0 引言
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隨著我國航天技術的不斷進步，深空測距技術受到越來越多的關注。在深空測距系統(tǒng)" title="測距系統(tǒng)">測距系統(tǒng)中,，中頻信號發(fā)生器對系統(tǒng)性能有著重要的意義,。在USB(統(tǒng)一S頻段)系統(tǒng)中，原有的模擬電路實現(xiàn)的發(fā)射模塊存在性能不完善,、輸入動態(tài)范圍小、可控性能差、不能適應中心頻率大范圍變化,、體積大等問題，為了解決上述問題,，可在一個標準化通用數(shù)字調制信號發(fā)生器的平臺上,，通過外圍的控制電路，實現(xiàn)對載波中心頻率,、輸出功率,、調相指數(shù)、測距音通／斷控制等參數(shù)的改變,。
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以軟件無線電思想為核心,，基于PLD(可編程邏輯器件)的通用調制信號發(fā)生器的設計，進一步給出了實現(xiàn)中頻USB側音測距信號的硬件設計及軟件的設計思想,，仿真結果及片上硬件數(shù)據(jù)采集結果證明了輸出信號的正確性,，同時實現(xiàn)了靈活的參數(shù)可控性能。
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1 USB側音測距原理
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USB系統(tǒng)中可用的測距信號有偽碼,、側音和偽碼加側音3種,，形成不同的測距體制。目前微波統(tǒng)一系統(tǒng)中使用最多的是純側音測距,。
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USB系統(tǒng)側音測距信號是一個正弦調相波,，它由K個正弦副載波(可以被信息調制)所調制。為了減小各調制副載波之間的交調干擾,，調制方式為窄帶調相,。此調制信號表示為：
式中：A為載波幅度；ωc為載波角頻率,；mi為第i個正弦副載波對載波的調相指數(shù),；Ωi為第i個正弦副載波的角頻率,。
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USB系統(tǒng)采用7個側音，主側音為100 kHz,，次測音為20 kHz,、4 kHz、800 Hz,、160 Hz,、62 Hz及8 Hz；次側音經頻譜折疊處理后,，變?yōu)?00 kHz,、20 kHz、16 Hz,、16.8 Hz,、16.16 Hz、16.032 Hz,、16.008 Hz,，稱為虛擬次側音。其中最高側音的選擇與測距精度要求有關,，次側音是側音匹配解模糊所必需的,。
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在純側音測距系統(tǒng)中，有側音'同時發(fā)送'和'順序輪發(fā)'兩種方式,，我們采用側音同時發(fā)送方式,。這種方式，主側音f7一直發(fā)送,，而在解模糊階段,，每次按側音頻率由高到低順序加發(fā)一個虛擬次側音。主側音與虛擬次側音間依次音發(fā)送次序層層進行匹配解模糊,，直至主側音與最低側音問匹配完成,，即進入無模糊距離測量階段，此后,，只發(fā)一個主側音,。發(fā)送過程如圖1所示。
2 AD9957功能介紹
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AD9957是美國模擬器件公司生產的內置14位D／A轉換器的直接數(shù)字頻率合成器(DDS)集成電路,，基本框圖如圖2所示,。
AD9957采樣速度達到1 GSPS(10億次采樣每秒)，同時,，功耗比其他DDS減小50％以上,，動態(tài)性能高達400 MHz輸出頻率，而且sFDR(無雜散動態(tài)范圍)高達80 dB以上,，應用到無線和有線系統(tǒng)中時,。利用AD9957調制器或QDUC(正交數(shù)字上變頻器)提供的高達400 MHz中頻實時輸出達到簡化數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康?。AD9957還可提供用于快速編程的寬并行接口，具有一個更新速率達250 MHz的16 bit并行端口,，允許每隔8 ns更新一次32 bit的頻率控制字,。這種快速編程能力使之可以用于高速波形發(fā)生器、跳頻合成器,、安全通信以及各種雷達和掃描系統(tǒng)等需要頻率或相位極快變化的場合,。
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此外，AD9957支持高達400 MHz輸出的QDUC,，由于AD9957內部集成了高速DDS,、14bit D／A轉換器、時鐘倍頻電路和數(shù)字濾波器,，當應用于無線或有線通信基礎設施系統(tǒng)時，可以實現(xiàn)基帶上的變頻,，使數(shù)據(jù)傳輸簡單,、成本低、效率高,。1 GSPS的NCO(數(shù)控振蕩器)和D／A轉換器允許AD9957提供高達400 MHz的直接輸出,，因此無需使用上變頻級，而且降低了對濾波器的要求,。
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AD9957的主要特點：32位相位累加器,；波特率達2 Mb／s的SPI接口；內置1 024×32 bit RAM,，可實現(xiàn)內部調制功能,；內部采用1.8 V供電，超低功耗,；內置的低噪聲參考時鐘倍頻器允許用低成本,、低頻外部時鐘作為系統(tǒng)時鐘，同時仍可提供優(yōu)良的動態(tài)性能,；支持測試向量和幅度斜坡式控制功能,。
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3系統(tǒng)設計與實現(xiàn)
系統(tǒng)具體實現(xiàn)框圖如圖3所示。硬件設計主要包括外圍控制,、FPGA,、AD9957和濾波放大電路。
3.1外圍控制模塊" title="控制模塊">控制模塊設計
外圍控制模塊主要由PC機和相應的外圍控制電路組成,，主要用來控制主,、次側音的選擇及主、次側音所對應的調相指數(shù)的選擇,。
3.2 FPGA設計
本設計中FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)采用XILINX公司生產的XC3S200,，主要應用了VHDL可編程語言編寫核心處理模塊的硬件開發(fā)程序,，其中包括時鐘產生模塊、側音生成模塊和初始化模塊3個模塊的設計,。如圖4所示,。
時鐘產生模塊(clk_module)主要用來提供系統(tǒng)所需的統(tǒng)一工作時鐘及AD9957所需要的差分時鐘Clk_P和Clk_N，并為系統(tǒng)提供復位信號,。
側音生成模塊(ceyin_module)中采用XILINX公司提供的DDS IP CORE直接產生所需主側音和虛擬次側音,，通過計算控制字作為DDS的輸入，即可得出相應頻率的正弦信號輸出,，再與外圍控制模塊送進的各自的調相指數(shù)m1,、m2經乘法器" title="乘法器">乘法器相乘后送加法器相加，最后經查找表" title="查找表">查找表輸出兩路正余弦信號作為AD9957的兩路輸入信號,。
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初始化模塊(AD9957_init)用來產生AD9957的配置信號,，如片選信號CS、串口" title="串口">串口數(shù)據(jù)寫入SDIO信號等,。使用Modelsim SE 6.0進行串口寫數(shù)據(jù)的時序仿真如圖5所示,。
3.3 AD9957設計
式(2)中側音信號與載波信號進行正交調制后即可得到所需的側音測距信號。在設計中使用AD9957的QDUC模式,，由FPGA送出的I／Q兩路信號與AD9957內部DDS生成的載波信號進行調相調制后輸出,，經帶通濾波后即可得到所需的中頻(70 MHz)USB信號。使用XILINX公司的ChipScope Pro 8.2i進行實時數(shù)據(jù)采集,。ChipScope Pro是針對XILINX公司FPGA的在線片內信號分析工具,，通過JTAG口在線、實時地讀出FPGA內部信號,。
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數(shù)據(jù)觀察窗口采集的數(shù)據(jù)如圖6所示,。
4結束語
本文給出了一種基于FPGA和AD9957的側音測距信號發(fā)生器設計，設計過程中充分利用了FPGA中特有的IP CORE來實現(xiàn)設計中所需的DDS,、乘法器,、加法器及查找表的功能，這樣不僅簡化了實現(xiàn)程序,，而且節(jié)省了資源,。同時通過外圍控制模塊的設計，實現(xiàn)了靈活的參數(shù)可控性能,。
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本文所設計的中頻USB信號發(fā)生器已在某深空測距系統(tǒng)得以應用,。