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摘 要:针对水下测深训练要求,运用直接数字频率合成(Direct Digital Frequency Synthesis, DDS)技术,设计并研制1种用于陆上训练、无需换能器的测深仪回波信号源.实践证明,该方法能有效提高测深精度,增加模拟范围,有一定的实用性.
关键词:直接数字频率合成; 信号源; 现场可编程门阵列
中图分类号:U666.75; TP27; P225文献标志码:A
Echo sounder’s target signal generator based on DDS
YU Lili, SHI Chaojian, HUANG Zhenmin, LI Shaowei
(Merchant Marine College, Shanghai Maritime Univ., Shanghai 200135, China)
Abstract: To solve the depth measurement training under water, based on the technology of the Direct Digital Frequency Synthesis (DDS), an echo sounder’s target signal generator is proposed. Making use of the generator, training on land without the transducer can be realized. Experiment shows that the measurement precision is improved,the range of simulation is extended, and it is practical.
Key words: direct digital frequency synthesis; signal generator; field programmable gate array
0 引 言
测深仪是保证船舶安全航行的重要设备,提高测深仪的使用训练效果和维修质量对发挥设备的正常效能有重要意义.
“测深仪回波信号源”可模拟船员训练和检测测深仪,对提高训练水平和维修质量、缩短训练和维修周期有巨大作用.可直观地模拟各种海况下的回声信号,实现无法在陆地上进行的教学和训练科目,且更直观、方便,提高教学和训练质量,缩短训练周期;能对测深仪作全程维修,取代测深仪的系泊实验;能避免测深仪换能器发出的超声波对训练和维修人员造成伤害.[1]
目前,测深仪标称精度优于1%,但与之对应的“测深仪回波信号源”由于精度有限,测量误差大,为此,本文用当今先进的直接数字频率合成(Direct Digital Frequency Synthesis,DDS)技术融入回波信号源研制中,产生的回波信号具有可变、模拟范围广和精度高等特点,成功地实现测深仪水深信号的定量模拟.[2]
1 回波生成原理
本文回波信号的产生采用DDS技术,见图1.
用随机读写存储器RAM存储所需波形的量化数据,按不同频率要求,以频率控制字X为步进对相位增量进行累加,以累加相位值作为地址码读取存放在存储器内的波形数据,经D/A转换和低通滤波(LPF)后得到所需波形.
相位累加器是实现DDS的核心,由1个N位字长的二进制加法器和1个固定时钟脉冲取样的N位相位寄存器组成.在每个时钟脉冲到达时,相位寄存器以步长X增加(即相位寄存器采样上个时钟周期内相位寄存器的值与频率控制字X之和),作为相位累加器在这一时钟周期的输出.相位寄存器的输出作为“波形查找表”的地址.“查找表”一般由ROM或RAM构成,将输入的地址信息映射为幅度信号,同时输出到D/A转换器的输入端.D/A输出的模拟信号经过低通滤波器后,可得1个预设的波形.当相位累加器积满量时会产生1次溢出,从而完成1个周期性的动作,即DDS合成信号的1个频率周期.
输出信号波形的频率为f=X2Nfc可知,输出信号频率主要取决于频率控制字X,当X增大时,f可不断提高.由抽样定理,最高输出频率≤fc/2;根据试验验证,实际输出信号频率<fc/3时较为合适.[3]
由于DDS具有相对带宽很宽、频率转换时间极短(<20 ns)和频率分辨率高(典型值为0.001 Hz)等优点,且全数字化结构便于集成,输出相位连续,频率、相位和幅度可进行程控,理论上能实现任意波形,完全满足信号源产生各种海底回波的要求.
2 系统总体设计
在能够满足各项技术指标的前提下,系统设计方案见图2.该方案简便、实用、性价比高.图2 系统设计方案
(1)采用AT89系列单片机作为信号源的主控制器,负责整个信号源工作的协调,在波形数据加载阶段,单片机通过USB接口芯片从上位PC机获得所要加载的数据信息,并将此数据信息下载到现场可编程门阵列(Field Prograrnmable Gate Array,FPGA)芯片EPF10K10的RAM中.
(2)当测深仪通过换能器接口发出探底声呐信号时,该单频正弦脉冲调制信号首先经起隔离保护作用的收发转换电路,然后经包络检波、T型滤波和施密特整形后转换为与声呐信号周期相对应的纯脉冲信号.单片机在该脉冲信号的外中断触发下,通过FPGA,D/A转换及幅度控制模拟产生与目标回波强度和目标距离(回波延时)相应的回波信号.[4]
(3)回波信号经滤波和功率放大后,通过收发转换电路送入测深仪换能器接口,单片机可在必要的时候获取上位PC机的控制信号控制输出波形.
3 关键技术分析
3.1 FPGA的实现
本文采用的FPGA为Altera公司的10 000门系列产品EPF10K10LC84,有较快的速度和较大规模的逻辑阵列,能完全满足设计需求.
FPGA内部主要由分频电路、SPI接口模块、波形存储模块(内部RAM和地址选择器)、地址锁存器、相位累加器和波形幅度输出模块构成,见图3.启动时,单片机将波形数据通过总线复用方式存入内部RAM中;当需要修改频率字时,单片机将频率控制字(相位步进量)通过SPI串行接口传送给相位累加器;相位累加器根据频率控制字读取内部RAM的数据,进而传送给外部的D/A转换器;分频电路产生使相位累加器正常工作并控制其精度和波形质量的基准时钟.[5]
图3 FPGA内部设计
3.1.1 相位累加器的设计
DDS技术中的核心环节即相位累加器的功能由FPGA完成,见图4.
图4 相位累加器
其中,频率控制字PIR和要生成的波形周期数PERIODN由单片机通过SPI接口存入移位寄存器;Data_from_RAM连接内部RAM,即波形存储器输出的波形幅度信息;ReadAdd连接地址选择器,是读取波形信息时存储器RAM的地址;Data_to_DAC连接外部D/A转换器的数据输入端,即传送给D/A转换器的波形幅度数据.
在实际设计中,将相位累加器与波形幅度输出模块用同1个VHDL程序实现.(1)2者的时钟必须相同;(2)“相位累加器”本身相当于1个“地址生成器”,决定波形发生器的查表地址,将“RAM读取模块”与“地址生成器”放在1个程序中,可使时序控制变得容易且出错少.
单片机型号为ATMEL 89s52,采用12时钟周期/机器周期,振荡频率为11.059 2 MHz,在实际应用中,上限频率无法满足200 kHz的载波要求;同时,单片机软件的定时有先天缺陷,要达到精确定时比较困难,因此,使用FPGA.
3.1.2 波形存储模块的设计
在波形存储模块中引入地址锁存器、地址选择器以及FPGA内部的RAM块DQRAM,见图5.图5 波形存储模块
图5中,Data_from_MCU连接单片机的P0口;Data_from_RAM连接相位累加器;地址选择器决定对DQRAM的读写由相位累加器还是单片机通过地址锁存器进行操作;另外,EPF10K10LC84内部共有RAM 768 Byte,而此存储模块仅用512 Byte,以便与相位累加器连接.试验证明,在8位DAC输出时,512 Byte的RAM存储512个相位点的幅度信息和采用1 024个相位点的效果基本无差别.3.2 数模转换及幅度控制的实现
数模转换用转换速度为85 ns,带宽为10 MHz的8位单调高速乘法器DAC08,见图6.稳定时间快,可完全满足波形输出要求.输出级接运放LF353,实现-5.000 V～+4.960 V双极性电压输出.
图6 数模转换及幅度控制单元幅度控制使用带宽1 MHz的DAC0832实现.利用DAC0832内部的电阻分压网络,将经D/A输出产生的波形作为DAC0832的电压基准源,由单片机控制输入的数字量,实现幅度调整.
4 设计中的几点说明
由于DDS的工作原理基于数字取样及数模恢复的处理,输出的模拟信号中必然有杂散噪声,其来源主要有:
(1)相位舍位引起的误差.在DDS中,由于累加器的位数N大于RAM的寻址位数M,使得累加器在输出寻址RAM时,其N-M个低位就必须舍去,因此,会产生相位截断误差,是DDS输出杂散噪声的主要原因.
在设计中,取N=23,M=9,即寻址512 Byte,其总的信噪比为-10lg0.4424M+4624N,所产生的误差在允许范围内.
(2)相位量化误差.由于输出载波的波形通过一系列有限的离散采样点表示,不可避免地引入了相位量化误差.
经分频后的基准时钟fc=8.391 MHz,取相位步进量字长为18位,最高输出载波频率>200 kHz,需通过增加采样点数以减少误差.
(3)电源噪声也会使输出纹波增大.为减弱这种噪声,可选择纹波小的电源,同时可通过电源退耦以减小影响.
5 结束语
本文通过FPGA实现DDS直接数字频率合成技术,应用到测深仪回波信号源的设计中.在上海海事大学交通运输部IBS重点实验室的F-3000测深仪上调试,直观地模拟出在-1 000 m～0 m的水深范围内,各种海况下测深仪所需的回声信号,从而能完全取代换能器,实现过去在陆地上无法进行的海底水深测量,提高教学和训练的质量.[6]
参考文献:
[1]施朝健, 蔡存强. SMU-Ⅳ型综合船舶操纵模拟器的研制[J]. 上海海运学院学报, 1998, 19(4): 32-37.
[2]余立立, 施朝健, 黄震民. 一种新型测深仪回波信号发生装置: 中国, ZL200720075576.X[P]. 2008-09-17.
[3]KUSHNER L J. The composite DDS a new direct synthesizer architecture[C] // Proc 1993 IEEE Int Frequency Control Symp, June 2-4, 1993: 255-260.
[4]龙建标. 水下航行器探测声呐系统[D]. 西安: 西北工业大学, 2002.
[5]刘成尧, 王小海, 祁才君. 基于CPLD集成芯片FLEX6016实现DDS技术的任意波形发生器的研制[J]. 电测与仪表, 2003, 40(4): 14-18.
[6]SAM Corporation. DEBEG 4630 Navigation Echo Sounder Operation and Installation Manual[K]. 2006.
(编辑 陈锋杰)
关键词:直接数字频率合成; 信号源; 现场可编程门阵列
中图分类号:U666.75; TP27; P225文献标志码:A
Echo sounder’s target signal generator based on DDS
YU Lili, SHI Chaojian, HUANG Zhenmin, LI Shaowei
(Merchant Marine College, Shanghai Maritime Univ., Shanghai 200135, China)
Abstract: To solve the depth measurement training under water, based on the technology of the Direct Digital Frequency Synthesis (DDS), an echo sounder’s target signal generator is proposed. Making use of the generator, training on land without the transducer can be realized. Experiment shows that the measurement precision is improved,the range of simulation is extended, and it is practical.
Key words: direct digital frequency synthesis; signal generator; field programmable gate array
0 引 言
测深仪是保证船舶安全航行的重要设备,提高测深仪的使用训练效果和维修质量对发挥设备的正常效能有重要意义.
“测深仪回波信号源”可模拟船员训练和检测测深仪,对提高训练水平和维修质量、缩短训练和维修周期有巨大作用.可直观地模拟各种海况下的回声信号,实现无法在陆地上进行的教学和训练科目,且更直观、方便,提高教学和训练质量,缩短训练周期;能对测深仪作全程维修,取代测深仪的系泊实验;能避免测深仪换能器发出的超声波对训练和维修人员造成伤害.[1]
目前,测深仪标称精度优于1%,但与之对应的“测深仪回波信号源”由于精度有限,测量误差大,为此,本文用当今先进的直接数字频率合成(Direct Digital Frequency Synthesis,DDS)技术融入回波信号源研制中,产生的回波信号具有可变、模拟范围广和精度高等特点,成功地实现测深仪水深信号的定量模拟.[2]
1 回波生成原理
本文回波信号的产生采用DDS技术,见图1.
用随机读写存储器RAM存储所需波形的量化数据,按不同频率要求,以频率控制字X为步进对相位增量进行累加,以累加相位值作为地址码读取存放在存储器内的波形数据,经D/A转换和低通滤波(LPF)后得到所需波形.
相位累加器是实现DDS的核心,由1个N位字长的二进制加法器和1个固定时钟脉冲取样的N位相位寄存器组成.在每个时钟脉冲到达时,相位寄存器以步长X增加(即相位寄存器采样上个时钟周期内相位寄存器的值与频率控制字X之和),作为相位累加器在这一时钟周期的输出.相位寄存器的输出作为“波形查找表”的地址.“查找表”一般由ROM或RAM构成,将输入的地址信息映射为幅度信号,同时输出到D/A转换器的输入端.D/A输出的模拟信号经过低通滤波器后,可得1个预设的波形.当相位累加器积满量时会产生1次溢出,从而完成1个周期性的动作,即DDS合成信号的1个频率周期.
输出信号波形的频率为f=X2Nfc可知,输出信号频率主要取决于频率控制字X,当X增大时,f可不断提高.由抽样定理,最高输出频率≤fc/2;根据试验验证,实际输出信号频率<fc/3时较为合适.[3]
由于DDS具有相对带宽很宽、频率转换时间极短(<20 ns)和频率分辨率高(典型值为0.001 Hz)等优点,且全数字化结构便于集成,输出相位连续,频率、相位和幅度可进行程控,理论上能实现任意波形,完全满足信号源产生各种海底回波的要求.
2 系统总体设计
在能够满足各项技术指标的前提下,系统设计方案见图2.该方案简便、实用、性价比高.图2 系统设计方案
(1)采用AT89系列单片机作为信号源的主控制器,负责整个信号源工作的协调,在波形数据加载阶段,单片机通过USB接口芯片从上位PC机获得所要加载的数据信息,并将此数据信息下载到现场可编程门阵列(Field Prograrnmable Gate Array,FPGA)芯片EPF10K10的RAM中.
(2)当测深仪通过换能器接口发出探底声呐信号时,该单频正弦脉冲调制信号首先经起隔离保护作用的收发转换电路,然后经包络检波、T型滤波和施密特整形后转换为与声呐信号周期相对应的纯脉冲信号.单片机在该脉冲信号的外中断触发下,通过FPGA,D/A转换及幅度控制模拟产生与目标回波强度和目标距离(回波延时)相应的回波信号.[4]
(3)回波信号经滤波和功率放大后,通过收发转换电路送入测深仪换能器接口,单片机可在必要的时候获取上位PC机的控制信号控制输出波形.
3 关键技术分析
3.1 FPGA的实现
本文采用的FPGA为Altera公司的10 000门系列产品EPF10K10LC84,有较快的速度和较大规模的逻辑阵列,能完全满足设计需求.
FPGA内部主要由分频电路、SPI接口模块、波形存储模块(内部RAM和地址选择器)、地址锁存器、相位累加器和波形幅度输出模块构成,见图3.启动时,单片机将波形数据通过总线复用方式存入内部RAM中;当需要修改频率字时,单片机将频率控制字(相位步进量)通过SPI串行接口传送给相位累加器;相位累加器根据频率控制字读取内部RAM的数据,进而传送给外部的D/A转换器;分频电路产生使相位累加器正常工作并控制其精度和波形质量的基准时钟.[5]
图3 FPGA内部设计
3.1.1 相位累加器的设计
DDS技术中的核心环节即相位累加器的功能由FPGA完成,见图4.
图4 相位累加器
其中,频率控制字PIR和要生成的波形周期数PERIODN由单片机通过SPI接口存入移位寄存器;Data_from_RAM连接内部RAM,即波形存储器输出的波形幅度信息;ReadAdd连接地址选择器,是读取波形信息时存储器RAM的地址;Data_to_DAC连接外部D/A转换器的数据输入端,即传送给D/A转换器的波形幅度数据.
在实际设计中,将相位累加器与波形幅度输出模块用同1个VHDL程序实现.(1)2者的时钟必须相同;(2)“相位累加器”本身相当于1个“地址生成器”,决定波形发生器的查表地址,将“RAM读取模块”与“地址生成器”放在1个程序中,可使时序控制变得容易且出错少.
单片机型号为ATMEL 89s52,采用12时钟周期/机器周期,振荡频率为11.059 2 MHz,在实际应用中,上限频率无法满足200 kHz的载波要求;同时,单片机软件的定时有先天缺陷,要达到精确定时比较困难,因此,使用FPGA.
3.1.2 波形存储模块的设计
在波形存储模块中引入地址锁存器、地址选择器以及FPGA内部的RAM块DQRAM,见图5.图5 波形存储模块
图5中,Data_from_MCU连接单片机的P0口;Data_from_RAM连接相位累加器;地址选择器决定对DQRAM的读写由相位累加器还是单片机通过地址锁存器进行操作;另外,EPF10K10LC84内部共有RAM 768 Byte,而此存储模块仅用512 Byte,以便与相位累加器连接.试验证明,在8位DAC输出时,512 Byte的RAM存储512个相位点的幅度信息和采用1 024个相位点的效果基本无差别.3.2 数模转换及幅度控制的实现
数模转换用转换速度为85 ns,带宽为10 MHz的8位单调高速乘法器DAC08,见图6.稳定时间快,可完全满足波形输出要求.输出级接运放LF353,实现-5.000 V～+4.960 V双极性电压输出.
图6 数模转换及幅度控制单元幅度控制使用带宽1 MHz的DAC0832实现.利用DAC0832内部的电阻分压网络,将经D/A输出产生的波形作为DAC0832的电压基准源,由单片机控制输入的数字量,实现幅度调整.
4 设计中的几点说明
由于DDS的工作原理基于数字取样及数模恢复的处理,输出的模拟信号中必然有杂散噪声,其来源主要有:
(1)相位舍位引起的误差.在DDS中,由于累加器的位数N大于RAM的寻址位数M,使得累加器在输出寻址RAM时,其N-M个低位就必须舍去,因此,会产生相位截断误差,是DDS输出杂散噪声的主要原因.
在设计中,取N=23,M=9,即寻址512 Byte,其总的信噪比为-10lg0.4424M+4624N,所产生的误差在允许范围内.
(2)相位量化误差.由于输出载波的波形通过一系列有限的离散采样点表示,不可避免地引入了相位量化误差.
经分频后的基准时钟fc=8.391 MHz,取相位步进量字长为18位,最高输出载波频率>200 kHz,需通过增加采样点数以减少误差.
(3)电源噪声也会使输出纹波增大.为减弱这种噪声,可选择纹波小的电源,同时可通过电源退耦以减小影响.
5 结束语
本文通过FPGA实现DDS直接数字频率合成技术,应用到测深仪回波信号源的设计中.在上海海事大学交通运输部IBS重点实验室的F-3000测深仪上调试,直观地模拟出在-1 000 m～0 m的水深范围内,各种海况下测深仪所需的回声信号,从而能完全取代换能器,实现过去在陆地上无法进行的海底水深测量,提高教学和训练的质量.[6]
参考文献:
[1]施朝健, 蔡存强. SMU-Ⅳ型综合船舶操纵模拟器的研制[J]. 上海海运学院学报, 1998, 19(4): 32-37.
[2]余立立, 施朝健, 黄震民. 一种新型测深仪回波信号发生装置: 中国, ZL200720075576.X[P]. 2008-09-17.
[3]KUSHNER L J. The composite DDS a new direct synthesizer architecture[C] // Proc 1993 IEEE Int Frequency Control Symp, June 2-4, 1993: 255-260.
[4]龙建标. 水下航行器探测声呐系统[D]. 西安: 西北工业大学, 2002.
[5]刘成尧, 王小海, 祁才君. 基于CPLD集成芯片FLEX6016实现DDS技术的任意波形发生器的研制[J]. 电测与仪表, 2003, 40(4): 14-18.
[6]SAM Corporation. DEBEG 4630 Navigation Echo Sounder Operation and Installation Manual[K]. 2006.
(编辑 陈锋杰)