳遞音頻采樣數(shù)據(jù)）。串行本設(shè)計之所以采用串行對外部輸入音頻進行數(shù)字采樣，主要是考慮到外部輸入信號應(yīng)不間斷地進入的內(nèi)存中，可利用 的串口方式傳遞數(shù)據(jù)。因此筆者選用了 公司的雙聲道串行音頻采樣器 。數(shù)字3上.變頻器的主要功能是對輸入數(shù)據(jù)進行頻率變換、頻譜搬移，即在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)混頻。筆者選用了公司的作為本設(shè)計的U是位正交數(shù)字上變頻器，最高工作時鐘為，內(nèi)部集成有高速直接數(shù)字合成器、數(shù)字內(nèi)插濾波器、時鐘倍頻電路以及用戶可編程功能；而且內(nèi)部集成有一個位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，可以直接輸出模擬高頻信號?！跤捎诳诳?8把數(shù)據(jù)傳輸路徑從模擬領(lǐng)域轉(zhuǎn)移到數(shù)字領(lǐng)域，在物理上模擬電路功能與數(shù)字部件是分開的，因此當(dāng)修改電路參數(shù)或系統(tǒng)升級時，只需通過AD985SP串行編程端口對內(nèi)部寄存器做一些簡單的修改，不需要改變硬件電路即可實現(xiàn)。4.FPGA□由于本設(shè)計中存在大量的高速數(shù)據(jù)交換，因此作為DS和口口數(shù)據(jù)接口的fpg規(guī)模要求比較大，筆者選用的是口口口口公司口口口系列中的口口口10?？诳诳?口□□□EPF典型邏輯門數(shù)為5萬門，片內(nèi)含有40kb的RA,M可滿足較大量的數(shù)據(jù)緩存和數(shù)據(jù)交換要求。四、設(shè)計實現(xiàn)□在設(shè)計實現(xiàn)中，本設(shè)計的主要工作集中在DS程序編制和FP口軟件調(diào)試兩個方面。□□□□□□□□1程序川田□□□作為整個設(shè)計的主控者，主要完成以下3個方面的功能：□□□首先，口口對串行A/采樣器AD1口進行簡單的配置，如采樣率、數(shù)據(jù)格式等，并配置自身的接收串口，設(shè)置為鏈?zhǔn)娇诳诜绞?，從而在一塊指定的內(nèi)存區(qū)間不間斷地重復(fù)存儲和刷新音頻采樣數(shù)據(jù);□其次，口口將對口口存儲空間的數(shù)據(jù)作數(shù)字調(diào)制運口算，載波信號使用的是預(yù)制的幾組較低頻率(如5kH10k等)的余弦信號之一；然后對已調(diào)數(shù)字信號根據(jù)不同的陣列流型添加不同的幅度、相位差，構(gòu)成帶有幅度和相位差別的陣列信號；最后將陣列信號數(shù)據(jù)按照不同的端口地址，以并行的方式寫入FPG中各自對應(yīng)的暫存FI口中O,由FP口負(fù)責(zé)將其分配口至各個DU數(shù)據(jù)端口；□□□再次，口口對9個DU內(nèi)部寄存器的配置，包括上口變頻倍數(shù)、輸出載波頻率、頻譜搬移方式、輸出模擬信號幅度等。DS對于DU的配置是以向不同地址的外部端口寫入并行數(shù)據(jù)字的方式進行的，再通過口FP的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能轉(zhuǎn)變?yōu)榇蠸P數(shù)據(jù)格式，分別對每個DU作寄存器配置。□□□□□2口程序口皿口□□□□的功能是實現(xiàn)DS與9個DU之間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和分發(fā)工作，如圖2所示，口口講根據(jù)不同地址將DS數(shù)據(jù)總線轉(zhuǎn)送到不同的DU(#1?#9)接口單元?！酢酢酢酢鯇τ贒UC配置數(shù)據(jù)，每個皿接口單元先將其鎖存，再對鎖存數(shù)據(jù)作并/串轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變?yōu)镾PI形式串行數(shù)據(jù)后，分別對每個DUC進行其內(nèi)部寄存器設(shè)置。□□□□□對于待上變頻數(shù)據(jù)，每個DUC接口單元都先將其送入一個64X16bit的雙時鐘FIFO中，然后9個DUC同一時刻將各自的待上變頻數(shù)據(jù)分別從FIFO中讀出，作DUC運算，并以模擬信號輸出?！酢酢酢酢酢酢跷濉⒔Y(jié)束語本文所介紹的短波陣列信號發(fā)生器已用于實際短波測向系統(tǒng)的實驗室驗證，其多路短波陣列模擬信號輸出可直接送入短波多波道接收機。由于本信號發(fā)生器共有9路輸出，因此可適用于9元及9元以下的各種陣型天線陣信號的模擬。通過對于信號發(fā)生器中DSP程序的選擇，可選擇所要模擬的陣型，并設(shè)置所希望的來波方向，從而產(chǎn)生帶有陣型幅度和相位信息的多路陣列信號，提供給DSP算法的實際驗證環(huán)境?！酢酢酢酢跄壳耙褱y試了常用的直線陣、方陣（3X3,2X2）、圓陣（均勻，非均勻）等多種陣型，試驗結(jié)果都達(dá)到了預(yù)期效果。另外，本設(shè)計對外部雙聲道音頻采樣，可通過在左右聲道上加上不同的音頻信號，從而得到2個不同的調(diào)制信號，在DSP程序中將兩者疊加，就可模擬短波測向中常遇到的同頻多個信號的情況，用于驗證測向算法對于同頻多信號的區(qū)分能力。在陣列信號處理機的調(diào)試過程中，短波陣列信號發(fā)生器的應(yīng)用，極大地方便了短波頻段陣列信號處理設(shè)備的實驗室研制和調(diào)試，使得設(shè)備的外場調(diào)試時間大幅度縮短。參考文獻□口[1]楊小牛，樓才義，徐建良口軟件無線電原理與應(yīng)用[M.匕京：電子工業(yè)出版社，2001.[2]AnalogDevicesInc.AD9857DataSheets