基于AD9954芯片的非线性调频信号实现

基于AD9954芯片的非线性调频信号实现 ( ) 文章编号 :100621630 20070320061204 基于 AD9954 芯片的非线性调频信号实现 王晓铭 ,王哲华 ()1 . 中国人民解放军海军驻上海地区航天系统军代室 ,上海 200235 ; 2 . 上海航天电子通讯设备研究所 ,上海 200082 () 摘 要 :提出了一种基于新型直接式数字合成 DDSAD9954 芯片 ,用数字阶梯逼近法直接读取数据产生非线 ( ) 性调频 NL FM信号的方法 。介绍了 NL FM 信号的实现 、P IC 控制电路与接口 ,分析了方法的不足 。研究表明 ,该 法所用硬件资源少 ,适于小时宽频宽乘积的非线性调频脉冲信号的实现 。 关键词 :非线性调频 ; 数字线性逼近法 ; 数字阶梯逼近法 ; AD9954 芯片 中图分类号 : TN761 . 2文献标识码 :A Nonl inear FM Signal Genera tor Ba sed on AD9954 1 2WAN G Xiao2ming, WAN G Zhe2hua (1 . The CPL A Navel Dep ut y Office in Shanghai Aerospace System , Shanghai 200235 , China ; )2 . Shanghai Instit ute of Aerospace Elect ro nic Teleco mmunicatio n , Shanghai 200082 , China ( ) Abstract :A met hod to p roduce no nlinear f requency modulatio n NL FMsignal by using digital step app roaching to read data directly based o n AD9954 chip was p ut forward in t his paper . The forming of t he NL FM signal , and P IC co nt rol circuit and interface were int roduced. The shortages of t he generator were also analyzed. The analysis showed t hat t he hardware used in t his met hod was simple. The generator was suitable to p roduce NL FM signal wit h small p roduct of time and f requency. Key words : No nlinear f requency modulatio n ; Digital linear app roaching ; Digital step app roaching ; AD9954 chip 行了研究 。 0 引言 ( ) 目前常用的雷达信号波形是线性调频 L FM 1 工作原理信号 ,但经匹配滤波器后输出的波形旁瓣较高 。为 一般 ,实现 NL FM 主要有模拟法 、数字线性逼 抑制旁瓣 ,一般采用加权或预失真处理 ,由此会引入 近法和数字阶梯逼近法三种 。模拟法采用声表面波 1,3 dB 的信噪比损失 。NL FM 信号是有窗函数幅 技术 ,缺点是对温度特性敏感 ,频带特性不平坦 。数度的频谱信号 ,其旁瓣抑制较高 ,可避免加权导致的 字线性逼近法根据 L FM 易实现和 NL FM 频率随时 信噪比损失 ,它通过高速控制电路不断改变扫频斜 间呈非线性变化的特点 , 将 NL FM 信号作为数段 率 ,用多次分段逼近法拟合 NL FM 信号 。但在工程 L FM 信号的合成 ,其原理如图 1 所示 。图中 : f 为 0 应用中 ,NL FM 信号的形成和满足雷达脉冲压缩的 输出频率 ; B 为调频带宽 ; T 为调频时间 。该法虽 性能是其实现的关键 。随着理论和仿真的不断完 易实现 ,但受比特控制字传输速率的限制 ,脉冲宽度 小于十几微秒的 NL FM 雷达脉冲信号形成较难 () 善 ,用直接式数字合成 DDS芯片产生 NL FM 信号 数字阶梯逼近法用直接读取法将形成 NL FM 的数 成为可能 。据存储在 ROM ,即波形分成无数的小阶梯 ,一次性 为此 , 本文对用 AD9954 芯片内部的 RAM 存 将其全部读出 ,其原理如图 2 所示 。该法对控制字 储器产生小时宽频宽乘积的非线性调频脉冲信号进 传输速率无限制 ,但因存储数据容量有限 ,会产生相 对理想波形的误差 。此法适于实现小时宽频宽乘积 的 NL FM 信号 。 收稿日期 :2007201224 ;修回日期 :2007203223 ( ) 作者简介 :王晓铭1966 —,男 ,工程师 ,主要从事武器系统研制 管理工作。 图 1 线性逼近法 Fig. 1 L inear approaching 图 3 频率 Fig. 3 Frequency 图 2 阶梯逼近法 Fig. 2 Step a pproaching 图 4 脉压 Fig. 4 Pulse compression 2 NL FM 分析与仿真 为获得高旁瓣抑制比 、低多普勒效应的 NL FM 数为 256 时 ,仿真的脉压仅为27 dBc 。本文受 P IC 单 信号 ,常需采用软件仿真 。实际上 , NL FM 信号是 片机硬件 ROM 的限制 ,选择的点数为 512 ,所得脉 L FM 信号的加权 。根据最小逗留相位原则 ,加权可 压为 36 dBc ,基本满足要求 。 理解为是在一 L FM 信号上加一无穷级数 ,即 - 1 ( ) ( ) f t = T f = B t / T + ? 3 基于 AD9954 芯片的 NL FM 实现( ) ( π) A nB sin 2n t / T .( )1 ?n = 1 AD9954 芯片主要由 32 位频率累加器 、14 位相 ( ) 式中 : f t 为 NL FM 信号的频率 ; n 为分段级数 ;( ) 位累加器 、14 位数/ 模转换 D/ A 、1 024 ×32 bit ( ) A n为泰勒权系数 。( ) RAM ,以及 4,20 倍的锁相环 PLL 倍频电路等组 ( ) ( ) 用动态优选法可得 A n ,由此求得 f t 的函 成 。它有串口无并口 ,自带 RAM 存储器和比较器 。1 数及曲线图。 该器件的主要性能是 :最高输入时钟频率400 M Hz ;动态优选法是一筛选优化的过程 ,具体过程为 : ( ) 可实现频移键控 FS K的线性和非线性多种功能 ; ( ) 设定一初值 A n 和程序循环的次数 N , 根据 0 频率 1 k Hz 的相位噪声 ?- 125 dBc/ Hz ; 配置高速 ( ) ( ) ( ) A n= A n1 ?r在 N 次循环中计算匹配滤 0 0 比较器 ,可同步输出方波 ; 强大的读写能力 , 2 或 3 波器的输出波形的最大距离旁瓣抑制比 ,并确定其线的串口 ,最高速率可达 25 M Hz ,接口均与数字信 ( ) A n。此处 : r 为一小量 。( ) 号处理器 DSP或单片机接口相兼容 ; 工作电压0 在参考频率 f = 8 M Hz ,频率范围 0,1 M Hz , s 1 . 8 V ,功耗 200 mW ;最小频率分辨率 0 . 09 Hz ; 频 μB = 1 M Hz , T = 64s ,旁瓣抑制比 PSLL 为 36 dBc , 率切换时间 100 ns 。 n = 512 点 ,时间间隔 125 ns 的条件下 ,用 Matlab 软 ( ) 件仿真得波形和脉压 PSLL 分别如图 3 、4 所示 。 3 . 1 NL FM 实现上述波形仿真为硬件实现提供了基础 。在信号 在 AD9954 芯片中 , 用数字线性逼近法产生时宽脉宽相同时 ,存储的点数越多效果越好 。当点 NL FM 信号时 , 以串行口数据刷新的速率 25 M Hz 传输数十比特的控制字 ,单段线性调频信号最小脉AD9954 芯片输入 Up date 脉冲后 ,输入数据由缓冲 μ冲宽度可达 2 ,3 s , 若用七段 L FM 信号拟合一 器进入内部寄存器 , RAM 读出存储的全部数据 ,输 μNL FM 信号 ,最小脉冲宽度为 14 ,21 s 。用数字 出 NL FM 信号 。 梯度逼近法产生 NL FM 信号时 ,由其 RAM 存储器 AD9954 芯片的 RAM 段可根据 PS0 、PS1 管脚 ( ) μ 可实现脉冲宽度小于 14 自由选择分为四段 见表 1, 但地址共有 1 024 ×s 的 NL FM 信号 。 AD9954 芯片的所有 RAM 读/ 写均被 Profile32 bit 。因此 ,无论 RSCW 的段数 ,内部 RAM 只能存< 1 :0 > 输入引脚和各自的 RAM 段控制字控制 。 储 1 024 个频点 。这就对 NL FM 信号产生了限制 置 CFR1 < 31 > = 1 , CFR1 < 30 > = 0 ,则进入 RAM 但当时宽脉宽乘积很小 ,所需频点数小于 1 024 时 , 方式 , RAM 输出与相位累加器相连并向器件提供频 就可利用分段灵活实现不同形式的 NL FM 信号 ,增 率调节字 。此处 : CFR1 为 DDS 内部基本控制寄存 加信号的抗干扰能力 。 器地址 0 X00 ; < 31 > 为第 31 位 ; < 30 > 为第 30 位 。 置 DDS 外 部 PS0 、PS1 管 脚 为 低 , 选 中 RAM 的 表 1 RSCW 控制方式( ) RSCW 为 RAM 段 的 控 制 字 RSCW0 段 。在 Ta b. 1 Control of RSCW RSCW0 段中设置 RAM 的起始地址和终端地址及 PS1 PS0 RSCW 扫频斜率 。 据仿真要求 , 两个地址间相差 511 , 扫频斜率 0 0 RSCW0 0 1 RSCW1 125 ns 。DDS 的参考频率 f 与输出频率间有s 1 0 RSCW2 1 1 RSCW3 1 ( )f = Ff .2 0 s 32 2 式中 : F 为 DDS 频率控制字 。 改变 RSCW < 7 : 5 > 和 Profile 的内部设置 , 可 () 2可将所仿真的输出频率转为相应的十由式 使 AD9954 芯片处于不同的 RAM 工作方式 , 其可 六进制控制字 。将这 512 个频点对应的控制字依次 编程 性 能 实 现 各 种 形 式 的 NL FM 、L FM 脉 冲 写入 RAM 的 0 X0B 地址 ,输入的每个控制字都由器 AD9954 芯片的 RAM 工作模式和 Profile 模式说明 件自动装载入 所 设 置 的 512 个 地 址 。当 外 部 向 见表 2 。 表 2 AD9954 芯片的 RAM 工作模式和 Prof ile 模式说明 Ta b. 2 Description of RAM operation mode and Prof ile mode of AD9954 模式 注释 模式说明 RSCW < 7 :5 > CFR1 < 29 :27 > 直接切换 无扫描、Profile 有效、非驻留无效 内部控制无效 000 000 内部控制有效、单触发、激活 Profile0 , 1 , 然 斜坡 扫描、Profile 有效、非驻留有效 001 001 后停止 扫描、Profile < 0 > 是方向控制 内部控制有效、单触发、激活 Profile0 , 1 , 2 , 双向斜坡 010 010 位、非驻留无效 然后停止 内部控制有效、单触发、激活 Profile0 , 1 , 2 , 连续双向斜坡 扫描、Profile 有效、非驻留无效 011 011 3 ,然后停止 内部控制有效、连续、激活 Profile0 , 1 , 再从 连续循环 扫描、Profile 有效、非驻留无效 100 100 0 开始循环 内部控制有效、连续、激活 Profile0 , 1 , 2 , 再 开放 无效模式2直接开关缺省 101 ,110 ,111 101 从 0 开始循环 内部控制有效、连续、激活 Profile0 , 1 , 2 , 3 , — — — 110 再从 0 开始循环 — — — 无效 111 3 . 2 PIC 控制电路和接口,可采用高参考频率 、高存储器位数 、内部免 。为此 控制电路选用 Micro Chip 公司的 P IC 系列单片 RAM 容量大的 DDS 芯片 ,以及用 F P GA 的大 ROM 容量自制 DDS 功能以提高精度 。机 ,时钟频率可达 40 M Hz ,且为单指令周期 。与其 他单片机相比 ,其体积小 、耗电低 、控制易 。虽然响 ( ) 应速度低于 DSP 和现场可编程逻辑阵列 F P GA, 4 结束语 但满足 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 对控制电路的要求 , P IC 单片机 ROM 本文对基于 AD9954 芯片产生 NL FM 信号的 方法进行了研究 。该 NL FM 信号发生器的硬件资 容量为 256 ×32 bit 。 源少 、控制电路简单 ,不受速度限制 ,相对仿真信号 P IC 单片机提供 DDS 所需的脉冲时序及相应 的失真小 。AD9954 芯片内部的 RAM 为 NL FM 信 的控制字 。其中 : Up date 为脉冲输入 , 将控制字从 缓冲器转移到内部寄存器 ,上升沿有效 ; PS0 , PS1 为 号的直读产生提 供 便 利 , 可 容 易 地 实 现 NL FM 、控制的 RAM 段 ; SCL K 为串行口时钟 , 上升沿有 L FM 、二相码 、四相码 、脉冲调制和连续波等多功能效 ; SD IO 为串行口数据 ,M SB 为高位 ,L SB 为低位 ; 波形 。但用数字阶梯逼近法实现高旁瓣抑制的 IO- S YN C 为通信同步周期 , 低电平有效 , 其作用为 NL FM 信号时需作一系列计算和数学仿真 ,同时受 寄存器标志 。此方式所需的硬件少 ,占用空间小 。 AD9954 芯片内部 ROM 容量的限制 ,只能形成小时 宽小脉宽的 L FM 。 3 . 3 不足与改进 用 DDS 芯片产生 NL FM 信号也有缺点 : DDS 参考文献 芯片自身的相位截断带来误差 ; 内容存储器容量有 1 郜国义 , 龙中 , 杨志群. 一种非线性调频波形优化 ( ) 设计算法J . 重庆邮电大学学报 , 1998 , 10 4: 532 限产生的误差 ;频宽带宽乘积的限制 ;需有较完善的 54 . 理论仿真 。其中 : 相位截断特性产生的误差不可避 () 上接第 60 页 5 结束语 本文分析了用于机动目标跟踪 MM 估计中的 FSMM 、V SMM 方法 , 给出了 V SMM 中 L M S 算法 的实现 。IMM 、L M S 算法的仿真结果表明 : 为尽可 能覆盖目标机动的各种状态 IMM 算法必须使用较 多的模型同时进行滤波 , 而 L M S 算法使用的模型 可随目标的测量信息自适应地调整 ,减少了计算量 ; L M S 算法的精度高于 IMM 算法 。研究显示 ,由于 对模型集的自适应特性 ,L M S 算法可应对目标运动 模式出现跳变的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ,适于跟踪具复杂运动规律的 目标 。 图 6LMS 算法的位置误差 Fig. 6 Position error of LMS 参考文献 1 周宏仁 , 敬忠良 , 王培德. 机动目标跟踪 M . 北京 : 国防工业出版社 , 1991 . L I X R , J IL KOV V P. A survey of maneuvering target 2 t racking2part ?: multiple2model met hodsJ . I EEE Transactio ns o n Aerospace and Elect ro nics Systems , () 2003 , 36 2: 4482465 . L I X R. Multiple2model estimatio n wit h variable st ruc2 3 t ure J . I EEE Transactio ns o n Auto matic Co nt rol , 图 7LMS 算法的速度误差() 1996 , 41 4: 4782493 . Fig. 7 Velocity error of LMS