| 标题 | 基于DDS技术的搜救信标频率源设计 |
| 范文 | 董鹏玲+佘世刚 摘 要： 提出了一种以遇险搜救406 MHz信标机为应用背景，针对其频率源部分，设计输出频率为6 MHz的频率源。该设计通过单片机技术完成定位数据的接收以及曼彻斯特编码；利用DDS实现载波的BPSK调制与频率合成。研究的重点在于GPS芯片与单片机，单片机与AD9852的硬件接口电路，编码解码的工作流程以及椭圆滤波器设计的关键技术，并提出了一种数字化搜救信标机的实现方法。 关键字： 搜救信标； DDS； 频率源设计； 椭圆滤波器 中图分类号： TN927+.2?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）21?0080?03 Design of frequency source for rescue beacon based on DDS DONG Peng?ling， SHE Shi?gang （Lanzhou Physics Institute of Spase Technology， Lanzhou 730000， China） Abstract： Afrequency source with output frequency of 6 MHz was designed for 406 MHz rescue beacon. In the design， a singlechip positioning data receive and Manchester encoding were achieved by the aid of SCM technology. BPSK modulation and frequency synthesis of carrier wave realized with DDS chip AD9852. The circuits of hardware interfaces from to GPS chip and from singlechip microcomputer to AD9852， as well as the codec program and design of the elliptic filter were researched emphatically. Keywords： rescue beacon； DDS； design of frequency source； elliptic filter 0 引 言 搜救信标是全球海上遇险与安全系统（GMDSS）中必须配备的设备[1]。当船舶遇险时，搜救信标能够发送船舶识别码、遇险船舶的位置信息以及其他有关遇险性质的信息。在遇险救助中，搜救信标是一种有效的报警手段。加装了GPS接收机搜救信标的可以直接发送船只的当前位置信息给全球卫星搜救系统，再由全球卫星搜救系统统一安排营救排险[2]。 频率源作为搜救信标机的基本信号来源，其频率的精准度直接关系搜救工作的成败。而锁相环作为通常采用的频率合成技术，锁相环的准确度和步进跟提供输入信号的本地晶振和鉴相频率相关，主要缺点是切换速度不够，频率分辨率低，当其综合输出的频率分辨率越高时，其频率切换速度就越慢。如果要提高切换速度，就必须牺牲分辨率[3]。为了改善搜救信标信号源的频率精准度，本文提出一种以直接数字频率合成为原理，采用AD9852芯片实现的可编程数字频率源设计，并给出其滤波器的拓扑结构及仿真结果。 1 设计原理 1.1 DDS频率合成原理 典型的DDS原理方框图如图1所示。它包括如下基本的部件：相位累加器；相位?幅度变换器，即正弦查表ROM；D/A变换器；低通滤波器。 图1 DDS原理图 相位累加器是DDS系统的核心，它类似于一个简单的计数器，它是由[L]位存储数字相位增量字的频率寄存器、后接[L]位全加器（通常为多级级联4位全加器）和相位寄存器组成，后二者常常是合并在一起的。数字输入相位增量字进入频率寄存器后，在每个参考时钟周期或者脉冲期间，表示相位增量的数字就加到容量正比于输出信号相位的数字累加器中。为了充分发挥DDS的优越性，一般累加器的位数都比较大，频率字可控制DDS的输出频率，可根据需要来设定[4]。 在同样的时间内，累加器的值传递给正弦查找表ROM，然后ROM输出给D/A变换器。D/A变换器产生一系列的表示以时间脉冲速率抽样的电压阶跃，最后经低通滤波器平滑输出。当相位累加器由于重复相加而溢出时，它的最高有效位（MSB）就从1变到0，又开始一个新的输出周期。只要检测到MSB有输出，DDS就产生一个改变符号的方波，改变的符号与抽样正弦波零交叉时的符号相一致。因为方波只在参考时钟周期时改变符号，所以它的相位一般相对于被产生信号的理想相位要延迟一个变化量，相位延迟正比于累加器溢出后剩余的数值。相位增量字表示在每个参考时钟周期加到前次值的相位角步长所产生的线性增加的数字值。对于[L]位相位累加器，使用[-2L]溢出的性质，那么，在[2L]个参考时钟周期之后，累加器中存储的余数就为零。 1.2 BPSK调制原理 BPSK调制是利用相位突变实现的，图2的仿真图演示了BPSK的调制过程。 图2 BPSK调制过程 BPSK用载波的相位0和π表示数字信号的1和0。如图2所示，设定载波的5个周期表示数字信号的一位，开始载波相位为0即相位控制字[P=0，]表示数字信号为高电平1；当载波相位突变为π即相位控制字[P=2M-1]后，表示数字信号为低电平0；载波相位再次突变为0以后又表示数字信号的高电平1。重复此过程，就将所有数字信号加到载波上，即BPSK调制。 2 系统设计 2.1 系统框图设计 频率源的原理框图如图3所示，通过天线接收北斗导航定位信号送入MCU，在MCU中生成符合搜救协议的基带波形，并由MCU控制AD9852生成6 MHz的载波。由于DDS芯片输出信号杂散较大，因此需在输出端连接一个低通滤波器。 2.2 硬件电路设计 本文只介绍AD9852的外围电路设计以及滤波电路的设计。 图3 系统原理框图 2.2.1 AD9852外围电路 AD9852数字频率合成器是一种高集成设备，它具有2个48位的可编程频率寄存器和2个14位可编程相位寄存器，可方便地完成FSK，BPSK等多种调制。当接入精确时钟源时，AD9852能产生一种高稳定度的、频率-相位-幅度-可编程的余弦波。 根据芯片手册，55引脚需连接一个0.01 μF的贴片式电容，并将另外一段连接在AVDD上；56引脚用来设置标准模式下的输出电流：正常工作状态下的输出电流为5～20 mA之间，由[RSET=39.9IOUT]可知，[RSET]可在2～8 kΩ左右。在本电路中，选择连接一个阻值为4 kΩ的电阻，另外一端接地。 在芯片的每个电源输入引脚并联一个0.1 μF的去耦电容，即可以去除电源输入对引脚带来的部分干扰，同时也作为芯片的蓄能电容。 其外围电路如图4所示。 图4 DDS外围电路 2.2.2 滤波电路设计 设计中的DDS输出频率为6 MHz，主要谐波分量为12 MHz的谐波分量，故滤波器的最低阻带频率要低于5 MHz。因此选择在相同阶数下有着最小通带和阻带波动的椭圆滤波器。滤波器的主要指标为：3 dB的截止频率、输入输出阻抗、最低阻带频率及此处的衰减和通带内纹波系数。故设计椭圆滤波器的截止频率为6.5 MHz，输入输出阻抗为50 Ω，最低阻带频率为7.5 MHz，此处的衰减为60 dB，带内纹波系数小于0.25 dB。 具体设计步骤如下： （1） 计算陡度系数和反射系数。 陡度系数由截止频率[fs]和最低阻带频率[fc]决定：[As=fsfc=1.15。]反射系数根据通带内纹波系数计算可得[ρ=]25%。 （2） 根据陡度系数[As、]衰减系数60 dB和反射系数[ρ，]参考椭圆滤波器阶数曲线得到所需滤波器可设计为7阶。 （3） 查找椭圆滤波器阶LC元件值表可得归一化的元件值。 对滤波器元件值进行去归一化，归一化公式为：[L=LZfFS，][C=CZfFS。]其中[L，][C]为表中读出的数据，[Z]为阻抗标度系数，[fFS=2πfc]为频率标度系数。去归一化后即可得滤波器的所有元件值，如表1所示。 表1 椭圆滤波器元件值 [[C1]/pF＼&[C2]/pF＼&[C3]/pF＼&[C4]/pF＼&[C5]/pF＼&425.4＼&351.0＼&635.1＼&500.5＼&751.9＼&[C6]/pF＼&[C7]/pF＼&[L1]/μH＼&[L2]/μH＼&[L3]/μH＼&95.94＼&593.6＼&878.0＼&977.1＼&1.452＼&] 2.3 软件设计 本文只详细介绍AD9852对载波的调制以及频率合成的软件设计。AD9852提供串行和并行两种通信接口可供用户自行选择，本文选择并行接口。软件流程图如图5所示。 图5 载波调制及频率合成的软件流程图 向AD9852控制寄存器写工作模式控制字：因AD9852可实现FSK，BPSK，PSK，CHIRP，AM等功能操作，所以在AD9852开始工作前，需确定其完成哪种功能操作。这本次设计中，需要9852芯片实现BPSK的相位调制，故对控制寄存器（1F）写入100（实现BPSK模式）。 给载波写入频率控制字：频率控制字控制输出频率。根据参考时钟频率、频率寄存器位数以及输出频率，计算出频率控制字。 给相位寄存器1，2写入相位控制字：利用AD9852实现BPSK的载波调制，实际是将两个相位值分别存入相位寄存器1和相位寄存器2，当基带波形为1时，载入相位寄存器1的值；当基带波形为0时，载入相位寄存器2的值。 DDS中频率控制寄存器[F]控制输出信号的频率，相位控制寄存器[P]用来控制输出信号的相位。如果DDS输出的正弦信号为[A=A0sin（2πf+Φ），]则[F]控制的是[f，][N]控制的是[Φ。]设DDS输入信号频率为[f1，]频率控制寄存器的位数为[N，]相位控制寄存器的位数为[M，]则[f=f1×F2N，][Φ=2π×P2M，]使用DDS时根据需要计算出所需的[F]和[P]的值写入芯片即可。 其写频率控制字和相位控制字的代码段如下： //写频率控制字1 *（（&dds1） ）=ftw1[0]； *（（&dds2） ）=ftw1[1]； *（（&dds3） ）=ftw1[2]； *（（&dds4） ）=ftw1[3]； *（（&dds5） ）=ftw1[4]； *（（&dds6） ）=ftw1[5]； //写相位值1 *（（&phase1） ）=phase_word1[0]； *（（&phase2） ）=phase_word1[1]； //写相位值2 *（（&phase3） ）=phase_word2[0]； *（（&phase4） ）=phase_word2[1]； //for（k=0；k<2；k++） // *（ （&phase1） +k）=phase_word1[k]； //取最终地址的内容 取地址 地址加i // for（k=0；k<2；k++） //*（ （&phase2） +k）=phase_word2[k]； } 2.4 椭圆滤波器的仿真结果 将表1的元件值组成的椭圆滤波器进行仿真得到其频率响应曲线如图6所示，可以看到在4 MHz的频点处衰减约为60 dB，满足设计指标。 图6 椭圆滤波器频率响应曲线 3 总 结 本文提出了一种将AD9852应用于搜救信标的设计，输出频率为6 MHz的调制波。并简述DDS频率合成以及BPSK调制的基本原理，并给出相应的代码段。由于AD9852通过编程实现基带波形的调制和频率合成，因此可完成FSK等多种调制模式，而且通过编程可产生方波、三角波等多种波形。所以提出的设计具有很好的可移植性，可应用于其他频率源，在高稳定度的数字频率源中具有广阔的应用前景。 参考文献 [1] 王立波，王永生，李正.船载应急无线示位标（EPIRB）设计研究[J].电子技术应用，2005（4）：31?35. [2] 杨广治，刘柏森.GMDSS船用通信设备[M].大连：大连海事大学出版社，1998. [3] PALEMO Samuel Micheal. A multi?band phase?locked loop frequency synthesizer [M]. [S.l.]： [s.n.]， 1999. [4] 白居宪.直接数字频率合成[M].西安：西安交通大学出版社，2007. [5] 王辛.基于DDS技术的波形设计[J].现代电子技术，2013，36（14）：1?3. [6] 桂玲.基于AD9852和单片机的频率合成器设计[J].现代电子技术，2012，35（15）：79?81. //写相位值1 *（（&phase1） ）=phase_word1[0]； *（（&phase2） ）=phase_word1[1]； //写相位值2 *（（&phase3） ）=phase_word2[0]； *（（&phase4） ）=phase_word2[1]； //for（k=0；k<2；k++） // *（ （&phase1） +k）=phase_word1[k]； //取最终地址的内容 取地址 地址加i // for（k=0；k<2；k++） //*（ （&phase2） +k）=phase_word2[k]； } 2.4 椭圆滤波器的仿真结果 将表1的元件值组成的椭圆滤波器进行仿真得到其频率响应曲线如图6所示，可以看到在4 MHz的频点处衰减约为60 dB，满足设计指标。 图6 椭圆滤波器频率响应曲线 3 总 结 本文提出了一种将AD9852应用于搜救信标的设计，输出频率为6 MHz的调制波。并简述DDS频率合成以及BPSK调制的基本原理，并给出相应的代码段。由于AD9852通过编程实现基带波形的调制和频率合成，因此可完成FSK等多种调制模式，而且通过编程可产生方波、三角波等多种波形。所以提出的设计具有很好的可移植性，可应用于其他频率源，在高稳定度的数字频率源中具有广阔的应用前景。 参考文献 [1] 王立波，王永生，李正.船载应急无线示位标（EPIRB）设计研究[J].电子技术应用，2005（4）：31?35. [2] 杨广治，刘柏森.GMDSS船用通信设备[M].大连：大连海事大学出版社，1998. [3] PALEMO Samuel Micheal. A multi?band phase?locked loop frequency synthesizer [M]. [S.l.]： [s.n.]， 1999. [4] 白居宪.直接数字频率合成[M].西安：西安交通大学出版社，2007. [5] 王辛.基于DDS技术的波形设计[J].现代电子技术，2013，36（14）：1?3. [6] 桂玲.基于AD9852和单片机的频率合成器设计[J].现代电子技术，2012，35（15）：79?81. //写相位值1 *（（&phase1） ）=phase_word1[0]； *（（&phase2） ）=phase_word1[1]； //写相位值2 *（（&phase3） ）=phase_word2[0]； *（（&phase4） ）=phase_word2[1]； //for（k=0；k<2；k++） // *（ （&phase1） +k）=phase_word1[k]； //取最终地址的内容 取地址 地址加i // for（k=0；k<2；k++） //*（ （&phase2） +k）=phase_word2[k]； } 2.4 椭圆滤波器的仿真结果 将表1的元件值组成的椭圆滤波器进行仿真得到其频率响应曲线如图6所示，可以看到在4 MHz的频点处衰减约为60 dB，满足设计指标。 图6 椭圆滤波器频率响应曲线 3 总 结 本文提出了一种将AD9852应用于搜救信标的设计，输出频率为6 MHz的调制波。并简述DDS频率合成以及BPSK调制的基本原理，并给出相应的代码段。由于AD9852通过编程实现基带波形的调制和频率合成，因此可完成FSK等多种调制模式，而且通过编程可产生方波、三角波等多种波形。所以提出的设计具有很好的可移植性，可应用于其他频率源，在高稳定度的数字频率源中具有广阔的应用前景。 参考文献 [1] 王立波，王永生，李正.船载应急无线示位标（EPIRB）设计研究[J].电子技术应用，2005（4）：31?35. [2] 杨广治，刘柏森.GMDSS船用通信设备[M].大连：大连海事大学出版社，1998. [3] PALEMO Samuel Micheal. A multi?band phase?locked loop frequency synthesizer [M]. [S.l.]： [s.n.]， 1999. [4] 白居宪.直接数字频率合成[M].西安：西安交通大学出版社，2007. [5] 王辛.基于DDS技术的波形设计[J].现代电子技术，2013，36（14）：1?3. [6] 桂玲.基于AD9852和单片机的频率合成器设计[J].现代电子技术，2012，35（15）：79?81. |
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