基于AD9957的USB测音测距信号发生器设计

　　０　引言

　　随着我国航天技术的不断进步，深空测距技术受到越来越多的关注。在深空测距系统中，中频信号发生器对系统性能有着重要的意义。在ＵＳＢ（统一Ｓ频段）系统中，原有的模拟电路实现的发射模块存在性能不完善、输入动态范围小、可控性能差、不能适应中心频率大范围变化、体积大等问题，为了解决上述问题，可在一个标准化通用数字调制信号发生器的平台上，通过外围的控制电路，实现对载波中心频率、输出功率、调相指数、测距音通／断控制等参数的改变。

　　以软件无线电思想为，基于ＰＬＤ（可编程逻辑器件）的通用调制信号发生器的设计，进一步给出了实现中频ＵＳＢ侧音测距信号的硬件设计及软件的设计思想，仿真结果及片上硬件数据采集结果证明了输出信号的正确性，同时实现了灵活的参数可控性能。

　　１　ＵＳＢ侧音测距原理

　　ＵＳＢ系统中可用的测距信号有伪码、侧音和伪码加侧音３种，形成不同的测距体制。目前微波统一系统中使用多的是纯侧音测距。

　　ＵＳＢ系统侧音测距信号是一个正弦调相波，它由Ｋ个正弦副载波（可以被信息调制）所调制。为了减小各调制副载波之间的交调干扰，调制方式为窄带调相。此调制信号表示为：

　　式中：Ａ为载波幅度；ωｃ为载波角频率；ｍｉ为第ｉ个正弦副载波对载波的调相指数；Ωｉ为第ｉ个正弦副载波的角频率。

　　ＵＳＢ系统采用７个侧音，主侧音为１００　ｋＨｚ，次测音为２０　ｋＨｚ、４　ｋＨｚ、８００　Ｈｚ、１６０　Ｈｚ、６２　Ｈｚ及８　Ｈｚ；次侧音经频谱折叠处理后，变为１００　ｋＨｚ、２０　ｋＨｚ、１６　Ｈｚ、１６．８　Ｈｚ、１６．１６　Ｈｚ、１６．０３２　Ｈｚ、１６．００８　Ｈｚ，称为虚拟次侧音。其中侧音的选择与测距要求有关，次侧音是侧音匹配解模糊所必需的。

　　在纯侧音测距系统中，有侧音＂同时发送＂和＂顺序轮发＂两种方式，我们采用侧音同时发送方式。这种方式，主侧音ｆ７一直发送，而在解模糊阶段，每次按侧音频率由高到低顺序加发一个虚拟次侧音。主侧音与虚拟次侧音间依次音发送次序层层进行匹配解模糊，直至主侧音与侧音问匹配完成，即进入无模糊距离测量阶段，此后，只发一个主侧音。发送过程如图１所示。

　　２　ＡＤ９９５７功能介绍

　　ＡＤ９９５７是美国模拟器件公司生产的内置１４位Ｄ／Ａ转换器的直接数字频率合成器（ＤＤＳ）集成电路，基本框图如图２所示。

　　ＡＤ９９５７采样速度达到１　ＧＳＰＳ（１０亿次采样每秒），同时，功耗比其他ＤＤＳ减小５０％以上，动态性能高达４００　ＭＨｚ输出频率，而且ｓＦＤＲ（无杂散动态范围）高达８０　ｄＢ以上，应用到无线和有线系统中时。利用ＡＤ９９５７调制器或ＱＤＵＣ（正交数字上变频器）提供的高达４００　ＭＨｚ中频实时输出达到简化数据传输的目的。ＡＤ９９５７还可提供用于快速编程的宽并行接口，具有一个更新速率达２５０　ＭＨｚ的１６　ｂｉｔ并行端口，允许每隔８　ｎｓ更新３２　ｂｉｔ的频率控制字。这种快速编程能力使之可以用于高速波形发生器、跳频合成器、安全通信以及各种雷达和扫描系统等需要频率或相位极快变化的场合。

　　此外，ＡＤ９９５７支持高达４００　ＭＨｚ输出的ＱＤＵＣ，由于ＡＤ９９５７内部集成了高速ＤＤＳ、１４ｂｉｔ　Ｄ／Ａ转换器、时钟倍频电路和数字滤波器，当应用于无线或有线通信基础设施系统时，可以实现基带上的变频，使数据传输简单、成本低、效率高。１　ＧＳＰＳ的ＮＣＯ（数控振荡器）和Ｄ／Ａ转换器允许ＡＤ９９５７提供高达４００　ＭＨｚ的直接输出，因此无需使用上变频级，而且降低了对滤波器的要求。

　　ＡＤ９９５７的主要特点：３２位相位累加器；波特率达２　Ｍｂ／ｓ的ＳＰＩ接口；内置１　０２４×３２　ｂｉｔ　ＲＡＭ，可实现内部调制功能；内部采用１．８　Ｖ供电，超低功耗；内置的低噪声参考时钟倍频器允许用低成本、低频外部时钟作为系统时钟，同时仍可提供优良的动态性能；支持测试向量和幅度斜坡式控制功能。　３系统设计与实现

　　系统具体实现框图如图３所示。硬件设计主要包括外围控制、ＦＰＧＡ、ＡＤ９９５７和滤波放大电路。

　　３．１外围控制模块设计

　　外围控制模块主要由ＰＣ机和相应的外围控制电路组成，主要用来控制主、次侧音的选择及主、次侧音所对应的调相指数的选择。

　　３．２　ＦＰＧＡ设计

　　本设计中ＦＰＧＡ（现场可编程门阵列）采用ＸＩＬＩＮＸ公司生产的ＸＣ３Ｓ２００，主要应用了ＶＨＤＬ可编程语言编写处理模块的硬件开发程序，其中包括时钟产生模块、侧音生成模块和初始化模块３个模块的设计。如图４所示。

　　时钟产生模块（ｃｌｋ＿ｍｏｄｕｌｅ）主要用来提供系统所需的统一工作时钟及ＡＤ９９５７所需要的差分时钟Ｃｌｋ＿Ｐ和Ｃｌｋ＿Ｎ，并为系统提供复位信号。

　　侧音生成模块（ｃｅｙｉｎ＿ｍｏｄｕｌｅ）中采用ＸＩＬＩＮＸ公司提供的ＤＤＳ　ＩＰ　ＣＯＲＥ直接产生所需主侧音和虚拟次侧音，通过计算控制字作为ＤＤＳ的输入，即可得出相应频率的正弦信号输出，再与外围控制模块送进的各自的调相指数ｍ１、ｍ２经乘法器相乘后送加法器相加，经查找表输出两路正余弦信号作为ＡＤ９９５７的两路输入信号。

　　初始化模块（ＡＤ９９５７＿ｉｎｉｔ）用来产生ＡＤ９９５７的配置信号，如片选信号ＣＳ、串口数据写入ＳＤＩＯ信号等。使用Ｍｏｄｅｌｓｉｍ　ＳＥ　６．０进行串口写数据的时序仿真如图５所示。

　　３．３　ＡＤ９９５７设计

　　式（２）中侧音信号与载波信号进行正交调制后即可得到所需的侧音测距信号。在设计中使用ＡＤ９９５７的ＱＤＵＣ模式，由ＦＰＧＡ送出的Ｉ／Ｑ两路信号与ＡＤ９９５７内部ＤＤＳ生成的载波信号进行调相调制后输出，经带通滤波后即可得到所需的中频（７０　ＭＨｚ）ＵＳＢ信号。使用ＸＩＬＩＮＸ公司的ＣｈｉｐＳｃｏｐｅ　Ｐｒｏ　８．２ｉ进行实时数据采集。ＣｈｉｐＳｃｏｐｅ　Ｐｒｏ是针对ＸＩＬＩＮＸ公司ＦＰＧＡ的在线片内信号分析工具，通过ＪＴＡＧ口在线、实时地读出ＦＰＧＡ内部信号。

　　数据观察窗口采集的数据如图６所示。

　　４结束语

　　本文给出了一种基于ＦＰＧＡ和ＡＤ９９５７的侧音测距信号发生器设计，设计过程中充分利用了ＦＰＧＡ中特有的ＩＰ　ＣＯＲＥ来实现设计中所需的ＤＤＳ、乘法器、加法器及查找表的功能，这样不仅简化了实现程序，而且节省了资源。同时通过外围控制模块的设计，实现了灵活的参数可控性能。