董鵬玲+佘世剛

摘 要： 提出了一種以遇險(xiǎn)搜救406 MHz信標(biāo)機(jī)為應(yīng)用背景，針對(duì)其頻率源部分，設(shè)計(jì)輸出頻率為6 MHz的頻率源。該設(shè)計(jì)通過單片機(jī)技術(shù)完成定位數(shù)據(jù)的接收以及曼徹斯特編碼；利用DDS實(shí)現(xiàn)載波的BPSK調(diào)制與頻率合成。研究的重點(diǎn)在于GPS芯片與單片機(jī)，單片機(jī)與AD9852的硬件接口電路，編碼解碼的工作流程以及橢圓濾波器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，并提出了一種數(shù)字化搜救信標(biāo)機(jī)的實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵字： 搜救信標(biāo)； DDS； 頻率源設(shè)計(jì)； 橢圓濾波器

中圖分類號(hào)： TN927+.2?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）21?0080?03

Design of frequency source for rescue beacon based on DDS

DONG Peng?ling， SHE Shi?gang

（Lanzhou Physics Institute of Spase Technology， Lanzhou 730000， China）

Abstract： Afrequency source with output frequency of 6 MHz was designed for 406 MHz rescue beacon. In the design， a singlechip positioning data receive and Manchester encoding were achieved by the aid of SCM technology. BPSK modulation and frequency synthesis of carrier wave realized with DDS chip AD9852. The circuits of hardware interfaces from to GPS chip and from singlechip microcomputer to AD9852， as well as the codec program and design of the elliptic filter were researched emphatically.

Keywords： rescue beacon； DDS； design of frequency source； elliptic filter

0 引 言

搜救信標(biāo)是全球海上遇險(xiǎn)與安全系統(tǒng)（GMDSS）中必須配備的設(shè)備[1]。當(dāng)船舶遇險(xiǎn)時(shí)，搜救信標(biāo)能夠發(fā)送船舶識(shí)別碼、遇險(xiǎn)船舶的位置信息以及其他有關(guān)遇險(xiǎn)性質(zhì)的信息。在遇險(xiǎn)救助中，搜救信標(biāo)是一種有效的報(bào)警手段。加裝了GPS接收機(jī)搜救信標(biāo)的可以直接發(fā)送船只的當(dāng)前位置信息給全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)，再由全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)統(tǒng)一安排營(yíng)救排險(xiǎn)[2]。

頻率源作為搜救信標(biāo)機(jī)的基本信號(hào)來源，其頻率的精準(zhǔn)度直接關(guān)系搜救工作的成敗。而鎖相環(huán)作為通常采用的頻率合成技術(shù)，鎖相環(huán)的準(zhǔn)確度和步進(jìn)跟提供輸入信號(hào)的本地晶振和鑒相頻率相關(guān)，主要缺點(diǎn)是切換速度不夠，頻率分辨率低，當(dāng)其綜合輸出的頻率分辨率越高時(shí)，其頻率切換速度就越慢。如果要提高切換速度，就必須犧牲分辨率[3]。為了改善搜救信標(biāo)信號(hào)源的頻率精準(zhǔn)度，本文提出一種以直接數(shù)字頻率合成為原理，采用AD9852芯片實(shí)現(xiàn)的可編程數(shù)字頻率源設(shè)計(jì)，并給出其濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及仿真結(jié)果。

1 設(shè)計(jì)原理

1.1 DDS頻率合成原理

典型的DDS原理方框圖如圖1所示。它包括如下基本的部件：相位累加器；相位?幅度變換器，即正弦查表ROM；D/A變換器；低通濾波器。

圖1 DDS原理圖

相位累加器是DDS系統(tǒng)的核心，它類似于一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)數(shù)器，它是由[L]位存儲(chǔ)數(shù)字相位增量字的頻率寄存器、后接[L]位全加器（通常為多級(jí)級(jí)聯(lián)4位全加器）和相位寄存器組成，后二者常常是合并在一起的。數(shù)字輸入相位增量字進(jìn)入頻率寄存器后，在每個(gè)參考時(shí)鐘周期或者脈沖期間，表示相位增量的數(shù)字就加到容量正比于輸出信號(hào)相位的數(shù)字累加器中。為了充分發(fā)揮DDS的優(yōu)越性，一般累加器的位數(shù)都比較大，頻率字可控制DDS的輸出頻率，可根據(jù)需要來設(shè)定[4]。

在同樣的時(shí)間內(nèi)，累加器的值傳遞給正弦查找表ROM，然后ROM輸出給D/A變換器。D/A變換器產(chǎn)生一系列的表示以時(shí)間脈沖速率抽樣的電壓階躍，最后經(jīng)低通濾波器平滑輸出。當(dāng)相位累加器由于重復(fù)相加而溢出時(shí)，它的最高有效位（MSB）就從1變到0，又開始一個(gè)新的輸出周期。只要檢測(cè)到MSB有輸出，DDS就產(chǎn)生一個(gè)改變符號(hào)的方波，改變的符號(hào)與抽樣正弦波零交叉時(shí)的符號(hào)相一致。因?yàn)榉讲ㄖ辉趨⒖紩r(shí)鐘周期時(shí)改變符號(hào)，所以它的相位一般相對(duì)于被產(chǎn)生信號(hào)的理想相位要延遲一個(gè)變化量，相位延遲正比于累加器溢出后剩余的數(shù)值。相位增量字表示在每個(gè)參考時(shí)鐘周期加到前次值的相位角步長(zhǎng)所產(chǎn)生的線性增加的數(shù)字值。對(duì)于[L]位相位累加器，使用[-2L]溢出的性質(zhì)，那么，在[2L]個(gè)參考時(shí)鐘周期之后，累加器中存儲(chǔ)的余數(shù)就為零。

1.2 BPSK調(diào)制原理

BPSK調(diào)制是利用相位突變實(shí)現(xiàn)的，圖2的仿真圖演示了BPSK的調(diào)制過程。

圖2 BPSK調(diào)制過程

BPSK用載波的相位0和π表示數(shù)字信號(hào)的1和0。如圖2所示，設(shè)定載波的5個(gè)周期表示數(shù)字信號(hào)的一位，開始載波相位為0即相位控制字[P=0，]表示數(shù)字信號(hào)為高電平1；當(dāng)載波相位突變?yōu)棣屑聪辔豢刂谱諿P=2M-1]后，表示數(shù)字信號(hào)為低電平0；載波相位再次突變?yōu)?以后又表示數(shù)字信號(hào)的高電平1。重復(fù)此過程，就將所有數(shù)字信號(hào)加到載波上，即BPSK調(diào)制。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)

頻率源的原理框圖如圖3所示，通過天線接收北斗導(dǎo)航定位信號(hào)送入MCU，在MCU中生成符合搜救協(xié)議的基帶波形，并由MCU控制AD9852生成6 MHz的載波。由于DDS芯片輸出信號(hào)雜散較大，因此需在輸出端連接一個(gè)低通濾波器。

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

本文只介紹AD9852的外圍電路設(shè)計(jì)以及濾波電路的設(shè)計(jì)。

圖3 系統(tǒng)原理框圖

2.2.1 AD9852外圍電路

AD9852數(shù)字頻率合成器是一種高集成設(shè)備，它具有2個(gè)48位的可編程頻率寄存器和2個(gè)14位可編程相位寄存器，可方便地完成FSK，BPSK等多種調(diào)制。當(dāng)接入精確時(shí)鐘源時(shí)，AD9852能產(chǎn)生一種高穩(wěn)定度的、頻率-相位-幅度-可編程的余弦波。

根據(jù)芯片手冊(cè)，55引腳需連接一個(gè)0.01 μF的貼片式電容，并將另外一段連接在AVDD上；56引腳用來設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)模式下的輸出電流：正常工作狀態(tài)下的輸出電流為5～20 mA之間，由[RSET=39.9IOUT]可知，[RSET]可在2～8 kΩ左右。在本電路中，選擇連接一個(gè)阻值為4 kΩ的電阻，另外一端接地。

在芯片的每個(gè)電源輸入引腳并聯(lián)一個(gè)0.1 μF的去耦電容，即可以去除電源輸入對(duì)引腳帶來的部分干擾，同時(shí)也作為芯片的蓄能電容。

其外圍電路如圖4所示。

圖4 DDS外圍電路

2.2.2 濾波電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中的DDS輸出頻率為6 MHz，主要諧波分量為12 MHz的諧波分量，故濾波器的最低阻帶頻率要低于5 MHz。因此選擇在相同階數(shù)下有著最小通帶和阻帶波動(dòng)的橢圓濾波器。濾波器的主要指標(biāo)為：3 dB的截止頻率、輸入輸出阻抗、最低阻帶頻率及此處的衰減和通帶內(nèi)紋波系數(shù)。故設(shè)計(jì)橢圓濾波器的截止頻率為6.5 MHz，輸入輸出阻抗為50 Ω，最低阻帶頻率為7.5 MHz，此處的衰減為60 dB，帶內(nèi)紋波系數(shù)小于0.25 dB。

具體設(shè)計(jì)步驟如下：

（1） 計(jì)算陡度系數(shù)和反射系數(shù)。

陡度系數(shù)由截止頻率[fs]和最低阻帶頻率[fc]決定：[As=fsfc=1.15。]反射系數(shù)根據(jù)通帶內(nèi)紋波系數(shù)計(jì)算可得[ρ=]25%。

（2） 根據(jù)陡度系數(shù)[As、]衰減系數(shù)60 dB和反射系數(shù)[ρ，]參考橢圓濾波器階數(shù)曲線得到所需濾波器可設(shè)計(jì)為7階。

（3） 查找橢圓濾波器階LC元件值表可得歸一化的元件值。

對(duì)濾波器元件值進(jìn)行去歸一化，歸一化公式為：[L=LZfFS，][C=CZfFS。]其中[L，][C]為表中讀出的數(shù)據(jù)，[Z]為阻抗標(biāo)度系數(shù)，[fFS=2πfc]為頻率標(biāo)度系數(shù)。去歸一化后即可得濾波器的所有元件值，如表1所示。

表1 橢圓濾波器元件值

[[C1]/pF＼&[C2]/pF＼&[C3]/pF＼&[C4]/pF＼&[C5]/pF＼&425.4＼&351.0＼&635.1＼&500.5＼&751.9＼&[C6]/pF＼&[C7]/pF＼&[L1]/μH＼&[L2]/μH＼&[L3]/μH＼&95.94＼&593.6＼&878.0＼&977.1＼&1.452＼&]

2.3 軟件設(shè)計(jì)

本文只詳細(xì)介紹AD9852對(duì)載波的調(diào)制以及頻率合成的軟件設(shè)計(jì)。AD9852提供串行和并行兩種通信接口可供用戶自行選擇，本文選擇并行接口。軟件流程圖如圖5所示。

圖5 載波調(diào)制及頻率合成的軟件流程圖

向AD9852控制寄存器寫工作模式控制字：因AD9852可實(shí)現(xiàn)FSK，BPSK，PSK，CHIRP，AM等功能操作，所以在AD9852開始工作前，需確定其完成哪種功能操作。這本次設(shè)計(jì)中，需要9852芯片實(shí)現(xiàn)BPSK的相位調(diào)制，故對(duì)控制寄存器（1F）寫入100（實(shí)現(xiàn)BPSK模式）。

給載波寫入頻率控制字：頻率控制字控制輸出頻率。根據(jù)參考時(shí)鐘頻率、頻率寄存器位數(shù)以及輸出頻率，計(jì)算出頻率控制字。

給相位寄存器1，2寫入相位控制字：利用AD9852實(shí)現(xiàn)BPSK的載波調(diào)制，實(shí)際是將兩個(gè)相位值分別存入相位寄存器1和相位寄存器2，當(dāng)基帶波形為1時(shí)，載入相位寄存器1的值；當(dāng)基帶波形為0時(shí)，載入相位寄存器2的值。

DDS中頻率控制寄存器[F]控制輸出信號(hào)的頻率，相位控制寄存器[P]用來控制輸出信號(hào)的相位。如果DDS輸出的正弦信號(hào)為[A=A0sin（2πf+Φ），]則[F]控制的是[f，][N]控制的是[Φ。]設(shè)DDS輸入信號(hào)頻率為[f1，]頻率控制寄存器的位數(shù)為[N，]相位控制寄存器的位數(shù)為[M，]則[f=f1×F2N，][Φ=2π×P2M，]使用DDS時(shí)根據(jù)需要計(jì)算出所需的[F]和[P]的值寫入芯片即可。

其寫頻率控制字和相位控制字的代碼段如下：

//寫頻率控制字1

*（（&dds1） ）=ftw1[0]；

*（（&dds2） ）=ftw1[1]；

*（（&dds3） ）=ftw1[2]；

*（（&dds4） ）=ftw1[3]；

*（（&dds5） ）=ftw1[4]；

*（（&dds6） ）=ftw1[5]；

//寫相位值1

*（（&phase1） ）=phase_word1[0]；

*（（&phase2） ）=phase_word1[1]；

//寫相位值2

*（（&phase3） ）=phase_word2[0]；

*（（&phase4） ）=phase_word2[1]；

//for（k=0；k<2；k++）

// *（ （&phase1） +k）=phase_word1[k]；

//取最終地址的內(nèi)容 取地址 地址加i

// for（k=0；k<2；k++）

//*（ （&phase2） +k）=phase_word2[k]；

}

2.4 橢圓濾波器的仿真結(jié)果

將表1的元件值組成的橢圓濾波器進(jìn)行仿真得到其頻率響應(yīng)曲線如圖6所示，可以看到在4 MHz的頻點(diǎn)處衰減約為60 dB，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

圖6 橢圓濾波器頻率響應(yīng)曲線

3 總 結(jié)

本文提出了一種將AD9852應(yīng)用于搜救信標(biāo)的設(shè)計(jì)，輸出頻率為6 MHz的調(diào)制波。并簡(jiǎn)述DDS頻率合成以及BPSK調(diào)制的基本原理，并給出相應(yīng)的代碼段。由于AD9852通過編程實(shí)現(xiàn)基帶波形的調(diào)制和頻率合成，因此可完成FSK等多種調(diào)制模式，而且通過編程可產(chǎn)生方波、三角波等多種波形。所以提出的設(shè)計(jì)具有很好的可移植性，可應(yīng)用于其他頻率源，在高穩(wěn)定度的數(shù)字頻率源中具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 王立波，王永生，李正.船載應(yīng)急無(wú)線示位標(biāo)（EPIRB）設(shè)計(jì)研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2005（4）：31?35.

[2] 楊廣治，劉柏森.GMDSS船用通信設(shè)備[M].大連：大連海事大學(xué)出版社，1998.

[3] PALEMO Samuel Micheal. A multi?band phase?locked loop frequency synthesizer [M]. [S.l.]： [s.n.]， 1999.

[4] 白居憲.直接數(shù)字頻率合成[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2007.

[5] 王辛.基于DDS技術(shù)的波形設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（14）：1?3.

[6] 桂玲.基于AD9852和單片機(jī)的頻率合成器設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（15）：79?81.

//寫相位值1

*（（&phase1） ）=phase_word1[0]；

*（（&phase2） ）=phase_word1[1]；

//寫相位值2

*（（&phase3） ）=phase_word2[0]；

*（（&phase4） ）=phase_word2[1]；

//for（k=0；k<2；k++）

// *（ （&phase1） +k）=phase_word1[k]；

//取最終地址的內(nèi)容 取地址 地址加i

// for（k=0；k<2；k++）

//*（ （&phase2） +k）=phase_word2[k]；

}

2.4 橢圓濾波器的仿真結(jié)果

將表1的元件值組成的橢圓濾波器進(jìn)行仿真得到其頻率響應(yīng)曲線如圖6所示，可以看到在4 MHz的頻點(diǎn)處衰減約為60 dB，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

圖6 橢圓濾波器頻率響應(yīng)曲線

3 總 結(jié)

本文提出了一種將AD9852應(yīng)用于搜救信標(biāo)的設(shè)計(jì)，輸出頻率為6 MHz的調(diào)制波。并簡(jiǎn)述DDS頻率合成以及BPSK調(diào)制的基本原理，并給出相應(yīng)的代碼段。由于AD9852通過編程實(shí)現(xiàn)基帶波形的調(diào)制和頻率合成，因此可完成FSK等多種調(diào)制模式，而且通過編程可產(chǎn)生方波、三角波等多種波形。所以提出的設(shè)計(jì)具有很好的可移植性，可應(yīng)用于其他頻率源，在高穩(wěn)定度的數(shù)字頻率源中具有廣闊的應(yīng)用前景。

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[6] 桂玲.基于AD9852和單片機(jī)的頻率合成器設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（15）：79?81.

//寫相位值1

*（（&phase1） ）=phase_word1[0]；

*（（&phase2） ）=phase_word1[1]；

//寫相位值2

*（（&phase3） ）=phase_word2[0]；

*（（&phase4） ）=phase_word2[1]；

//for（k=0；k<2；k++）

// *（ （&phase1） +k）=phase_word1[k]；

//取最終地址的內(nèi)容 取地址 地址加i

// for（k=0；k<2；k++）

//*（ （&phase2） +k）=phase_word2[k]；

}

2.4 橢圓濾波器的仿真結(jié)果

將表1的元件值組成的橢圓濾波器進(jìn)行仿真得到其頻率響應(yīng)曲線如圖6所示，可以看到在4 MHz的頻點(diǎn)處衰減約為60 dB，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

圖6 橢圓濾波器頻率響應(yīng)曲線

3 總 結(jié)

本文提出了一種將AD9852應(yīng)用于搜救信標(biāo)的設(shè)計(jì)，輸出頻率為6 MHz的調(diào)制波。并簡(jiǎn)述DDS頻率合成以及BPSK調(diào)制的基本原理，并給出相應(yīng)的代碼段。由于AD9852通過編程實(shí)現(xiàn)基帶波形的調(diào)制和頻率合成，因此可完成FSK等多種調(diào)制模式，而且通過編程可產(chǎn)生方波、三角波等多種波形。所以提出的設(shè)計(jì)具有很好的可移植性，可應(yīng)用于其他頻率源，在高穩(wěn)定度的數(shù)字頻率源中具有廣闊的應(yīng)用前景。

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