采用AD9833 DDS芯片實(shí)現(xiàn)水聲遙控信號(hào)的合成

　　引言

　　水聲信號(hào)發(fā)射器是水聲通信技術(shù)中的重要部分，它的性能直接影響到水聲通信質(zhì)量。而作為水聲信號(hào)發(fā)射器的信號(hào)產(chǎn)生單元，更是整個(gè)通信系統(tǒng)信源的核心部件。早期的信號(hào)產(chǎn)生單元都是使用數(shù)字電路和模擬電路等分立元件搭建而成，在體積、效率和信號(hào)質(zhì)量都難以滿足便攜式設(shè)備的要求。由于水聲信號(hào)頻率不高，后來(lái)開始使用單片機(jī)控制DAC技術(shù)的水聲信號(hào)發(fā)生器，可以達(dá)到較好的效果。但是CPU在逐點(diǎn)控制DAC輸出時(shí)要占用大量機(jī)時(shí)，影響了設(shè)備的顯示和操作功能的進(jìn)一步擴(kuò)展。而伴隨著水聲通信領(lǐng)域的發(fā)展，對(duì)水聲信號(hào)的調(diào)制、發(fā)送的要求也越來(lái)越高，因此，單獨(dú)由單片機(jī)DAC作為信號(hào)源的方案越來(lái)越不能滿足現(xiàn)代水聲通信的需求，尤其是對(duì)比較復(fù)雜的相位調(diào)制，精度、分辨率和穩(wěn)定度不高。

　　直接數(shù)字頻率合成(DDS) 是目前廣為應(yīng)用的一項(xiàng)頻率合成技術(shù)，它具有頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短、頻率分辨率高、輸出相位連續(xù)和使用靈活等特點(diǎn)。AD9833是ADI 公司生產(chǎn)的一款低功耗DDS可編程波形發(fā)生器，該芯片無(wú)需外接元件，輸出信號(hào)的頻率和相位都可通過(guò)軟件編程控制。該芯片內(nèi)部有28 位的頻率寄存器，主頻時(shí)鐘為25 MHz 時(shí)，精度為0.1 Hz，除了產(chǎn)生正弦波、三角波、方波之外還可產(chǎn)生各種調(diào)制信號(hào)，其最大功耗僅為20mW。這些性能非常適合用來(lái)作為水聲信號(hào)發(fā)射器的信號(hào)產(chǎn)生單元，可以滿足現(xiàn)代水聲通信對(duì)信號(hào)建立時(shí)間、輸出頻率的精確度、分辨率及穩(wěn)定度的要求。

　　本文給出的是用于海纜水聲遙控浮標(biāo)定位系統(tǒng)的信號(hào)產(chǎn)生電路，由于采用DDS技術(shù)，整個(gè)電路軟硬件結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單。

　　DDS芯片AD9833工作原理

　　AD9833中使用的DDS 技術(shù)是從連續(xù)信號(hào)的相位出發(fā)，將一個(gè)正弦信號(hào)取樣、量化、編碼，形成一個(gè)正弦函數(shù)表儲(chǔ)存在ROM 中。合成時(shí)改變相位增量，由于相位增量不同，一個(gè)周期內(nèi)的取樣點(diǎn)數(shù)也不同，這樣產(chǎn)生的正弦信號(hào)頻率也就不同，從而達(dá)到頻率合成的效果。

　　DDS工作原理框圖如圖1所示。DDS 基本工作原理是：每產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘脈沖，相位累加器就將累加器輸出的累積相位與預(yù)置的相位增量相加；然后以相加后的結(jié)果作為地址，對(duì)波形ROM 進(jìn)行尋址，取出波形ROM 中與該相位對(duì)應(yīng)單元中的幅度量化編碼值，經(jīng)D/ A 轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為模擬取樣值，再經(jīng)低通濾波器平滑得到符合要求的模擬信號(hào)。

設(shè)參考時(shí)鐘頻率為fc，相位累加器的字長(zhǎng)為N，則DDS 輸出頻率為：

　　式中：K 是由外部控制電路來(lái)預(yù)置的。 當(dāng)時(shí)鐘頻率fc與相位累加器位數(shù)N一定時(shí)，輸出頻率f0僅僅取決于K 。K為頻率控制字：

　　當(dāng)K=1時(shí)，DDS 所能產(chǎn)生的正弦信號(hào)的最低頻率即頻率分辨率為：

　　DDS 的最大輸出頻率由Nyquist 采樣定理決定，即為fc/2。AD9833的頻率控制字是28位，所以當(dāng)采用25MHz作為參考時(shí)鐘時(shí)，理論上最大輸出頻率為12.5MHz (實(shí)際輸出大概是參考時(shí)鐘的40%)，輸出頻率的頻率分辨率約為0.05Hz；當(dāng)采用1MHz作為參考時(shí)鐘時(shí)，最大輸出頻率為0.5MHz，輸出的頻率分辨率約為0.004Hz。根據(jù)不同輸出范圍和精度要求，可選用不同的參考時(shí)鐘來(lái)實(shí)現(xiàn)。AD9833采用10個(gè)管腳的MSOP封裝結(jié)構(gòu)，其管腳結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。

　　MCLK(5腳)為外部參考頻率信號(hào)的輸入端，SDATA(6腳)、SCLK(7腳)、FSYNC(8腳)組成AD9833的標(biāo)準(zhǔn)三線串行接口，可以與SPI、QSPI、MICROWIRE或DSP芯片直接連接。16位串行數(shù)據(jù)字由6腳輸入，在7腳的下降沿被讀入AD9833，8腳為頻率更新控制信號(hào)，可以用作片選信號(hào)，當(dāng)8腳保持低電平時(shí)新的控制字寫入AD9833中，在8腳的上升沿可以從Vout(10腳)輸出模擬或數(shù)字信號(hào)，且輸出端內(nèi)部自帶200Ω的片上集成電阻。其中三線串行接口操作時(shí)序圖如圖3所示。

　　水聲遙控信號(hào)的結(jié)構(gòu)

　　本研究中的水聲信號(hào)的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，很容易采用DDS芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于復(fù)雜的調(diào)制信號(hào)，通過(guò)ARM7處理器LPC2148編程控制AD9833，硬件上也無(wú)須變動(dòng)。

　　水聲信號(hào)在水中的傳播速度為1200米/秒左右，在遙控的距離內(nèi)信號(hào)的傳輸時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)秒鐘。為保證工作的可靠性，在滿足使用要求的前提下信號(hào)的傳輸碼率設(shè)計(jì)的很低。水聲發(fā)射器發(fā)射的遙控信號(hào)采用非相干調(diào)制中的MFSK方式，其時(shí)序波形如圖4所示。遙控信號(hào)的“0”和“1”代碼分別用頻率為f 1和f 2的有限長(zhǎng)度正弦信號(hào)表示。本系統(tǒng)中f 1和f 2頻率分別為8.35KHz和8.45KHz，為防止多個(gè)用戶之間相互串?dāng)_，除了遙控地址的編碼不同外，工作頻率可在7KHz至11KHz范圍內(nèi)選擇。信號(hào)的每個(gè)碼元發(fā)送時(shí)間為T1=1秒，碼元間隔為T2=2秒，每組編碼9位，前八位是數(shù)據(jù)位，第九位是校驗(yàn)位，碼組間隔為4秒。

　　信號(hào)產(chǎn)生單元硬件電路

　　本文介紹的遙控信號(hào)發(fā)射器用于一種便攜式的海上施工遙控系統(tǒng)，功率和體積較小，結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。它是由微控制器、信號(hào)產(chǎn)生單元、水聲功率放大器、電池充電電路和水聲換能器等組成。操作者可以通過(guò)手持機(jī)上的按鍵和液晶顯示器設(shè)置相應(yīng)的發(fā)射編碼信號(hào)。

　　系統(tǒng)采用的微控制器是NXP(恩智浦)公司的ARM7處理器LPC2148，LPC2148是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的32/16位ARM7TDMI-S內(nèi)核的微控制器，帶有40kB的片內(nèi)靜態(tài)RAM和512kB的片內(nèi)Flash存儲(chǔ)器，128位寬的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)高達(dá)60MHz工作頻率，包括多個(gè)串行接口：1個(gè)USB、2個(gè)UART、2個(gè)高速I2C總線、SPI和SSP，小型的LQFP64封裝上包含多達(dá)45個(gè)可承受5V的通用I/O口。

　　本設(shè)計(jì)中利用LPC2148的SPI接口來(lái)控制AD9833，由于SPI操作由LPC2148的硬件接口來(lái)完成，大大減輕了主控制器的負(fù)擔(dān)，以便有更多時(shí)間處理其他的任務(wù)。由于CPU另有足夠的時(shí)間去完成其他操作和人機(jī)交互，使整個(gè)遙控發(fā)射器的功能十分完善。

　　LPC2148與AD9833的硬件連接如圖6所示。圖中外接有源晶體振蕩器給AD9833提供主時(shí)鐘，LPC2148的SPI0工作在主方式，其中引腳P0.6/MOSI0口與SDATA相連，用來(lái)給AD9833發(fā)送數(shù)據(jù)；P0.4/SCK0口與SCLK相連，提供數(shù)據(jù)傳送時(shí)鐘；P0.7/SSEL0與FSYNC相連，作為AD9833選通信號(hào)。

　　由于AD9833輸出的Vout信號(hào)的最大幅值只有0.6V左右，并且為了實(shí)現(xiàn)輸出功率可控，需要經(jīng)過(guò)一級(jí)前置放大才能送入水聲功率放大器中，因此在實(shí)際應(yīng)用中，信號(hào)產(chǎn)生單元電路還需要包括信號(hào)調(diào)節(jié)和放大部分，如圖7所示。

　　信號(hào)調(diào)節(jié)使用的是數(shù)字電位器X9511，AD9833的輸出Vout接到X9511的一端VH，通過(guò)LPC2148的P0.2和P0.3輸出脈沖可以軟件控制中間抽頭的位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)面板按鍵調(diào)節(jié)輸出的目的。信號(hào)經(jīng)過(guò)X9511調(diào)節(jié)后送入低功耗放大器TLE2062中，經(jīng)過(guò)一級(jí)放大和電壓跟隨后，可以明顯增強(qiáng)AD9833輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力。

　　軟件程序

　　本項(xiàng)目的水聲發(fā)射器發(fā)射的遙控信號(hào)采用MFSK方式，利用AD9833產(chǎn)生頻率可調(diào)的正弦波作為水聲遙控信號(hào)，不同的頻率代表不同的編碼信息，AD9833的主要任務(wù)就是完成正弦波形的迅速建立和頻率的快速切換，可以通過(guò)軟件設(shè)置不同的頻率控制字來(lái)達(dá)到切換頻率的目的。對(duì)于頻率控制字，ADI公司提供了一個(gè)在線的交互式設(shè)計(jì)工具，即AD9833配置助手，在PC機(jī)瀏覽器上的顯示如圖8所示。

　　通過(guò)AD9833配置助手可以設(shè)置參考時(shí)鐘，期望得到的頻率或者相位，以及產(chǎn)生的波形種類，最后點(diǎn)擊Update，就可以得到對(duì)應(yīng)于期望頻率的控制字，非常簡(jiǎn)單方便。在軟件程序中，只要定時(shí)通過(guò)SPI向AD9833寫入不同的頻率控制字，就可以控制編碼遙控信號(hào)的輸出。在編程中需要注意的是，由于AD9833的頻率控制字是16位的，因此對(duì)于SPI的寫操作來(lái)說(shuō)，需要分兩次完成，還要注意AD9833的數(shù)據(jù)位的寫入順序，因?yàn)槠鋽?shù)據(jù)格式是高位在前，低位在后。

　　結(jié)語(yǔ)

　　在本設(shè)計(jì)中，AD9833的參考時(shí)鐘是3.579545MHz，能夠精確和穩(wěn)定的輸出0Hz、8.35KHz、8.45KHz等信號(hào)，而且還可以實(shí)現(xiàn)快速的切換或調(diào)制，該信號(hào)發(fā)生器已經(jīng)成功應(yīng)用到了海纜水聲遙控浮標(biāo)定位系統(tǒng)中。由于AD9833實(shí)現(xiàn)的信號(hào)產(chǎn)生電路除了產(chǎn)生的波形精確穩(wěn)定、波形建立時(shí)間短外，還有功耗低、所用元件少、體積小、控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于各種通信、測(cè)量和其他時(shí)域響應(yīng)系統(tǒng)等領(lǐng)域。

　　參考文獻(xiàn)：

　　1.  王鐵流等， HL-100海纜水聲遙控浮標(biāo)定位系統(tǒng)的研制， 首屆全國(guó)海底光纜通信技術(shù)研討會(huì)論文集， 2006.11

　　2.  周立功等，深入淺出ARM7——LPC213X/214X(上下冊(cè)) ，北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005年

　　3.  AD9833_a datasheet，ADI，2003

　　4.  www.analog.com