试论DDS技术在无线电罗盘中的应用

试论DDS技术在无线电罗盘中的应用 试论DDS技术在无线电罗盘中的应用 科技信息.机械与电子oSCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION2007年第l8期 试论DDS技术在无线电罗盘中的应用 张鹏明魏俊淦田建学 (海军航空工程学院青岛分院山东青岛266041) 摘要:介绍了DDS的工作原理以及基于DDS原理的无线电罗盘数字频率合成器实现的设想. 关键词:无线电罗盘;锁相环(PLL);DDS;FPGA TheStudyofOneWaytoApplyDDStotheWirelessCompass ZhangPengmingWeiJunganTianJianxue Abstract:ThepufposeofthisarticleistryingtointroducetheprincipleoftheDirectDigitalFre quencySynthesis(DDS)technologyandfinda waytoapplythistechnologytothewirelesscompass,SOastoimproveitstrequencyprecision - KevWords:Wireless;compassPLL;DDS;FPGA 0.引言 在无线电导航系统中.无线电罗盘占有极其重要的地位.无线电 罗盘的稳定性对保障飞机安全飞行有着非常重要的意义.如何提高无 线电罗盘本地振荡器的频率精度和稳定性对提高无线电罗盘工作的 稳定性起直接作用.目前解决这一问题的普遍方法是采用频率合成. 直接数字合成(DirectDigitalSynthesis—DDS)是近年来新兴的频率合 成技术.单片集成的DDS产品是一种可代替锁相环的快速频率合成 器件,具有产生信号精度高,变换频率快速,输出波形失真小的优点. 本文试论将DDS技术应用于无线电罗盘,从而提高无线电罗盘本振 的频率精度和工作的稳定性. 1.DDS原理 直接数字频率合成(DDS)是采用数字化技术,通过控制频率控制 字直接产生所需的各种不同频率信号.DDS主要由参考时钟,相位累 加器,正弦查找,D/A转换器和滤波器等组成,其原理图如图1所示 图1DDS结构原理图 参考时钟由一个高稳定的晶体振荡器产生,来同步整个频率合成 器的各个组成部分.N位加法器与N位相位寄存器级联构成相位累加 器,每来一个时钟脉冲.加法器就将频率控制字K与相位寄存器中的 数据相加.相位寄存器可以将加法器在上一个时钟作用后产生的新相 位数据反馈到加法器的输入端,以使加法器在下一个时钟的作用下继 续将相位数据与频率控制字相加.这样,相位累加器在参考时钟的作 用下进行线性相位累加.当相位累加器达到上限时,就会产生一次溢 出,完成一个周期性的动作,这个周期就是合成信号的一个周期.累加 器的溢出频率也就是DDS的合成信号频率. 在参考时钟的控制下,频率控制字送人相位累加器.用相位累加 器的输出作为正弦查找表的查找地址对正弦表进行查找.查找表中的 每个地址代表一个周期的正弦波的一个相位点,每个相位点对应一个 量化振幅值.因此,这个查找表相当于一个相位,振幅变换器.它将相 位累加器的相位信息映射成数字振幅信息.查找后的振幅数据再经过 D/A转换器将数字量形式的波形幅值转换成所要求的合成频率模拟 量形式信号,最后经低通滤波器衰减和滤除掉不需要的取样分量.即 可得到由频率控制字决定的连续变化纯净的输出正弦波信号. 设频率控制字是K,输出频率为f0,参考时钟是fclk.相位寄存器 N位,频率分辨率是?f,那么有下面的: K?2(1) ?f_(2) 通过控制频率控制字的改变和寄存器位数的增加,可以得到需要 的频率. 相对于直接模拟合成和锁相环而言,直接数字频率(DDS)主要就 有以下特点: (1)具有较高的输出分辨率.当参考时钟频率和相位累加器的位 宽满足一定的要求时,输出分辨率可以非常小(当参考时钟频率不变 时.只要控制相位累加器的位数N就可以控制所需得到的分辨率), 例如.当频率控制字位48bit时,输出分辨率可以达到10-6Hz.而传统 的频率合成技术通常只能够达到lkHz,不能满足现有的无线电罗盘 频率精度的要求. (2)频率转换时间小.直接数字频率合成是一一个开环系统,无任何 反馈环节.故DDS的频率转换时间主要是DDS的数字处理延时,通 常仅为ns量级.而一个模拟锁相环的频率转换时间则主要是它的反 馈环处理时间和压控振荡器的响应时间,通常大于20-301~s.因而 DDS可以有效克服PLL的高分辨率和快速转换速度之间的矛盾. (3)较大的输出相对带宽.由于DDS不受稳定性的影响,因此 在满足奈奎斯特抽样定理的前提下,输出相对带宽一般可以达到时钟 频率的40%. (4)输出相位连续.DDS在改变频率时只需改变频率控制字(即累 加器累加步长).而不需改变原有的累加值,故改变频率时相位是连续 的. 2.基于FPGA的DDS结构 2.1基本原理图DDS用于无线电罗盘的基本结构可设计成如图 2所示 罗0高习 盘D 控D 制查S 盒 期望的正弦信号 图2DDS应用于无线电罗盘结构基本原理图 图中.FPGA(现场可编程门阵列)用来产生频率控制字.该系统在 工作时,首先通过罗盘控制盒将控制命令(要产生的频率)通过 ARINC429接口经AT96总线传给FPGAA,FPGA产生频率控制字后 触发DDS产生所需的正弦信号,该正弦信号送到罗盘接收机电路,替 代传统无线电罗盘本振电路产生的本振信号.从而提高无线电罗盘本 振的频率精度和稳定度. 2.2硬件接口电路图要产生所需的正弦信号.必须通过FPGA 编程来完成外部输入的频率数据(3个字节)与DDS芯片内部频率相 位控制字(5个字节)之间的转换.在该电路中,FPGA采用8051芯片, DDS芯片采用AD公司的AD9850芯片.8051与AD9850的接口可以 采用串行和并行两种方式,在此采用并行方式传输口. 单片机8051的P1口(P1.0,P1.7脚)用作外部控制字输入,通过 中断1和中断0读人外部频率数据,连续读3次.对应频率值的二进 制数:单片机的P0口(P0.0,P0.7脚)用作频率,相位控制字输出,通过 8位缓冲器74LS244作数据缓冲后加到AD9850芯片的8位控制字输 入端(DO,D7脚),同时产生相应的DDS时序控制信号(复位reset,字 输入时钟w,频率更新时钟FU)加到AD9850芯片的对应管脚. AD9850的外部参考时钟信号(clk40m)频率为40MHz,由晶体振荡器 产生.单片机8051的复位信号(reset),中断0和中断1控制信号 (into,int1)由外部控制系统给出,从而产生频率可控的正弦信号.该 科技信息0机械与电子0SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION2007年第18期 硬件接口电路如图3所示 外 部 输 入 频 盔 字 节 into:resetP002A42Y1D3lout mtl一蹦2A32Y2器.intlP032A22Y3 2A12Y4 D D 4 Oreset P041A4lY4 1A3lY3D5wclk 1A2lY2fqud 1A1lYll 鬻—reset1P13P21 P14P2.2——W P15P23 Pl_6PP ,2.:——FUP17 P27 图3DDS硬件接口电路 10ut c~40m reset1 W FU 2.3算法 2.3.1I/O方式并行接口I/O方式的并行接口电路比较简单,但 占用单片机资源相对较多,AD9850的数据线DO,D7与PO口相连, fq—ud和welk分别与P2.2和P2.4相连,所有的时序关系均可通过软 件控制实现. 将DDS控制字从高至低存放于30H至34H中,发送控制字的程 序清单如下131: MOVR0.#05H MOVR1,#30H DD:MOVP0.@R1 SETBP2.2 CLRP2.2 INCR1 DJNZR0,DD SETBP2.4 CLRP2.4 END 2.3.2程序算法程序中单片机输入频率数据F(3个字节)与输 出频率数据Af(4个字节)间的变换算法见下式: 磐 外部参考时钟频率为40MHz. 主程序图如图4所示,AD9850初始化程序可设计如下: CLRWCLK:初始化信号脚 CLRFQUD SETBWCLK:设置为串行输入 CLRWCLK SETBPQ—UD CLRFQ_UD RET 开始 ? 初始化AD9850 ? 开中断 ? 等待中断 图4主程序流程图 3.结束语 目前DDS主要存在输出频带宽度有限,输出杂散大这两个缺点. 由于DDS芯片一般工作在几十兆赫兹到400MHz之间,输出频带宽 度有限主要指上限频率.而我军采用的无线电罗盘上限频率一般低于 400MHz.因此通过对DDS输出频率进行分频得到的信号能完全满足 无线电罗盘接收电路的需要;DDS输出杂散主要来于:相位累加器相 位舍位误差造成的杂散,幅度量化误差(由存储器有限字长引起)造成 的杂散,DAC非理想特性造成的杂散.由于现在DAC器件转换速率不 断提高,DDS这一缺点的影响已经越来越小.随着微电子技术的发展, DDS芯片的价格将越来越低廉,因此在无线电罗盘中采用DDS技术 的条件也日趋成熟.将DDS技术应用于无线电罗盘.可大大提高无线 电罗盘的频率精度和工作稳定性.当前新型的无线电罗盘普遍采用总 线控制,采用DDS技术可以在不增加系统复杂性的前提下提高系统 的稳定性.而对于型号较老的无线电罗盘.若采用DDS技术加以改 进,则需要对系统作较大的改动,因此不建议用DDS技术去改进它 们. 参考文献 [1]高卫东等.AD9850DDS芯片信号源的研制[J].实验室研究与探 索,2000,(5). [2]胡恩蔚,高信令,蔡明政.集成电路数据手册接口电路【M】北 京:电子工业出版社.1994年第1版8—90. [3]石雄等.DDS芯片AD9850的工作原理及其与单片机的接口[J].国 外电子元器件,2001,(5). (上接第135~)令=(),Nc.rAC.=i+o.)( ), 令一GrX GTCfA:(:)(G‰rX)(台一GrX)= /El0, \0‰TGGTX/ 令C=Cla=a,,-XTGGTX,则有 CrA6'-- 1 . ]=,两边取行列式得『-n'由条件iA/>0,因此D ,/】l1,/__ 因此,A与单位矩阵合同,由定理3.2得,A是正定矩阵. 推论正定矩阵的任何顺序主子式阵必为正定矩阵. 应用以上结论完成下题: 例3.1判别二次型f(xl23)l+h3.7.xtxr-2xzx3是否正定. /1—10\ 解二次型的系数矩阵为A:I一12—1I \0—13/ 方法一,由矩阵A的特征多项式 {A-110{ IAE—Al_I1A一21I=(A一2)~k2-4A+1)l 01A-3l 求得的特征值为2,2?,/了一,全为正,因此二次型正定. :fi-~--,A的顺序主子式为?1=1>o,?:=l一11一l>0,/k3=IAI>0, 由定理3.3得二次型正定. ?结束语 本文主要是从理论的角度简单研究对称矩阵的正定性.从对称矩 阵与正定矩阵的关系出发,给出对称矩阵正定性的判别条件.露 参考文献 [1]王萼芳,石生明,高等代数[M],北京:高等教育出版社,第二版,1988年3月 [2]王维生,实对称矩阵的等价表征[J],哈尔滨工业大学,1995(4). [3]金义明,丁嘉华,王海敏,线性代数【M],北京:中国物资出版社,2002年6月