基于DDS的動(dòng)態(tài)多普勒模擬器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1 引言

在航天測(cè)控領(lǐng)域中，測(cè)控系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)捕獲、跟蹤性能和測(cè)量精度是非常重要的因素，如何有效地對(duì)地面測(cè)控設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，保證其能夠保持較好的性能，是非常重要的，直接數(shù)字頻率合成技術(shù)（direct digital synthesis），他將先進(jìn)的數(shù)字處理方法引入到信號(hào)合成領(lǐng)域，采用數(shù)字采樣技術(shù)進(jìn)行信號(hào)合成，與傳統(tǒng)的頻率合成技術(shù)相比，dds芯片具有頻率分辨率高、頻譜純凈，頻率速率高，輸出的變頻信號(hào)相位連續(xù)，相位噪聲低，全數(shù)字接口，易于編程控制，體積小、價(jià)格低，有助于提高系統(tǒng)的整體性?xún)r(jià)比等優(yōu)點(diǎn)，于是提出基于dds的動(dòng)態(tài)多普勒模擬器的設(shè)計(jì)方案，保證動(dòng)態(tài)多普勒模擬器輸出準(zhǔn)確的點(diǎn)頻和穩(wěn)定的掃描頻率。

2 直接數(shù)字頻率合成技術(shù)

直接數(shù)字式頻率合成器（dds）是一種新型的頻率合成方法，與直接頻率合成（ds）和鎖相式頻率合成（pll）在原理上完全不同。dds的基本原理是建立在不同的相位給出不同的電壓幅度基礎(chǔ)上的，即對(duì)應(yīng)輸出信號(hào)的一個(gè)周期（相應(yīng)的相位為2π），給出按照一定電壓幅度變化規(guī)律組成的輸出波形。由于他不但給出了不同的頻率和不同的相位，而且可以給出不同的波形，因此這種方法又稱(chēng)波形合成法。

最基本的波形合成是一個(gè)斜升波的合成，其方案如圖1所示，波形合成的過(guò)程如下：由一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)頻率時(shí)鐘產(chǎn)生器產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖，送到計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器根據(jù)計(jì)數(shù)脈沖的多少給出不同的數(shù)碼，數(shù)/模轉(zhuǎn)換器根據(jù)計(jì)數(shù)器輸出的數(shù)碼轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓幅度。當(dāng)計(jì)數(shù)器連續(xù)計(jì)數(shù)時(shí)，數(shù)/模轉(zhuǎn)換器就產(chǎn)生一個(gè)上升的階梯波，階梯波的上升包絡(luò)即為一個(gè)斜升波。當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)滿時(shí)，計(jì)數(shù)器復(fù)零又重新開(kāi)始計(jì)數(shù)，階梯波又從零開(kāi)始，如此反復(fù)循環(huán)，階梯波經(jīng)平滑濾波器檢出其包絡(luò)，便成為斜升波。

改變頻率的方法是用一個(gè)累加器代替計(jì)數(shù)器，就象數(shù)字環(huán)中用可變分頻器代替固定分頻比的計(jì)數(shù)器一樣。累加器的原理如圖2所示，他是由加法器和寄存器組成的，按照頻率控制數(shù)據(jù)的不同給出不同的編碼。

dds進(jìn)行頻率合成的過(guò)程歸納如下：

（1）給出輸出頻率范圍，即：

f0＝fmin－fmax＝（kmin/2n）fc－kmax/2n）fc

（2）確定輸入時(shí)鐘頻率fc＝4f0max，即時(shí)鐘周期為tc＝1/fc＝1/4f0max，因?yàn)閗max＝2n-2。

（3）確定累加器位數(shù)n，n越大，輸出信噪比越高。

（4）確定幅度等分的間隔b＝2n，一般m＜n，若令2n＝a，則b＜a。

3 動(dòng)態(tài)多普勒模擬器的設(shè)計(jì)

3.1 動(dòng)態(tài)多普勒模擬器的原理

動(dòng)態(tài)多普勒模擬器的原理框圖如圖3所示。

其參數(shù)指標(biāo)為：

輸入：5mhz；輸出：70mhz×fd＋fd；fd范圍：－155～155khz，步長(zhǎng)5khz；掃頻速率：1～31khz可變。

3.2 數(shù)控振蕩器的設(shè)計(jì)

數(shù)控振蕩器在程序的控制下，由8031單片機(jī)接收人工或監(jiān)控分機(jī)攝制的分段碼，按照一定的程序模型運(yùn)算后，控制直接數(shù)字頻率合成器（dds）輸出相應(yīng)的點(diǎn)頻或掃頻信號(hào)。點(diǎn)頻工作時(shí)模擬器按照控制碼輸出設(shè)置的點(diǎn)頻多普勒（包括零多普勒頻率），輸出具有不同速率的掃頻信號(hào)，該掃頻信號(hào)為三角波或鋸齒波。

3.3 基于dds的輸出軟件設(shè)計(jì)分析

k碼的計(jì)算：

f0＝5mhz，fc＝30mhz

由f0＝k×fc/2n，得：

k＝2n×f0/fc＝2aaaaaaah。

點(diǎn)頻時(shí)：

fc＝30mhz，δf1＝2.5khz，δfmax＝155khz

則：δk1＝57619h，δkmax＝aec33eh，

kmax＝k0＋δkmax＝2b596de8h。

kmin＝k0－δkmax＝29fbe76ch。

掃頻時(shí)：

δf0/t＝0.5khz/s，

f0＝k×fc/2n，得δk/t＝oeh，k為相應(yīng)的bcd碼。

3.4 基于dds的動(dòng)態(tài)模擬器軟件

基于dds的動(dòng)態(tài)模擬器軟件流程圖如圖5所示。

4 工程應(yīng)用

對(duì)動(dòng)態(tài)多普勒模擬器產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，其產(chǎn)生的點(diǎn)頻準(zhǔn)確度高，掃頻穩(wěn)定度較好，三角波和鋸齒波準(zhǔn)確。該信號(hào)發(fā)生器已經(jīng)成功運(yùn)用在測(cè)控雷達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)中，使用效果良好。由于受該系統(tǒng)的實(shí)際需求所限，還沒(méi)有完全發(fā)揮dds技術(shù)的全部?jī)?yōu)勢(shì)。dds還可以應(yīng)用于跳頻通信、數(shù)字調(diào)制等其他領(lǐng)域。尤其是那些要求頻率精度高、轉(zhuǎn)換時(shí)間短的應(yīng)用場(chǎng)合，采用dds技術(shù)相對(duì)其他頻率合成技術(shù)來(lái)說(shuō)具有無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。由于dds自身的優(yōu)點(diǎn)，在性能要求較高的頻率合成領(lǐng)域?qū)?huì)得到極為廣泛的應(yīng)用。