多普勒聲學全向信標信號源設計*

李暉宙 張 森 唐 波

(海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033)

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多普勒聲學全向信標信號源設計*

李暉宙 張 森 唐 波

(海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033)

針對多普勒聲學全向信標信號產生的需求,設計了一個多通道的非線性調頻信號源,產生多路同步非線性調頻。闡述了多普勒聲學全向信標的原理,并以此提出信號源設計的需求。采用AD9954特有的RAM模式,產生了多路同步正弦調頻信號發生器,給出了部分硬件和軟件設計說明。經過湖上試驗證明,所設計的信號源達到了系統要求,性能良好。

多普勒聲學全向信標; AD9954; 非線性調頻

Class Number TB56

1 引言

水下導航是使水下航行體或人員獲得自身的絕對坐標或相對某一參考物的相對坐標。水下導航一直是水下航行體研究中一項關鍵技術。

隨著海洋開發和海洋科考的不斷深入,在很多場合都需要給各式各樣的水下航行體或人員提供其自身的導航信息,這對水下導航系統提出了越來越多的要求:低成本、使用和布放方便、任意數目用戶接入導航等。目前主要是通過多基線進行水下導航,但多基線需要布放至少三個信標,成本高、回收布放復雜。

在這種情形下,基于單信標的水下導航系統受到了越來越多的關注[1～4],其只需要一個信標安放在母船或海底即可實現一個區域的導航。顯而易見,基于單信標的導航系統具有經濟性好、使用方便的優點。特別是在發展海洋經濟的過程中,越來越多的海洋經濟開發,水中的傳感器、執行器也越來越多,對水下導航系統的目標承載能力、使用方便性要求也越來越高,這使得單信標系統具有越來越廣泛的應用前景。

本文借鑒無線電導航中的多普勒甚高頻全向信標(DVOR)[5～6],提出一種新的單信標水下導航系統,我們稱之為多普勒聲學全向信標(Doppler Acoustic Omnidirectional Beacon,DAOB),它能在一個區域內為任意數目的用戶(包括水下航行體和作業人員)提供其方位信息。

由于多普勒聲學全向信標需要產生多個非線性調頻信號,本文主要研究多普勒聲學全向信標的信號源設計問題。

2 多普勒聲學全向信標原理

設一個點源在一個圓周上,并以角速度ω順時鐘圍繞圓周圓心O作圓周運動。圖1為系統坐標定義圖。

圖1 多普勒聲學全向信標坐標定義

圖中,r為旋轉圓周半徑,水下航行體的方位角為φ,發射點源的方位角為γ,水下航行體距離旋轉圓周圓心距離為R,設發射點源一直發射頻率為fv的單頻信號,則從發射點源傳播到水下航行體產生的相位延遲為

(1)

其中,C為聲速。由于γ=ωt,則接收端接收的信號可表示為

(2)

此時,信號的瞬時頻率為

(3)

可以發現,當一個發射單頻信號的聲源作圓周運動時,會因為多普勒效應形成一個調頻信號,且其調制信號的初相與接收點的方位有關。這個調頻信號稱之為“可變相位信號”。在接收端,對這個信號進行相位檢波,即可獲得一個調制頻率為旋轉頻率、初相為方位角的正弦調制信號。

此時,再在圓周的圓心處放置另外一個發射點源,全向輻射另一個調頻信號,這個調頻信號稱之為“參考相位信號”,其信號可表示為

(4)

其中fR為參考相位信號的載頻。參考相位信號調制信號的初相為0。

因此,接收端接收的信號可以表示為

s(t)=sS(t)+m·sR(t)

其中:

(5)

m為一常數,表示兩者的幅度比值。在接收端,將可變相位信號和參考相位信號分別通過中心頻率為fv和fR的帶通濾波器,然后分別進行相位檢波,測量兩個調制信號的相位差即為接收單元所處的方位角。

因此,采用多普勒聲學全向信標,只需要一個信標即可為任意數目的接收端提供其自身相對于參考點的方位信息,若增加測距設備,即可使接收端獲得其自身的相對位置。

可以看出,多普勒聲學全向信標需要產生正弦調頻信號,按照這種要求,本文采用AD9954實現正弦調頻信號生成。下面介紹多普勒聲學全向信標試驗系統中信號源的設計。

3 基于AD9954的信號源設計

DVOR中其圓心位置產生的是調幅信號,圓周上的信號通過空間合成技術,形成副載波信號,在接收端首先進行調幅解調,提取參考相位信號和可變相位信號,比較兩者相位獲得方位角。

3.1 信號設計要求

為了與DVOR信號形式比較性能,多普勒聲學全向信標也需要產生三個信號,一個位于圓心處,另外兩個位于一條直徑的兩端,圓心處發射參考相位信號,位于直徑兩端的信號發射可變相位信號。參考相位信號一般為正弦調頻信號或調幅正弦調頻信號。直徑兩端的信號發射信號為不同頻率的單頻連續波,其由于圓周運動的多普勒而成為正弦調頻信號。當參考相位信號為調幅正弦調頻信號時,稱之為AM模式,當參考相位信號為正弦調頻信號時,稱之為FM模式。其各自的信號形式如下所示:

1) AM模式

在AM模式時,由于信號在檢波時完成解調和頻譜搬移,因此,此時圓心處換能器和圓周上換能器頻率間隔可以縮小,圓心處發射信號形式為

sRs(t)=(1+mcos(2πFreft+2πFDsin2πfrt))cos2πf0t

-2πFDsin2πfrt)

(6)

式中,f0=60KHz,Fref=2KHz,fr=1Hz,FD=8Hz

圓心處發射信號由三個DDS產生,一個產生載波,一個產生上邊帶,另一個產生下邊帶信號。

圓周處發射信號形式為

sr(t)=Uomsin[2π(f0+Fvar)t]

(7)

sl(t)=Uomsin[2π(f0-Fvar)t]

(8)

其中,Fvar=400Hz。

2) FM模式

FM模式時,直接對接收信號進行濾波接收,因此,參考相位信號和可變相位信號之間的頻率需要分得更寬一些。

圓心處換能器發射信號為

s(t)=Uomcos(2π(Freft+FDsin2πfrt))

(9)

其中,Fref=60KHz,FD=8Hz

圓周處換能器發射信號為

sr(t)=Uomsin[2π(f0+Fvar)t]

(10)

sl(t)=Uomsin[2π(f0-Fvar)t]

(11)

其中,f0=60KHz,Fvar=5KHz。

與以傳統的頻率合成技術為基礎的信號源相比,基于DDS技術的信號源具有極快的頻率轉換速度、極低的相位噪聲以及信號形式多樣等優點。由于需要產生可變參數的正弦調頻信號,本文采用AD9954作為信號發生模塊[7～8]。

3.2 AD9954信號發生模塊設計

AD9954是美國AD公司采用DDS技術開發的高集成度DDS器件,可以與其它器件,如編碼器、串口器件等通信。它內置高速、高性能D/A轉換器及超高速比較器,可用作數字編程控制的頻率合成器,能產生200MHz的模擬正弦波。AD9954內含1024·32靜態RAM,利用該RAM可實現高速調制。它還可以提供自定義的線性掃頻操作模式,通過AD9954的I/O口輸入控制字可實現快速變頻且具有良好的頻率分辨率。

由于需要產生三個發射信號,且其中一個通道還需要產生可調參數的調幅或調頻波。而AD9954可以通過設定RAM來產生任意非線性調頻信號,包括正弦調頻信號,但其沒有幅度控制的功能,即無法輸出可編程的調幅信號。由式(6)可以看出,要產生調幅信號,可以通過三個信號同相疊加而成,因此可以通過三片AD9954產生對應的信號,再增加一個加法器來將三者疊加于一起,形成所需的參考信號。上下邊帶信號則分別用一片AD9954即可完成。

本文采用“單片機+CPLD+AD9954”的結構[9～10]來實現系統所需要的信號的產生。如圖2所示。

圖2 信號產生系統框圖

從圖2中可以看出,上位機與單片機通信實現參數傳遞與數據讀取,單片機傳遞上位機的控制參數給CPLD,CPLD則將這些參數轉換成AD9954的控制碼,并將其寫入AD9954的控制寄存器,以產生多普勒聲學全向信標工作所需要的信號。信號產生電路原理圖如圖3所示。

由式(6)～式(11)可以看出,不管是在AM模式還是在FM模式下,上下邊帶信號均為單頻信號,對于單頻信號的產生與其他DDS相同,產生方法比較簡單,本文不再贅述。然而對于參考信號來說,其調頻信號的形式均相對復雜,采用傳統的DDS線性掃頻模式已經無法滿足要求,因此本文采取AD9954特有的RAM模式。AD9954提供了最大1024×32位的RAM段,用戶可以使用這些RAM段來產生任意所需要的頻率信號。本文通過單片機計算出聲學信標旋轉一周所產生的信號,然后對其等間隔1024點采樣,將得到這寫數據通過CPLD寫入相應的DDS,使其產生聲學信標工作所需要的復雜頻率形式的參考信號。

按照以上的討論,對AD9954的操作可分為7步。第1步配置控制功能寄存器1(CFR1),第2步配置相位偏移寄存器(POW0),第3步配置控制功能寄存器2(CFR2),第4步配置RAM段控制字0(RSCW0),第5步配置幅度比例因子寄存器(ASF),第6步通過循環計算1024個頻率控制字,并將其寫入RAM段,第7步更新寄存器。完成以上7步,AD9954就能產生我們所需要的任意復雜形式的波形。下面是配置的源代碼。

write_CFR1(0x82,0x00,0x60,0x00);//功能設定,使能RAM,使能同步時鐘輸出,使能手動OSK,使能頻率累加器自動清零,使能相位累加器自動清零,選擇cos函數輸出

write_POW0(0X00,0X00);//設置初始相位為0

write_CFR2(0x00,0x00,0x50);//內部PLL設定,時鐘為10MHz,10倍頻到100MHz

write_RSCW0(0x24,0xf4,0x1f,0x03,0x80);//RAM模式:連續循環,使用整個RAM段800words,調制頻率0.5Hz

write_ASF(0x09,0x99);//設置輸出的幅度,0.15

RES_update();

write_Byte(0x0B);

for(m=0;m<1024;m++)//寫指令,RAM

f=f0+2*PI*Fr*fd*cos(2*PI*m/1024.0);

ftw=f*42.94967296;

d_ff=(long)ftw;

write_Byte((char)((d_ff&0xff000000)>>24));

write_Byte((char)((d_ff&0x00ff0000)>>16));

write_Byte((char)((d_ff&0x0000ff00)>>8));

write_Byte((char)(d_ff&0x000000ff));

RES_update();//更新寄存器

圖3 信號產生電路原理圖

4 結語

采用以上算法和實現方法設計的多普勒聲學全向信標信號源,經過大量試驗驗證,能夠滿足基于單信標的水下導航系統的要求。而且基于AD9954的信號源實現方法,簡單易用,頻率準確性高,參數改變方便,易擴展,功耗低,是一種理想的復雜信號源設計方法。

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Design of Signal Generation System for Doppler Acoustic Omni-directional Beacon

LI Huizhou ZHANG Sen TANG Bo

(Electronic College of Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan 430033)

With the requirement of doppler acoustic omni-directional beacon(DAOB),a multi-path non-linear frequency modulation (FM) signal generation system is designed to generate several synchronous FM signals.The principle of DAOB and the requirement of signal generation are presented.Using the RAM mode of AD9954,several synchronous sine signals are generated.The part of hardware and software of the circuit is presented.The performance of the designed generation system is verified by the lake trial.

doppler acoustic omni-directional beacon,AD9954,non-linear frequency modulation

2014年8月11日,

2014年9月28日

李暉宙,男,碩士,講師,研究方向:電路系統設計與自動控制理論。張森,男,博士,副研究員,研究方向:水聲工程。唐波,男,博士,講師,研究方向:電路系統設計。

TB56

10.3969/j.issn1672-9730.2015.02.037