基于DSP DUC的短波陣列信號發(fā)生器
發(fā)布時間:2007/8/24 0:00:00 訪問次數(shù):410
一、引言 陣列信號處理作為數(shù)字信號處理領(lǐng)域的一個重要分支，廣泛應(yīng)用于雷達、聲納、通信、地震勘探和醫(yī)用成像等眾多領(lǐng)域；短波頻段則常用于短波測向和波束合成技術(shù)。 在短波頻段，陣列信號處理設(shè)備通常包括短波天線陣、短波多波道接收機、后端陣列信號處理機3個主要組成部分。其中，短波天線陣接收空間短波信號，短波接收機對HF信號作模擬下變頻，陣列信號處理機則對短波多波道接收機輸出信號作數(shù)字采樣并進行相應(yīng)的陣列信號處理算法，給出最終運算結(jié)果。 短波天線陣由于短波頻段的限制，通常天線單元的體積比較大，天線陣的孔徑也比較大，占地往往近十畝；而且為了達到比較好的接收效果，短波天線陣對周邊電磁環(huán)境的要求也相當高。這都給短波陣列信號處理機研制過程中的調(diào)試和試驗帶來了極大的不便，同時也很不利于陣列信號處理機針對不同陣列流型短波信號的各種DSP算法研究和驗證。 針對短波陣列信號處理設(shè)備研制、調(diào)試的實際情況，筆者選用數(shù)字信號處理器芯片（DSP）和數(shù)字上變頻器芯片（DigitalUpConverter,DUC）設(shè)計了一個模擬短波天線陣輸出信號的陣列信號發(fā)生器，可以在實驗室環(huán)境下取代短波天線陣，產(chǎn)生各種不同陣列流型相對應(yīng)的短波陣列信號，提供陣列信號處理機DSP算法的調(diào)試和驗證條件。 二、設(shè)計思路 按照設(shè)計構(gòu)想，本陣列信號發(fā)生器應(yīng)該能夠靈活地產(chǎn)生對應(yīng)不同陣列形式（攜帶有不同陣列形式對應(yīng)的幅度差和相位差）、基本覆蓋1～30MHz頻段范圍的短波陣列信號。 如果采用傳統(tǒng)的模擬上變頻電路實現(xiàn)射頻輸出，很難滿足設(shè)計構(gòu)想，因此筆者采用軟件無線電的思想，選用了數(shù)字上變頻器（DUC），在數(shù)字域作上變頻，然后通過D/A變換產(chǎn)生短波高頻模擬信號。為了實現(xiàn)不同陣列形式所帶來的幅度差和相位差，筆者選用了DSP芯片，在數(shù)字域?qū)Χ鄠�信號加入不同的幅度及相位差。 如圖1所示，陣列信號發(fā)生器的總體設(shè)計思路為：以DSP和DUC為核心，利用外部音頻信號輸入的A/D采樣數(shù)據(jù)作為調(diào)制信號數(shù)據(jù)，由DSP對預制的載波信號（較低頻率）作數(shù)字調(diào)制運算，并根據(jù)可選的不同陣列流型對已調(diào)數(shù)字信號分別加上9個不同的幅度差和相位差后，經(jīng)FPGA分別送到9個DUC中，經(jīng)數(shù)字上變頻及D/A變換后輸出9路短波陣列信號。 在設(shè)計中由于實際的音頻調(diào)制信號要經(jīng)過DSP芯片的數(shù)字調(diào)制運算，再分配到9個DUC中，因此使用一個大規(guī)模的FPGA邏輯芯片作為DSP芯片和9個DUC芯片之間的數(shù)據(jù)交換接口。 三、器件選擇 1.DSP 作為本設(shè)計的核心器件，DSP芯片的運算能力要求比較高，同時又存在運算過程中大量數(shù)據(jù)交換的特點，經(jīng)過綜合比較，筆者選用了AnalogDevice公司的SHARC-DSP系列中的ADSP-21060。 ADSP-21060是32位浮點DSP，使用40MHz主時鐘，運算能力可達120MFLOPS；片內(nèi)帶有4Mbit的雙口SRAM（對本設(shè)計，則不需要外部另行擴充存儲器，所有運算所需存儲空間均由內(nèi)部支持，大大減少與外部存儲器交換數(shù)據(jù)的DSP時間開銷）；支持10個DMA通道供片內(nèi)SRAM和外部存儲器、串口等交換數(shù)據(jù)（本設(shè)計利用其DMA通道傳遞音頻采樣數(shù)據(jù)）。 2.串行A/D 本設(shè)計之所以采用串行A/D對外部輸入音頻進行數(shù)字采樣，主要是考慮到外部輸入信號應(yīng)不間斷地進入DSP的內(nèi)存中，可利用ADSP-21060的串口DMA方式傳遞數(shù)據(jù)。因此筆者選用了AnalogDevice公司的雙聲道串行音頻采樣器AD1847。 3.數(shù)字上變頻器 DUC的主要功能是對輸入數(shù)據(jù)進行頻率變換、頻譜搬移，即在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)混頻。筆者選用了AnalogDevice公司的AD9857作為本設(shè)計的DUC。 AD9857是14位正交數(shù)字上變頻器(QDUC)，最高工作時鐘為200MHz，內(nèi)部集成有高速直接數(shù)字合成器(DDS)、數(shù)字內(nèi)插濾波器、時鐘倍頻電路以及用戶可編程功能；而且內(nèi)部集成有一個14位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，可以直接輸出模擬高頻信號。 由于AD9857把數(shù)據(jù)傳輸路徑從模擬領(lǐng)域轉(zhuǎn)移到數(shù)字領(lǐng)域，在物理上模擬電路功能與數(shù)字部件是分開的，因此當修改電路參數(shù)或系統(tǒng)升級時，只需通過AD9857的SPI串行編程端口對內(nèi)部寄存器做一些簡單的修改，不需要改變硬件電路即可實現(xiàn)。 4.FPGA 由于本設(shè)計中存在大量的高速數(shù)據(jù)交換，因此作為DSP和DUC數(shù)據(jù)接口的FPGA規(guī)模要求比較大，筆者選用的是Altera公司FLEX系列中的EPF10K50E。 EPF10K50E典型邏輯門數(shù)為5萬門，片內(nèi)含有40kbit的RAM，可滿足較大量的數(shù)據(jù)緩存和數(shù)據(jù)交換要求。 四、設(shè)計實現(xiàn)
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