一种通用声呐信号源的设计_新闻_

江先军

摘要：在设计主动声呐系统时，为了使声呐系统能够在不同的工作环境中达到最佳效果，需要设计相应的声呐波形。采用ADI公司DDS芯片AD9959设计了一种可编程的通用多通道声呐信号源，可生成任意的声呐信号波形，其具有十分重要的应用前景。

关键词： AD9959；可编程声呐信号源；同步设计；主动声呐系统

中图分类号： TN911.7?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）11?0068?04

Abstract： In the design of active sonar system， in order to make the sonar system working in different environment achieve the best effect， the appropriate sonar signal waveform needs to be designed. A programmable general multi?channel sonar signal source was designed on the basis of DDS chip AD9959 made by ADI. It can generate arbitrary sonar sigal waveform， and has a bright application prospect.

Keywords： AD9959； programmable sonar signal source； synchronous design； active sonar system

0 引言

主动声呐是由声呐站向水介质中发射特定波形的声波，利用声纳站收到的回波信号来探测和识别目标，并测定目标的方位，距离以及运动参数，所谓特定波形的声能是指具有特定的频率，特定的调制方式以及脉冲长度等的声波信号[1]。随着声呐技术的发展，主动声呐应用领域也越来越广泛，根据不同的应用任务和目的，主动声呐发射波形设计也各不一样，目前常用的主动声呐按信号波形分类为脉冲声呐、连续调频声呐、阶梯调频声呐、双曲线调频声呐、编码声呐等，另外为了提高主动声呐的作用距离，又能较精确地确定目标的方位，现常采用相控阵发射技术，即在声呐信号源中采用了多波束技术，这些都对声呐信号源设计提出了更高的要求。本文旨在提出一种基于ADI公司DDS芯片AD9959设计的一种通用声呐信号源，详细介绍了其软硬件设计，声呐信号源具有多通道同步且波形独立可调，不仅能满足相控阵发射信号源要求，而且其各通道信号频率、脉冲宽度、重复周期、幅值、相位等独立可调，还能实现线性调频、调相、调幅，从而满足各种波形类型的主动声呐的要求。其输出频率能达到几百MHz，还能应用于雷达领域，作为雷达信号源，具有较好的应用前景[2]。

1 声呐信号源硬件设计

本文设计的通用声呐信号源硬件是以ADI公司的多片DDS芯片AD9959为中心，结合计算机、单片机和FPGA构成的通用主控电路、时钟分配及同步电路、信号调理电路以及模式显示电路构成。信号模式参数由计算机通过RS 232串口进行发送，先由单片机接收，经单片机初步处理后发往FPGA，FPGA再根据所接收参数控制多片AD9959 完成相应的信号输出，时钟分配及同步电路利用两片时钟分配芯片AD9510分别为多片AD9959芯片提供同样的参考时钟以及同步时钟，实现多片AD9959芯片间各通道信号同步。由于在声呐系统的实际应用中，大部分采用脉冲声呐信号，因此FPGA还完成了一定的脉冲输出功能，对AD9959输出的连续波进行调制，形成所需的脉冲调制信号。

1.1 AD9959芯片介绍

AD9959 芯片是一款性价比高、集成度高、功耗低的四通道DDS芯片，其芯片内部结构如图1所示。

具有如下特点：四个DDS通道且其频率、相位、幅度独立可调，拥有单独的控制字，能灵活地提供高分辨率的频率、相位、幅度控制，通道之间隔离度大于65 dB，产生信号频率范围广、信号稳定；具有众多的工作方式，除了单频工作方式外，还具备多种调制工作方式（包括FSK，PSK，ASK）和线性扫描方式（包括频率扫描、相位扫描、幅度扫描）[3]；通过串行I/O口形成的增强型SPI串口提供了多种配置功能，同传统的DDS器件是兼容的；具有低功耗的特点，还可通过软硬件控制省电方式；提供的PLL倍频器可以通过软件编程在4～20之间设定，使得最大可输出200 MHz频率信号；采用一个公用的参考时钟可同步四个独立的DDS通道，另外还具备多芯片同步功能，方便了信号通道的扩展，避免了由于器件差异引起的时钟同步困难的问题。因为其具有如上的特点，所以目前被广泛地应用于声呐以及雷达领域中[4]。

1.2 声呐信号源构成及工作原理

用户通过计算机设置所要产生信号的参数，并通过RS 232串口将其传输给单片机，单片机对信号参数进行初步处理并控制显示模块显示当前状态信息，最后将处理后参数传输给FPGA，FPGA接收到信号参数后通过控制各个波形发生模块产生所需要的信号，FPGA还可作为脉冲发生器，对波形发生模块发出的连续波进行调制，从而形成脉冲调制信号；波形发生模块利用DDS技术，采用ADI公司的DDS芯片AD9959产生信号，同步模块使得多片AD9959芯片严格保持同步，由于AD9959芯片产生的是差分电流信号，因此后面的信号调理电路第一级为I/V变换器，将差分电流信号转换为单端电压信号，再次为了增强声呐信号源的驱动能力，采用推免式功率放大电路提高声呐信号源的输出驱动能力[5]。声呐信号源硬件结构框如图2所示。

1.3 多路信号同步设计

由于此设计为多通道信号源，因此需使用多片AD9959芯片实现，使它们协同工作同步输出多路信号，多个芯片各通道之间的同步设计是关键。信号源各通道的同步由图2中同步模块协调完成，其可保证各通道输出信号的频率、相位的同步。

各通道输出频率的一致性主要由各芯片所使用外部参考时钟一致性决定，因此这里采用一片AD9510时钟分配芯片为多片AD9959芯片提供参考时钟，如图3所示，AD9510芯片外接一个无源晶振，内部产生多路频率信号输出给各片AD9959芯片作为参考时钟，从而能保证频率的一致性。

相位的一致性取决于单个AD9959芯片内部4个通道信号的相位同步以及多片AD9959芯片之间的信号相位同步。单片AD9959芯片内部利用一个公用的参考时钟实现了四个独立的DDS 通道的相位同步，所以本声呐信号源的多通道相位同步设计的主要难点在于实现多片AD9959芯片之间的相位同步[6]。而多片AD9959芯片的相位同步设计主要在于多片AD9959芯片内部时序同步、各芯片外部参考时钟同步、输入端口I/O_UPDATE以及P0～P3的输入控制信号必须与AD9959芯片输出的SYNC_CLK时钟信号同步。这里详细介绍四片AD9959实现16通道信号源同步设计，如图3所示，在硬件电路设计时，将一片AD9510的四个输出给四片AD9959芯片提供参考时钟，保证了其外部参考时钟同步；然后将主AD9959芯片的SYNC_OUT输出引脚直接连接至另一片AD9510芯片的时钟输入端，再将AD9510芯片输出连接到另外三片从AD9959芯片的SYNC_IN输入引脚，从而保证了四片AD9959芯片之间时序同步；最后将各AD9959芯片SYNC_CLK引脚输出时钟给各主控制器FPGA，从而实现FPGA输出给AD9959芯片输入端口I/O_UPDATE和P0～P3的控制信号与SYNC_CLK信号同步[7]。

另外在进行PCB板制作时，四片AD9959均匀排列，两片AD9510分布于AD9959芯片周围，布线时采用蛇形差分方式走线，保证各个AD9959芯片到AD9510时钟分配输出端口距离相等，以确保各通道信号发生的同步。

1.4 AD9959控制接口

AD9959的控制接口分为三类，分别为通信接口、调制方式设置接口以及其他接口。

其中通信接口为增强型SPI接口，用于FPGA操作AD9959的寄存器，由AD9959的SCLK和SDIO_0：3共5个I/O口实现，SCLK为串行传输数据的时钟输入端，在该端的上升沿触发时，FPGA向AD9959写入参数，在其下降沿时可读出数据，此设计FPGA不向AD9959读数据；SDIO_0：3为串行数据传输引脚，用于FPGA向AD9959写入数据。由于AD9959有四个串行传输数据引脚（SDIO_0：3），因此可通过配置AD9959的寄存器CSR<2：1>来实现最多达四种串行传输数据模式，分别是单比特两线模式，单比特三线模式，双比特模式和四比特模式。本设计的声呐信号源设置寄存器CSR<2：1>为11，采用4 b模式，SDIO_0：3四个引脚同时作为数据传输引脚，这样每个时钟周期可传输四位数据，故传送1 B的数据信息只需要两个时钟周期，提高了系统的响应速度。

调制方式设置接口由P0～P3组成，用于控制调制方式（不调制、调频、调相、调幅）以及调制模式（2级调制、4级调制、8级调制、16级调制以及扫频模式）的选择，这四个引脚中的任何一个引脚信号的变化都能触发芯片将串行口缓存器中数据更新到激活的寄存器中，与I/O_UPDATE信号的上升沿作用相当，这几个端信号变化必须与SYNC_CLK信号保持同步，并要满足建立时间与保持时间的要求。

其他接口主要有：PWR_DWN _CYL为外部电源掉电控制引脚，设置为1时支持外部开关，为0时不支持，本设计为不支持；CLK _MODE_SEL 为外接频率源选择口线，可以选择接时钟源振荡器（0）或晶振（1），这里设置为0，选择外接时钟源，由AD9510提供外部参考时钟信号；I/O _UPDATE为寄存器更新时的触发信号；/CS 为片选信号，使得多片AD9959芯片可分时共用FPGA的同一组SPI串口；SYNC_CLK是用来同步多片AD9959芯片以及外围的FPGA。

2 声呐信号源软件设计

根据控制命令传输的途径依次介绍此信号源软件设计，主要包括上位机程序设计、单片机程序设计和FPGA程序设计。

2.1 上位机程序设计

上位机软件主要完成信号参数的配置以及将数据通过RS 232串口发送到单片机，并接收处理单片机返回的应答信息，显示当前状态等功能。上位机程序采用MFC编写，界面上可以输入生成常用声呐信号的各种参数，比如各通道的信号频率、相位延时、脉冲宽度、信号周期等，由于目前常用的声呐信号有单频信号（CW）、线性调频信号（LFM）和正弦调频信号（SFM）等，用户还可以通过下拉列表选择常用声呐信号。软件中利用了Microsoft公司提供的简化Windows下串行通信编程的ActiveX控件（简称MSComm控件）实现与单片机之间串口通信功能。上位机软件流程如图4所示。

2.2 单片机程序设计

单片机程序实现的功能主要包括与计算机通信、参数的初步处理、状态显示以及与FPGA数据交换等功能。程序流程如图5所示，首先进行单片机初始化设置，包括串口初始化、状态参数初始化等，然后打开串口接收中断，最后进入无限循环刷新状态参数显示。当串口收到数据后，进入中断服务程序，首先关闭中断，在中断服务程序中完成上位机发送数据的接收，并给上位机返回应答信息，进行数据预处理，更新状态参数，并将预处理后信息参数传输给FPGA，最后再打开中断并退出中断服务程序。

2.3 FPGA程序设计

声呐信号源中，采用了Altera公司的低成本Cyclone系列的FPGA，型号为EP1C12F256I8N，性价比高，能满足本声呐信号源的需求。使用FPGA作为控制器设计系统，当系统需求改变时，不需进行硬件的更改，只需适当修改FPGA内部程序即可，因此使用非常方便灵活，本声呐信号源具有较好的可维护性和扩展性。

FPGA程序主要完成了接收单片机发送来的指令信息并根据指令完成对AD9959各通道的频率、相位、幅度控制。AD9959芯片中每个DDS通道输出的信号频率都由32位频率分辨率控制字决定，其输出频率可以通过下式来计算：

[f0=FTW?fs232， 0≤FTW≤231]

式中：[fs]为系统采样时钟；[FTW]为频率控制字；[f0]为DDS 输出信号频率。此外每个DDS通道都由14位相位控制字和10位幅度控制字决定其相位和幅值，其输出相位和幅度可通过下式计算：

[φ=POW214×360°，] POW表示相位控制字

[A=ACR210×Vmax，] ACR表示幅度控制字

FPGA发送命令操作AD9959是通过读写其寄存器实现的，所操作寄存器地址为0x03～0x18，为4个DDS通道所共享，当需要进行各个通道单独控制时，需设置其中通道寄存器CSR<7：4>的值。FPGA向AD9959发送控制命令分为指令阶段和数据阶段，指令阶段规定了是读操作还是写操作，并且指定了要操作的寄存器地址，格式见表1，最高位MSB为1表示读，为0表示写，最低5位表示了所要操作的寄存器地址，取值为0x03～0x18，D6：D5为预留位，暂不使用。

3 结语

此声呐信号源很好利用了AD9959芯片的特点，以多片AD9959芯片为核心，采用单片机和FPGA作为主控电路，实现了一种可编程产生任意波形的多通道通用信号源，其体积小、功耗低、成本低、人机交互良好，而且输出信号频率范围广，信号稳定，频率、相位和幅度分辨率高，可满足主动声呐在不同环境中对声呐波形的需求，具有较好的应用前景。

参考文献

[1] 田坦.声呐技术[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2010.

[2] 王志明，高梅国，商蓉蓉.一种基于DDS技术的新型宽带雷达信号源的设计[J].通信设备，2006，22（9）：58?60.

[3] 陈嘉佳，潘志浩，王天麟.一种基于DDS芯片AD9959的高精度信号发生器[J].自动化仪表，2007，28（4）：50?53.

[4] Analog Device Inc. AD9959 datasheet [R]. USA： Analog Device Inc， 2005.

[5] 王海滨，申连洋.基于AD9959的多体制雷达信号源的设计[J].现代电子技术，2007，30（19）：107?109.

[6] Analog Device Inc.AD9510 datasheet [R]. USA： Analog Device Inc， 2005.

[7] 李冰，杨其华，刘钢海.基于DDS的8通道同步宽带信号源设计[J].电子技术，2008，2（3）：33?36.

[f0=FTW?fs232， 0≤FTW≤231]

[φ=POW214×360°，] POW表示相位控制字

[A=ACR210×Vmax，] ACR表示幅度控制字

3 结语

参考文献

[1] 田坦.声呐技术[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2010.

[2] 王志明，高梅国，商蓉蓉.一种基于DDS技术的新型宽带雷达信号源的设计[J].通信设备，2006，22（9）：58?60.

[3] 陈嘉佳，潘志浩，王天麟.一种基于DDS芯片AD9959的高精度信号发生器[J].自动化仪表，2007，28（4）：50?53.

[4] Analog Device Inc. AD9959 datasheet [R]. USA： Analog Device Inc， 2005.

[5] 王海滨，申连洋.基于AD9959的多体制雷达信号源的设计[J].现代电子技术，2007，30（19）：107?109.

[6] Analog Device Inc.AD9510 datasheet [R]. USA： Analog Device Inc， 2005.

[7] 李冰，杨其华，刘钢海.基于DDS的8通道同步宽带信号源设计[J].电子技术，2008，2（3）：33?36.

[f0=FTW?fs232， 0≤FTW≤231]

[φ=POW214×360°，] POW表示相位控制字

[A=ACR210×Vmax，] ACR表示幅度控制字

3 结语

参考文献

[1] 田坦.声呐技术[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2010.

[2] 王志明，高梅国，商蓉蓉.一种基于DDS技术的新型宽带雷达信号源的设计[J].通信设备，2006，22（9）：58?60.

[3] 陈嘉佳，潘志浩，王天麟.一种基于DDS芯片AD9959的高精度信号发生器[J].自动化仪表，2007，28（4）：50?53.

[4] Analog Device Inc. AD9959 datasheet [R]. USA： Analog Device Inc， 2005.

[5] 王海滨，申连洋.基于AD9959的多体制雷达信号源的设计[J].现代电子技术，2007，30（19）：107?109.

[6] Analog Device Inc.AD9510 datasheet [R]. USA： Analog Device Inc， 2005.

[7] 李冰，杨其华，刘钢海.基于DDS的8通道同步宽带信号源设计[J].电子技术，2008，2（3）：33?36.