基于DDS技術(shù)的搜救信標頻率源設(shè)計

董鵬玲+佘世剛

摘 要： 提出了一種以遇險搜救406 MHz信標機為應(yīng)用背景，針對其頻率源部分，設(shè)計輸出頻率為6 MHz的頻率源。該設(shè)計通過單片機技術(shù)完成定位數(shù)據(jù)的接收以及曼徹斯特編碼；利用DDS實現(xiàn)載波的BPSK調(diào)制與頻率合成。研究的重點在于GPS芯片與單片機，單片機與AD9852的硬件接口電路，編碼解碼的工作流程以及橢圓濾波器設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，并提出了一種數(shù)字化搜救信標機的實現(xiàn)方法。

關(guān)鍵字： 搜救信標； DDS； 頻率源設(shè)計； 橢圓濾波器

中圖分類號： TN927+.2?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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

搜救信標是全球海上遇險與安全系統(tǒng)（GMDSS）中必須配備的設(shè)備[1]。當船舶遇險時，搜救信標能夠發(fā)送船舶識別碼、遇險船舶的位置信息以及其他有關(guān)遇險性質(zhì)的信息。在遇險救助中，搜救信標是一種有效的報警手段。加裝了GPS接收機搜救信標的可以直接發(fā)送船只的當前位置信息給全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)，再由全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)統(tǒng)一安排營救排險[2]。

頻率源作為搜救信標機的基本信號來源，其頻率的精準度直接關(guān)系搜救工作的成敗。而鎖相環(huán)作為通常采用的頻率合成技術(shù)，鎖相環(huán)的準確度和步進跟提供輸入信號的本地晶振和鑒相頻率相關(guān)，主要缺點是切換速度不夠，頻率分辨率低，當其綜合輸出的頻率分辨率越高時，其頻率切換速度就越慢。如果要提高切換速度，就必須犧牲分辨率[3]。為了改善搜救信標信號源的頻率精準度，本文提出一種以直接數(shù)字頻率合成為原理，采用AD9852芯片實現(xiàn)的可編程數(shù)字頻率源設(shè)計，并給出其濾波器的拓撲結(jié)構(gòu)及仿真結(jié)果。

1 設(shè)計原理

1.1 DDS頻率合成原理

典型的DDS原理方框圖如圖1所示。它包括如下基本的部件：相位累加器；相位?幅度變換器，即正弦查表ROM；D/A變換器；低通濾波器。

圖1 DDS原理圖

相位累加器是DDS系統(tǒng)的核心，它類似于一個簡單的計數(shù)器，它是由[L]位存儲數(shù)字相位增量字的頻率寄存器、后接[L]位全加器（通常為多級級聯(lián)4位全加器）和相位寄存器組成，后二者常常是合并在一起的。數(shù)字輸入相位增量字進入頻率寄存器后，在每個參考時鐘周期或者脈沖期間，表示相位增量的數(shù)字就加到容量正比于輸出信號相位的數(shù)字累加器中。為了充分發(fā)揮DDS的優(yōu)越性，一般累加器的位數(shù)都比較大，頻率字可控制DDS的輸出頻率，可根據(jù)需要來設(shè)定[4]。

在同樣的時間內(nèi)，累加器的值傳遞給正弦查找表ROM，然后ROM輸出給D/A變換器。D/A變換器產(chǎn)生一系列的表示以時間脈沖速率抽樣的電壓階躍，最后經(jīng)低通濾波器平滑輸出。當相位累加器由于重復(fù)相加而溢出時，它的最高有效位（MSB）就從1變到0，又開始一個新的輸出周期。只要檢測到MSB有輸出，DDS就產(chǎn)生一個改變符號的方波，改變的符號與抽樣正弦波零交叉時的符號相一致。因為方波只在參考時鐘周期時改變符號，所以它的相位一般相對于被產(chǎn)生信號的理想相位要延遲一個變化量，相位延遲正比于累加器溢出后剩余的數(shù)值。相位增量字表示在每個參考時鐘周期加到前次值的相位角步長所產(chǎn)生的線性增加的數(shù)字值。對于[L]位相位累加器，使用[-2L]溢出的性質(zhì)，那么，在[2L]個參考時鐘周期之后，累加器中存儲的余數(shù)就為零。

1.2 BPSK調(diào)制原理

BPSK調(diào)制是利用相位突變實現(xiàn)的，圖2的仿真圖演示了BPSK的調(diào)制過程。

圖2 BPSK調(diào)制過程

BPSK用載波的相位0和π表示數(shù)字信號的1和0。如圖2所示，設(shè)定載波的5個周期表示數(shù)字信號的一位，開始載波相位為0即相位控制字[P=0，]表示數(shù)字信號為高電平1；當載波相位突變?yōu)棣屑聪辔豢刂谱諿P=2M-1]后，表示數(shù)字信號為低電平0；載波相位再次突變?yōu)?以后又表示數(shù)字信號的高電平1。重復(fù)此過程，就將所有數(shù)字信號加到載波上，即BPSK調(diào)制。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)框圖設(shè)計

頻率源的原理框圖如圖3所示，通過天線接收北斗導(dǎo)航定位信號送入MCU，在MCU中生成符合搜救協(xié)議的基帶波形，并由MCU控制AD9852生成6 MHz的載波。由于DDS芯片輸出信號雜散較大，因此需在輸出端連接一個低通濾波器。

2.2 硬件電路設(shè)計

本文只介紹AD9852的外圍電路設(shè)計以及濾波電路的設(shè)計。

圖3 系統(tǒng)原理框圖

2.2.1 AD9852外圍電路

AD9852數(shù)字頻率合成器是一種高集成設(shè)備，它具有2個48位的可編程頻率寄存器和2個14位可編程相位寄存器，可方便地完成FSK，BPSK等多種調(diào)制。當接入精確時鐘源時，AD9852能產(chǎn)生一種高穩(wěn)定度的、頻率-相位-幅度-可編程的余弦波。

根據(jù)芯片手冊，55引腳需連接一個0.01 μF的貼片式電容，并將另外一段連接在AVDD上；56引腳用來設(shè)置標準模式下的輸出電流：正常工作狀態(tài)下的輸出電流為5～20 mA之間，由[RSET=39.9IOUT]可知，[RSET]可在2～8 kΩ左右。在本電路中，選擇連接一個阻值為4 kΩ的電阻，另外一端接地。

在芯片的每個電源輸入引腳并聯(lián)一個0.1 μF的去耦電容，即可以去除電源輸入對引腳帶來的部分干擾，同時也作為芯片的蓄能電容。

其外圍電路如圖4所示。

圖4 DDS外圍電路

2.2.2 濾波電路設(shè)計

設(shè)計中的DDS輸出頻率為6 MHz，主要諧波分量為12 MHz的諧波分量，故濾波器的最低阻帶頻率要低于5 MHz。因此選擇在相同階數(shù)下有著最小通帶和阻帶波動的橢圓濾波器。濾波器的主要指標為：3 dB的截止頻率、輸入輸出阻抗、最低阻帶頻率及此處的衰減和通帶內(nèi)紋波系數(shù)。故設(shè)計橢圓濾波器的截止頻率為6.5 MHz，輸入輸出阻抗為50 Ω，最低阻帶頻率為7.5 MHz，此處的衰減為60 dB，帶內(nèi)紋波系數(shù)小于0.25 dB。

具體設(shè)計步驟如下：

（1） 計算陡度系數(shù)和反射系數(shù)。

陡度系數(shù)由截止頻率[fs]和最低阻帶頻率[fc]決定：[As=fsfc=1.15。]反射系數(shù)根據(jù)通帶內(nèi)紋波系數(shù)計算可得[ρ=]25%。

（2） 根據(jù)陡度系數(shù)[As、]衰減系數(shù)60 dB和反射系數(shù)[ρ，]參考橢圓濾波器階數(shù)曲線得到所需濾波器可設(shè)計為7階。

（3） 查找橢圓濾波器階LC元件值表可得歸一化的元件值。

對濾波器元件值進行去歸一化，歸一化公式為：[L=LZfFS，][C=CZfFS。]其中[L，][C]為表中讀出的數(shù)據(jù)，[Z]為阻抗標度系數(shù)，[fFS=2πfc]為頻率標度系數(shù)。去歸一化后即可得濾波器的所有元件值，如表1所示。

表1 橢圓濾波器元件值

[[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 軟件設(shè)計

本文只詳細介紹AD9852對載波的調(diào)制以及頻率合成的軟件設(shè)計。AD9852提供串行和并行兩種通信接口可供用戶自行選擇，本文選擇并行接口。軟件流程圖如圖5所示。

圖5 載波調(diào)制及頻率合成的軟件流程圖

向AD9852控制寄存器寫工作模式控制字：因AD9852可實現(xiàn)FSK，BPSK，PSK，CHIRP，AM等功能操作，所以在AD9852開始工作前，需確定其完成哪種功能操作。這本次設(shè)計中，需要9852芯片實現(xiàn)BPSK的相位調(diào)制，故對控制寄存器（1F）寫入100（實現(xiàn)BPSK模式）。

給載波寫入頻率控制字：頻率控制字控制輸出頻率。根據(jù)參考時鐘頻率、頻率寄存器位數(shù)以及輸出頻率，計算出頻率控制字。

給相位寄存器1，2寫入相位控制字：利用AD9852實現(xiàn)BPSK的載波調(diào)制，實際是將兩個相位值分別存入相位寄存器1和相位寄存器2，當基帶波形為1時，載入相位寄存器1的值；當基帶波形為0時，載入相位寄存器2的值。

DDS中頻率控制寄存器[F]控制輸出信號的頻率，相位控制寄存器[P]用來控制輸出信號的相位。如果DDS輸出的正弦信號為[A=A0sin（2πf+Φ），]則[F]控制的是[f，][N]控制的是[Φ。]設(shè)DDS輸入信號頻率為[f1，]頻率控制寄存器的位數(shù)為[N，]相位控制寄存器的位數(shù)為[M，]則[f=f1×F2N，][Φ=2π×P2M，]使用DDS時根據(jù)需要計算出所需的[F]和[P]的值寫入芯片即可。

其寫頻率控制字和相位控制字的代碼段如下：

//寫頻率控制字1

*（（&dds1） ）=ftw1[0]；

*（（&dds2） ）=ftw1[1]；

*（（&dds3） ）=ftw1[2]；

*（（&dds4） ）=ftw1[3]；

*（（&dds5） ）=ftw1[4]；

*（（&dds6） ）=ftw1[5]；

//寫相位值1

*（（&phase1） ）=phase_word1[0]；

*（（&phase2） ）=phase_word1[1]；

//寫相位值2

*（（&phase3） ）=phase_word2[0]；

*（（&phase4） ）=phase_word2[1]；

//for（k=0；k<2；k++）

// *（ （&phase1） +k）=phase_word1[k]；

//取最終地址的內(nèi)容 取地址 地址加i

// for（k=0；k<2；k++）

//*（ （&phase2） +k）=phase_word2[k]；

}

2.4 橢圓濾波器的仿真結(jié)果

將表1的元件值組成的橢圓濾波器進行仿真得到其頻率響應(yīng)曲線如圖6所示，可以看到在4 MHz的頻點處衰減約為60 dB，滿足設(shè)計指標。

圖6 橢圓濾波器頻率響應(yīng)曲線

3 總 結(jié)

本文提出了一種將AD9852應(yīng)用于搜救信標的設(shè)計，輸出頻率為6 MHz的調(diào)制波。并簡述DDS頻率合成以及BPSK調(diào)制的基本原理，并給出相應(yīng)的代碼段。由于AD9852通過編程實現(xiàn)基帶波形的調(diào)制和頻率合成，因此可完成FSK等多種調(diào)制模式，而且通過編程可產(chǎn)生方波、三角波等多種波形。所以提出的設(shè)計具有很好的可移植性，可應(yīng)用于其他頻率源，在高穩(wěn)定度的數(shù)字頻率源中具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻

[1] 王立波，王永生，李正.船載應(yīng)急無線示位標（EPIRB）設(shè)計研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2005（4）：31?35.

[2] 楊廣治，劉柏森.GMDSS船用通信設(shè)備[M].大連：大連海事大學(xué)出版社，1998.

[3] PALEMO Samuel Micheal. A multi?band phase?locked loop frequency synthesizer [M]. [S.l.]： [s.n.]， 1999.

[4] 白居憲.直接數(shù)字頻率合成[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2007.

[5] 王辛.基于DDS技術(shù)的波形設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（14）：1?3.

[6] 桂玲.基于AD9852和單片機的頻率合成器設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（15）：79?81.

//寫相位值1

*（（&phase1） ）=phase_word1[0]；

*（（&phase2） ）=phase_word1[1]；

//寫相位值2

*（（&phase3） ）=phase_word2[0]；

*（（&phase4） ）=phase_word2[1]；

//for（k=0；k<2；k++）

// *（ （&phase1） +k）=phase_word1[k]；

//取最終地址的內(nèi)容 取地址 地址加i

// for（k=0；k<2；k++）

//*（ （&phase2） +k）=phase_word2[k]；

}

2.4 橢圓濾波器的仿真結(jié)果

將表1的元件值組成的橢圓濾波器進行仿真得到其頻率響應(yīng)曲線如圖6所示，可以看到在4 MHz的頻點處衰減約為60 dB，滿足設(shè)計指標。

圖6 橢圓濾波器頻率響應(yīng)曲線

3 總 結(jié)

本文提出了一種將AD9852應(yīng)用于搜救信標的設(shè)計，輸出頻率為6 MHz的調(diào)制波。并簡述DDS頻率合成以及BPSK調(diào)制的基本原理，并給出相應(yīng)的代碼段。由于AD9852通過編程實現(xiàn)基帶波形的調(diào)制和頻率合成，因此可完成FSK等多種調(diào)制模式，而且通過編程可產(chǎn)生方波、三角波等多種波形。所以提出的設(shè)計具有很好的可移植性，可應(yīng)用于其他頻率源，在高穩(wěn)定度的數(shù)字頻率源中具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻

[1] 王立波，王永生，李正.船載應(yīng)急無線示位標（EPIRB）設(shè)計研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2005（4）：31?35.

[2] 楊廣治，劉柏森.GMDSS船用通信設(shè)備[M].大連：大連海事大學(xué)出版社，1998.

[3] PALEMO Samuel Micheal. A multi?band phase?locked loop frequency synthesizer [M]. [S.l.]： [s.n.]， 1999.

[4] 白居憲.直接數(shù)字頻率合成[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2007.

[5] 王辛.基于DDS技術(shù)的波形設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（14）：1?3.

[6] 桂玲.基于AD9852和單片機的頻率合成器設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（15）：79?81.

//寫相位值1

*（（&phase1） ）=phase_word1[0]；

*（（&phase2） ）=phase_word1[1]；

//寫相位值2

*（（&phase3） ）=phase_word2[0]；

*（（&phase4） ）=phase_word2[1]；

//for（k=0；k<2；k++）

// *（ （&phase1） +k）=phase_word1[k]；

//取最終地址的內(nèi)容 取地址 地址加i

// for（k=0；k<2；k++）

//*（ （&phase2） +k）=phase_word2[k]；

}

2.4 橢圓濾波器的仿真結(jié)果

將表1的元件值組成的橢圓濾波器進行仿真得到其頻率響應(yīng)曲線如圖6所示，可以看到在4 MHz的頻點處衰減約為60 dB，滿足設(shè)計指標。

圖6 橢圓濾波器頻率響應(yīng)曲線

3 總 結(jié)

本文提出了一種將AD9852應(yīng)用于搜救信標的設(shè)計，輸出頻率為6 MHz的調(diào)制波。并簡述DDS頻率合成以及BPSK調(diào)制的基本原理，并給出相應(yīng)的代碼段。由于AD9852通過編程實現(xiàn)基帶波形的調(diào)制和頻率合成，因此可完成FSK等多種調(diào)制模式，而且通過編程可產(chǎn)生方波、三角波等多種波形。所以提出的設(shè)計具有很好的可移植性，可應(yīng)用于其他頻率源，在高穩(wěn)定度的數(shù)字頻率源中具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻

[1] 王立波，王永生，李正.船載應(yīng)急無線示位標（EPIRB）設(shè)計研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2005（4）：31?35.

[2] 楊廣治，劉柏森.GMDSS船用通信設(shè)備[M].大連：大連海事大學(xué)出版社，1998.

[3] PALEMO Samuel Micheal. A multi?band phase?locked loop frequency synthesizer [M]. [S.l.]： [s.n.]， 1999.

[4] 白居憲.直接數(shù)字頻率合成[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2007.

[5] 王辛.基于DDS技術(shù)的波形設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（14）：1?3.

[6] 桂玲.基于AD9852和單片機的頻率合成器設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（15）：79?81.