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1、CF和FM多频信号的DDS实现摘要:本文为了实现模仿蝙蝠通过精确调整其叫声频率,可以快速、准确定位的功能,应用DDS(DirectDigitalSynthesizer)直接数字频率合成技术,进行单片机和AD9852芯片一体化设计,实现单频CF和调频FM两种信号的产生,以实现水中目标探测器在不同探测阶段发射不同信号的功能,经过硬件调试,表明应用直接数字频率合成技术可以产生单频CF和调频FM信号。 关键词:目标探测器直接数字频率合成发射信号 :TJ430:A:1007-9416(2011)01-002
2、2-03 1、引言 水中兵器主要有鱼雷、水雷和深水炸弹,在海战中发挥着重要作用,特别是在反潜作战中具有重要地位和作用。声波是唯一一种能在水中进行远距离传播的物理场,因此,超声探测技术已经普遍应用于水中兵器的引信探测器中,成为一种主要的探测技术。 传统的超声探测技术因搜索“视场”窄,仅能完成“发现”目标的功能,欲从感知物体的回波中快速获取目标信息,并实现“发现、定向、定位”,必须赋予其智能化的功能。在智能化的目标探测器中受系统中枢控制的数字式发射信号的发生是研究的关键问题之一,尤其是发射信号的
3、调制方法将直接影响探测器的分辨率。因此,本文主要开展数字式发射信号发生器的设计,以产生具有高分辨率的发射信号。 2、CF和FM信号数学模型 对声探测系统来说,发射信号的波形设计是影响探测系统性能的关键因素之一。发射信号波形不但决定了探测系统采用的信号处理方法、而且还会对声探测系统的参数测量精度、分辨力、抑制混响以及反对抗能力等性能产生直接影响。 蝙蝠能巧妙地调整声音的频率实现回波定位,从而适应特殊的杂乱地形。比起使用单一频率,多频定位可以帮助蝙蝠更加迅速地适应周围环境。蝙蝠将发出的声信号和回
4、声进行对比,可忽略外来干扰,小心比对发送的声音和回声,进行判断、行动。蝙蝠需要发出两次、三次甚至四次叫声,才能获取足够的信息,通过改变每次发出的声音频率,可区分出探测物的不同,从而在大脑中将其绘制成一个高分辨率的3D地图[1,2]。对蝙蝠回声定位机理的研究成果表明,大部分蝙蝠发射的超声波主要由CF或FM组成。这些超声波大致可分为三种形式:短CF-FM超声波、长CF-FM超声波、FM超声波。蝙蝠在搜寻猎物阶段一般主要利用CF超声波来发现目标,而在跟踪和捕捉猎物阶段主要采用FM超声波来对目标进行定位和判断
5、[3]。本文模仿蝙蝠的这一机理,信号设计为:在搜索阶段,发射CF信号来发现较远距离动目标;在跟踪和攻击阶段,发射FM信号对动目标进行识别、定位,本文中的FM信号设计为线性调频(LFM)脉冲信号。 CF和LFM信号的数学表达式分别为 式中,T为信号脉冲宽度,为载频频率,K为线性调频系数。本文中,信号脉冲宽度T定义为0.001s,频率定义为500KHz。 3、数字式信号发生器硬件设计 本文设计的数字式信号发生器主要由以下几部分组成: 1)微控制器:采用宏晶科技最新高速、低功耗、超强抗干扰的STC
6、12LE5A60S2八位单片机。 2)DDS专用集成芯片,采用美国ADI公司的AD9852芯片。 3)单片机外围电路:复位电路、振荡电路、通信电路等。 4)DDS芯片外围电路,包括系统时钟产生、电流电压转换电路等。 5)120MHz椭圆函数型低通滤波电路。 6)系统供电电路以及电源去耦电路。 数字式信号发生器整体硬件方案如图1所示。 单片机通过数据总线、地址总线和控制总线与AD9852芯片进行并行通信,通过软件编程的方式向AD9852芯片对应控制寄存器内写入频率控制字、相位控制字和幅度控
7、制字等数据字,从而实现对AD9852芯片的频率调制、相位调制和幅度调制等功能,通过外部电流-电压转换电路、120MHz椭圆函数型低通滤波器输出预定频率、脉冲宽度等符合设计要求的信号。 3.1AD9852工作模式选择 AD9852存在五种可编程工作模式:单音、FSK、斜变FSK、线性调频脉冲和BPSK,通过定义芯片内部并行地址为1Fhex的控制寄存器中三个二进制位:Mode2、Mode1和Mode0,来选择相应的工作模式。 根据本文设计的发射信号波形,在硬件电路中AD9852的工作模式应设置为单音
8、模式或线性调频脉冲模式。具体设置是通过软件编程定义上述三位二进制位,然后通过微控制器写入AD9852对应的控制寄存器中。 3.2AD9852系统时钟电路设计 AD9852芯片最高系统时钟频率为300MHz,实际应用中其输出频率范围定义为0～120MHz。AD9852系统时钟的产生有两种方法: 1)通过芯片69脚以单端形式或通过68脚、69脚以差分形式直接输入300MHZ的时钟信号。 2)通过设置控制寄存器的第21位“bypassPLL”,利用内部
