王科明

（第七一五研究所，杭州，310023）

基于DDS技術的PAADCP接收機信號仿真系統(tǒng)設計

王科明

（第七一五研究所，杭州，310023）

介紹相控陣聲學多普勒海流剖面儀(PAADCP)接收機信號仿真系統(tǒng)的設計，并結合其水下?lián)Q能器接收的聲回波信號特性，使用直接數(shù)字頻率綜合器技術，改變傳統(tǒng)的實驗室試驗方法，利用仿真系統(tǒng)對聲回波信號進行模擬，在實驗室環(huán)境下對信號處理機部分進行調試和功能性驗證，降低了PAADCP系列化產品研制成本，加快了研制速度。

PAADCP；DDS；接收機；仿真系統(tǒng)

相控陣聲學多普勒海流剖面儀(PAADCP)是利用多普勒原理測量海流剖面的儀器，被國際海委會定為四種先進的海洋觀測儀器之一[1]。PAADCP系統(tǒng)研制過程中需要在實驗室對系統(tǒng)的整機算法和性能進行驗證，現(xiàn)階段的做法是采用對接陣的方法進行試驗。由于換能器陣尺寸及對接陣研制成本等因素的限制，對接陣方法只能在高頻段的PAADCP中使用，并且整個設備成本較高；對于低頻段PAADCP設備，由于換能器尺寸較大，很難采用這種方法。PAADCP接收信號仿真系統(tǒng)能夠在信號處理機研制階段參與聯(lián)調試驗，并且突破低頻段PAADCP頻率低的限制，對不同的設備頻率和相位進行快速調整，極大地縮短設備的研制時間，驗證信號處理算法。與此同時，該設備體積較小，研制成本較低，適合在各個型號的PAADCP研發(fā)中普遍使用，具有較大的實際應用價值。

1 DDS技術簡介[2]

DDS（Direct Digital Synthesizer，直接數(shù)字式頻率綜合器），其實是一種分頻器：通過編程控制字來分頻系統(tǒng)時鐘（System Clock）以產生所需要的頻率。DDS有兩個突出的特點，一方面，DDS工作在數(shù)字域，一旦更新頻率控制字，輸出的頻率就相應改變，其跳頻速率高；另一方面，由于頻率控制字和相位控制字寬度寬，頻率分辨率和相位分辨率高。DDS的內部主要由3部分組成：相位累加器（Phase Accumulator），相位幅度轉換（Amplitude/Sine converter Algorithm），數(shù)模轉換器（D/A converter）。

ADI公司推出多款DDS芯片，例如AD985X系列（高性能）、AD983X（低功耗）和AD995X系列（低功耗，高性能）等，文中使用的是AD983X系列中的AD9834。AD9834具有28位的頻率控制字，在外部輸入時鐘源為75 MHz情況下，輸出的正弦信號頻率控制精度為0.28 Hz。如果外部輸入時鐘源為1 MHz，輸出的正弦信號頻率控制精度將達到0.004 Hz，相位控制精度達到2π/4096。該芯片提供3線制單片機串行接口電路，接口電路的最高時鐘頻率能夠達到40 MHz，方便外部控制器對其進行快捷控制。

2 系統(tǒng)設計及控制

2.1 系統(tǒng)硬件設計

仿真系統(tǒng)需通過串口接收來自上位機的控制命令信息，并且解析控制命令，控制DDS芯片獨立產生4路不同的正弦信號，并且該4路信號的頻率和相位由控制命令控制。該系統(tǒng)采用單片機STC12C5204AD為控制器，接收計算機發(fā)送的控制命令，并控制4路AD9834芯片，寫入頻率和相位控制字信息，同時控制外部使用源的起始工作時間，保證4路AD9834芯片接收到同步的時鐘信號，并產生各自內部寄存器參數(shù)的正弦信號。上位機發(fā)送的控制命令如發(fā)生變化，4路信號的相應參數(shù)也將改變。系統(tǒng)內部結構框圖如圖1所示。單路DDS控制電路圖如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)內部結構框圖

圖2 單路AD9834控制電路圖

本系統(tǒng)中采用50 MHz時鐘源，由于系統(tǒng)時鐘較高，DDS芯片中的數(shù)模轉換芯片的轉換率很高，其產生的4路正弦信號將分別輸入PAADCP信號處理機的模數(shù)采集通道，信號處理機將采集的數(shù)據(jù)進行運算，得出仿真信號所蘊含海流的流速信息。

2.2 控制軟件設計

上位機控制軟件主要包括端口參數(shù)設置、波形選擇、頻率參數(shù)設置和相位參數(shù)設置。端口設置用于上位機與系統(tǒng)之間連接的串口參數(shù)設置，包括波特率、起始位、停止位及校驗位等；波形選擇用于選擇系統(tǒng)將要產生的波形信息，現(xiàn)階段只可選兩種波形：正弦波和三角波；頻率參數(shù)設置用于對每一路的波形頻率進行設置；相位參數(shù)設置，是以第一路的相位為0相位，分別設置其他三路的相位參數(shù)。上位機軟件基于VC平臺開發(fā)，其運行界面如圖3所示。

圖3 基于VC平臺的上位機控制軟件界面

單片機接收到來自上位機串口發(fā)送的參數(shù)設置信息，并對這些參數(shù)進行解析，然后分別對4片DDS芯片進行頻率相位參數(shù)設置，并啟動芯片，最終控制時鐘信號輸入。為了盡量減小4路信號的相位誤差，在芯片的設置過程中將輸入時鐘信號進行屏蔽，DDS芯片的輸出信號相位保持設置的相位參數(shù)。單片機控制軟件流程圖如圖4所示。

圖4 單片機控制軟件流程圖

2.3 實驗室仿真試驗

該仿真系統(tǒng)與PAADCP系統(tǒng)的信號處理機采集端進行連接，系統(tǒng)產生的4路信號按照相位的增加順序分別接入相控接收機的水平方向（垂直方向亦可）接收通道，并將計算機的串口與該系統(tǒng)的通信口連接。對仿真系統(tǒng)和PAADCP系統(tǒng)供電使其正常工作，并控制上位機軟件設置參數(shù)，觀察PAADCP輸出的仿真流速剖面圖。以下為三次試驗的設置參數(shù)和PAADCP輸出的流速剖面信息，系統(tǒng)顯控軟件中流速和回波能量信息如圖5所示，該PAADCP系統(tǒng)是25 kHz的內波探測系統(tǒng)中的測流單元。

試驗一 上位機參數(shù)設置：正弦波

波形一：f=25.000 kHz/φ=0°

養(yǎng)正消積膠囊聯(lián)合化療對轉移性乳腺癌的療效及T淋巴細胞亞群水平的影響…………………………………………………………………………… 徐 寧，等(3):345

波形二：f=25.000 kHz/φ=90°

波形三：f=25.000 kHz/φ=180°

波形四：f=25.000 kHz/φ=270°

流速理論計算值為0 mm/s。試驗測得流速均值為2.1 mm/s，均方差值為15.2。圖5中波束2和波束4為水平方向波束。

圖5 試驗一PAADCP上位機控制軟件界面

試驗二 上位機參數(shù)設置：正弦波

波形一：f=25.030 kHz/φ=0°

波形二：f=25.030 kHz/φ=90°

波形三：f=25.030 kHz/φ=180°

波形四：f=25.030 kHz/φ=270°

流速理論計算值為1200 mm/s。試驗測得流速均值為1217 mm/s，均方差值為14.1。

試驗三 上位機參數(shù)設置：正弦波

波形一：f=24.970 kHz/φ=0°

波形二：f=24.970 kHz/φ=90°

波形三：f=24.970 kHz/φ=180°

波形四：f=24.970 kHz/φ=270°

流速理論計算值為?1 200 mm/s。試驗測得流速均值為?1 221 mm/s，均方差值為14.8。

在試驗過程中該系統(tǒng)是直接與信號處理機的AD采集模塊對接，由于中間沒有接入低噪聲前置放大和帶通濾波器等信號調理電路，高頻噪聲的串擾嚴重地影響了4路信號相位信息，導致了PAADCP系統(tǒng)解算得到流速均值和均方根值較大偏差。但對于PAADCP系統(tǒng)信號處理機的實驗室調試和功能性驗證這一功能定位，該仿真系統(tǒng)完全能夠滿足設計要求。

3 結論

該仿真系統(tǒng)能夠較好地模擬水下相控陣換能器各個波束接收到并進行放大后的聲回波信號，并且在各個頻率點和各個角度波束角進行仿真，快速便捷地對PAADCP的信號處理機進行實驗室調試和功能性驗證，對PAADCP系統(tǒng)進行外場試驗提供可靠的保證。信號仿真系統(tǒng)的研制對PAADCP系統(tǒng)的研制開發(fā)，尤其是低頻段的PAADCP設備的研制，具有較大的現(xiàn)實促進意義。

[1]蘇妍.相控陣多普勒流速儀換能器基陣設計[J].聲學技術,2011,31(4):112-114.

[2]段亞軍.基于DDS芯片AD7008的信號發(fā)生器的設計與實現(xiàn)[J].陜西科技大學學報,2005,23(3):53-58.