DDS数字通信

2024-11-30

DDS数字通信（精选6篇）

DDS数字通信篇1

数字通信技术在世界范围内得到了应用,其是在信息技术高速发展的前提下发展起来的一门新兴的技术,人们使用数字通信技术,能够实现高速地信息传递,方便了人们的生产和生活,使生产的效率能够得到保障,打破了信息传递的时空距离,在各个行业中开始普及。DDS数字通信技术能够促进社会的发展,而且其具有比较广阔的前景。

1DDS数字通信技术的原理分析

DDS数字通信技术是借助数字传输信号实现的通信,将模拟信号发出,将信息发送到数字终端的一门技术,在数字终端接收信号后,通过对数字信号编码的方式,运用调制解调器将所有的信号都发送到数字信道上。DDS数字通信能够防止外界的干扰,确保信息能够准确地传递,而且数据能够实现自动化的储存,在各类的网络通信都得到了应用。DDS数字通信运营了程控交换等技术, 人们借助计算机编程的方法,将程序输入到计算机中,然后信息交换就会按照计算机编程的方式传递。程控数字交换机在处理数据的时候效率是比较高的,而且其占地面积比较小,能够储存的数据多, 在数据传递时能够借助双通道传递,灵活性强,而且还有很多辅助性的功能,在使用时结合智能化电网的建设,能够为人们提供更好地服务。现在,通信行业发展迅速,其不仅仅是支撑语音通话技术, 同时也支持数据的交换,所以,其带宽也符合要求。

2DDS数字通信技术的优点

2.1 DDS数字通信技术具有较好的抗干扰能力

当信号在信道上传递的过程中,都会受到外界的干扰,在传统的模拟通信技术中,这些干扰是不能够避免的,导致信息传递的路径出现中断的问题。但是在使用DDS数字通信的过程中,这些问题都是可以避免的,在进行数字通信的时候,各个接收端都会收到识别码,识别码是由数字“0”或“1”构成的,只要干扰源不是特别大,在信息传输的时候能够分清楚有电脉冲,就不会对通信的质量造成任何的不利影响。

2.2 DDS数字通信能够实现远距离的通信

运用DDS数字通信时,不会对通信的质量产生任何的影响, 即使是远距离的通信,也不会产生大量的干扰和数据中断的问题。模拟信号在传递的过程中,如果距离过长,信号就会逐渐减小,所以,为了能够使信息能够在较远的距离传输,就需要在信息传递的过程中建立一个增音放大器。但是,增音放大器在使用的过程中, 不仅仅会提高信号收集的效果,同时也会将一些干扰信号方法,这些干扰信号在放大的过程中会产生恶性循环,导致信号被干扰的信号阻挡,信号会出现中断的问题。DDS数字通信能够运用整理信号, 生成新的信号的方法,通过将那些受到外界干扰的信号进行整理, 找出新的电脉冲,这样,就能够将干扰源清除,不会造成信号的失真问题,即使是在远距离的通信中,也可以达到比较好的效果。

2.3 DDS数字通信能够起到防止信息泄露的效果

模拟信号在传递信息时,容易导致信息泄露的问题,而且在进行加密处理时要面临很多的问题。在运用DDS数字信息传递时, 可以生成离散的信号,能够打乱顺序,采用随机性的密码,即使在获取密码后,也很难在短时间内破译密码。

3数字通信系统的应用

数字通信系统在使用的时候,能够在较短的时间内将信息及时地传达,从而能够确保信息传递的时效性。通过对数据的编码、调制、解码等步骤,实现数据的传递。在对数据进行调制的过程中, 主要是英语条幅和调频的方式,能够将信号源进行转化,从而使信号的传播比较安全,而且能够确保信息的完整性。运用网络接口的方式,直接能够实现多媒体的连接,人们运用移动终端就能够接收信号。

4DDS数字通信技术的发展趋势

现在,信息通信技术的发展还是比较迅速的,DDS数字通信技术的发展前景还是比较广阔的,是信息技术发展的必然结果。 DDS数字通信技术能够在通信行业中占据主导的地位,能够克服传统的模拟通信技术的弊端。现在,电话数字技术已经比较成熟了, 而且通过编码的压缩也能够实现各类数字化的技术,计算机技术也可以处理大量的数字信号,能够在信息业务中传递各类信号, 通过对终端的处理,使数据传输的速度越来越快,带宽网络的使用是未来数字通信技术的发展趋势。

5结语

现在,通信技术在各个领域都被广泛地应用,为人们的生活和生产提供了很多的便利,所以,在数字通信时应该提高数字通信的效率,完善其抗干扰能力,使数字通信技术与智能化电网技术结合,DDS数字通信能够运用整理信号,生成新的信号的方法, 通过将那些受到外界干扰的信号进行整理,找出新的电脉冲,实现了远距离的信号传递。

DDS数字通信技术原理及其应用篇2

1 DDS数字通信技术的原理

DDS数字通信技术是借助数字传输信号实现的通信,将模拟信号发出,将信息发送到数字终端的一门技术,在数字终端接收信号后,通过对数字信号编码的方式,运用调制解调器将所有的信号都发送到数字信道上。DDS数字通信能够防止外界的干扰,确保信息能够准确地传递,而且数据能够实现自动化的储存,在各类的网络通信都得到了应用。DDS数字通信运营了程控交换等技术,人们借助计算机编程的方法,将程序输入到计算机中,然后信息交换就会按照计算机编程的方式传递。程控数字交换机在处理数据的时候效率是比较高的,而且其占地面积比较小,能够储存的数据多,在数据传递时能够借助双通道传递,灵活性强,而且还有很多辅助性的功能,在使用时结合智能化电网的建设,能够为人们提供更好地服务。现在,通信行业发展迅速,其不仅仅是支撑语音通话技术,同时也支持数据的交换,所以,其带宽也符合要求。

2 DDS数字通信技术的优势分析

2.1 在实际应用中具有良好的抗干扰能力

就信号传输的实际情况来看,传统模拟通讯技术环境下,信号传递过程中极易受到外界环境的干扰,并且难以有效的避免,从而导致信号传输出现中断情况,对通信质量造成严重的影响。而DDS数字通信技术的有效应用,能够有效的缓解信号传输中断的问题,实际传输过程中,各接收端能够收到由0和1构成的数字识别码,在干扰源一定的情况下,接收端能够清晰的辨别电脉冲,切实提高信息传输的准确性,从而对通信质量进行有效的控制。

2.2 实现远距离的通信

就DDS通信技术的实际应用情况来看,其在信息传输的过程中并不会对通信质量产生任何影响,远距离通信也具有良好的传输质量,不会受到严重的干扰,不存在数据中断的问题。尤其是模拟信号在实际传递的过程中,传输距离也会对传输质量产生一定程度的影响,传输信号的强度会随着传输距离的延长而降低,此种情况下,就需要在信息传递过程中积极建立一个增音放大器,以保证信号传输质量。但就实际应用情况来看,增音放大器会在提高信号收集质量的同时,也会在一定程度上导致干扰信号出现恶性循环,导致信号干扰情况出现,对通信质量造成严重影响。

而DDS数字通信技术的合理化应用,能够自主对信号进行科学化的整理和应用,促进新信号的生成,促进新的电脉冲的形成,及时准确的清除干扰源,从而保证信号的真实性和准确性,从整体上提高信号传输的质量和效果。

2.3 防止信息泄露,保密性较好

在模拟信号的传递过程中,极易出现信息泄露的问题,并且信息加密处理工作的难度较大。而DDS数字信息技术的有效应用,能够自主生成离散的信号,并通过随机性的密码来对信息进行加密处理,此种情况下,即便是信息被截取,也难以在短时间内破译密码,从而保证信息传递的安全性和准确性。

2.4 通信设备的制造和维护比较简便

就DDS数字通信技术的总体情况来看,数字通信的电路主要以电子开关组成,集成电路的采用具有安全性和灵活性,并且体积小重量轻,实际耗电较少,其制造过程比较简便,并且易于后期维护和保养。

2.5 能够适应多元化的通信业务要求

在DDS数字通信技术的实际应用过程中,电话、图像、数据以及其他类型的通信业务都能够转化为标准的数字信号进行传输,通过与数字信息之间的转化和整合,并形成规范的综合业务数字网,DDS频率分辨率较高,并且实际切换速度较快,输出相位的噪声比较低,有助于改善参考频位源的相位噪声,并实现全数字化,从而有效的保证数字通信质量。

3 数字通信系统的实际应用及未来发展趋势

就宏观层面来看,数字通信系统具有良好的应用效果,在信息传递的过程中,能够在保证信息传递的准确性的基础上,提高信息传递的时效性。在实际应用过程中,对信息数据进行编码、调制、解码等多项步骤,切实维护数据信息传递的安全性,确保信号传输工作的顺利进行。数据信息的调制,主要以英语条幅和调频的方式开展,实现信号源的顺利转化,在保证数据信息完整性的基础上,有效的降低信号传输过程中的安全隐患,切实提高通信质量和效率。与此同时,网络接口在数字通信系统中具有良好的应用价值,在保证多媒体稳定连接的基础上,通过移动终端来实现信号的接收,避免信号中断,切实提高了通信质量,推进社会的长足发展。

就DDS数字通信技术的发展情况来看,发展速度相对较快,并且在现代社会科学技术的推动下,DDS数字通信技术在未来有广阔的发展空间,在有效克服传统模拟通信技术弊端的基础上,实现数字通信的现代化发展,从而在通信领域内激烈的市场竞争中占据着优势地位。当前数字通信技术逐渐成熟,计算机技术能够对多元化的数字信号进行有效处理,并实现编码的压缩,切实提高了信号传输的时效性和精准性,数据传输的速度随着终端处理效率的提升而不断加快,此种情况下,带宽网络的合理应用是未来DDS数字通信技术的发展趋势。

结束语

就DDS数字通信技术的实际应用情况来看,其广泛分布于社会各领域内,为社会群体的生产生活提供了可靠的基础支撑。那么在开展数字通信的过程中,应当积极对DDS数字通信技术的抗干扰能力进行完善,并对现代社会多元化的科学技术进行合理化应用,真正实现数字通信技术与智能化电网技术的有机结合,促进数字通信效率的提升,从而确保在远距离传输状态下,也能够对信号传输质量提供可靠的保证。

参考文献

[1]金鑫.试析《数字通信技术》课程标准[J].电子制作,2013(18).

[2]赵丽丽.浅谈水声数字通信技术的发展[J].数字技术与应用,2010(11).

[3]冯宝利.数字通信技术原理及其应用[J].民营科技,2014(6).

DDS数字通信篇3

把Mobius变换应用于通信系统中, 就是把信号调制在非正交周期函数族上, 而这些非正交周期函数族是现代数字通信技术中最常用的信号 (例如方波、矩形波、三角波、锯齿波以及全、半波余弦等) 的Chen-Mobius逆变换函数族;在信号解调时, 则把这些数字信号作为解调信号;由此, 在这两族非正交周期函数族的基础上, 建立了一个与传统通信系统完全不同的新型Chen-Mobius通信系统。本文将DDS应用在此系统中产生调制解调信号。

2. DDS的基本原理

DDS (Direct Digital Synthesizer) 即直接数字合成器, 是一种新型的频率合成技术, 与VCO (模拟压控振荡器) 相比, 具有频率分辨率更高﹑频率快速切换和能在频率切换时保持相位的连续等优点, 能很方便的实现频率﹑相位﹑和幅度的数控调制。

对于正弦信号S (t) Asinωt=Asin (2πft) , 令正弦信号的相位θ=2πft, 在一个时钟周期内, 相位θ的变化量:

其中fclk为CLK的频率, f为正弦信号频率, 将2π等分为份2N, 则每个时钟周期的相位增量△θ可用量化值B△θ表示:

其中B△θ是整数.根据式 (1) 与式 (2) , 可得:

可以看出, 相位增量量化值B△θ线性决定了信号输出频率, 直接数字合成器DDS就是根据上述原理设计的:

图1就是DDS的基本原理图:

DDS是利用采样定理, 通过查表法产生波形, 主要由相位累加器﹑相位调制器﹑波形存储器﹑相位调制器和D/A构成.其中相位累加器是DDS的核心, 由N位加法器与N位累加寄存器级联构成。每来一个时钟脉冲, 加法器将频率控制字与累加寄存器输出的累加相位数据相加, 把相加后的结果送至累加寄存器的数据输入端。累加寄存器将加法器在上一个时钟脉冲作用后所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脉冲的作用下继续与频率控制字相加。这样, 相位累加器在时钟作用下, 不断对频率控制字进行线性相位累加。相位累加器输出的数据就是合成信号的相位, 相位累加器的溢出频率就是DDS输出的信号频率。用相位累加器输出的数据作为波形存储器的相位取样地址, 这样就可把存储在波形存储器内的波形抽样值经查找表查出, 完成相位到幅值转换。波形存储器的输出送到D/A转换器, D/A转换器将数字量形式的波形幅值转换成所要求合成频率的模拟量形式信号。最后通过低通滤波器滤除不需要的取样分量, 以便输出频谱纯净的波形信号。

3. Mobius变换原理

3.1 Mobius函数

Mobius函数定义为:

可以看出, Mobius函数的取值只有-1﹑0和1。通过计算可以得到Mobius函数的前十个值分别为:

对于定义在 (-∞, +∞) 上的两个函数G (x) 和g (x) , 有:

众所周知, 周期函数只要满足狄里赫利条件, 就可以展开成用正 (余) 弦函数表示的傅立叶级数, 而Chen-Mobius变换正好实现将正 (余) 弦函数转换成周期信号。进一步求出该正弦信号的正交函数。

3.2 新型Chen-Mobius通信系统原理

对于如周期矩形脉冲信号、对称方波信号、对称三角波信号等波形, 它们的函数都可以展开为付立叶级数的形式, 经过简单变换后可以写成:

的形式, 其中F (ωt) =f (ωt) -G0, G0为非正、余弦项 (常数项) 。通过Mobius变换求出的正交函数族

或者

来, 其中求和表示对每一个k中的多个因子m求和, m是k的整数因子 (包括1和k) .可以证明, 与是正交的, 即有

但是和本身是不正交的。利用这种特性, 我们可以利用和这两个正交函数进行通信系统的调制与解调, 这就是新型Chen-Mobius通信系统的基本原理。

3.3 Chen--Mobius单路通信系统设计与仿真

3.3.1 基于DSPBuilder的DDS设计

DSPBuilder是Altera推出的一个DSP开发工具, 它是一个系统级 (或算法级) 设计工具, 它架构在多个软件工具之上, 并把系统级 (算法仿真模块) 和RTL级 (硬件实现) 两个设计领域的设计工具 (Matlab和QuartusⅡ) 连接起来, 最大程度地发挥了两种工具的优势。

根据前面介绍的DDS工作原理, 我们可以运用DSPBuilder搭建出如图2所表示的DDS顶层模块。

其中3个输入, 分别为Freqword (频率控制字) 、Phaseword (相位控制字) 、Amp (幅度控制字) , 一个输出, 即DDSout输出。

因为本文主要介绍DDS技术在Mobius通信系统中的应用, 所以这里只介绍DDS模块的设计, 其他模块就不一一介绍了。

3.3.2 基于DSPBuilder的Chen--Mobius单路通信系统设计与仿真

图3就是在Matlab中搭建的Chen--Mobius单路通信系统.Signal是输入信号, Tzb1和Tzb2是DDS产生的调制信号, Jtb是DDS产生解调信号。其中调制波与解调波是相互正交的, 输入信号Signal经调制信号调制, 传输到接受端, 再经解调信号解调, 经过IIR滤波器滤波输出, 这就是Chen--Mobius单路通信系统的信号流程。

下图为Chen--Mobius单路通信系统的仿真结果。

4、总结

DDS技术在通信领域的应用越来越广泛, 尤其在数字化的调制解调模块中。本文根据Mobius变换的原理, 利用DDS的显著优点, 将其应用于Chen--Mobius单路通信系统来产生调制解调信号, 可以看出结果十分理想。

摘要：DDS技术是一种把一系列数字信号通过DAC转换成模拟信号的合成技术。文章主要介绍DDS和Mobius变换的原理;并将DDS应用在Mobius通信系统中;最后在Matlab中进行仿真。

关键词：DDS,Mobius变换,仿真

参考文献

[1].Chen NX.Modified Mobius Inverse Formula and Its Applications in Physics.Phys.Rev.Lett., MAR 12 1990, 64 (11) :1193-1195.

[2].Su wuxun et al, "The evaluations of the inverse transform of eight often-usedwaveforms by Mobius transform---the inverse transform of their Fourierseries",

[3].潘松, 黄继业等.SOPC技术使用教程[M].北京:清华大学出版社, 2005

[4].潘松, 黄继业等, 现代DSP技术[M].西安电子科技大学出版社, 2003

DDS数字通信篇4

“波束形成”指的是通过器件或设备使一个口径天线沿着空间指定的方向发射和接收信号。数字波束形成具有的优点主要有:在不降低信噪比的条件下, 数字波束形成可以产生多个高增益波束, 使系统可以同时跟踪多个目标;数字波束形成可以充分利用天线阵接收的所有信息优化系统性能。数字波束形成通过软件实现, 具有很高的灵活性和扩展性, 较高精度, 理论上, 可实现任意算法, 能够实时地实现对天线系统的校正等。[1,2,3,4,5,6]

DDS技术可以通过对数字信号的修改, 方便地产生各种雷达信号, 能够根据需要控制频率、相位改变, 灵活地对天线阵列进行相位和幅度加权[8]。采用DDS技术, 天线波束完全采用电子方法控制, 可实现电控移相扫描, 速度高, 且波束的数目、运动方式都可以根据需要进行控制, 可有效提高合成孔径雷达的测绘带宽和成像精度。因此采用数字波束形成技术是合成孔径雷达的重要发展方向之一。本文通过直接数字频率合成方法控制基带信号相位改变, 对数字波束形成的原理和工程可实现性进行了实验验证。

1 实验原理

天线阵列为N元均匀直线阵, 相邻阵元间隔为d, 各阵元各向同性, 各阵元加权分别为[w1, w2, …, wn], 信号是窄带信号, 波长为λ, 信号的来波方向为θ, 经加权控制的天线阵示意图如图1所示[3]:

对于均匀直线阵列, 方向性矢量为:

$\vec{v} = [1, e^{j \frac{2 π}{λ} d s i n θ}, \dots ‚ e^{j \frac{2 π}{λ} (Ν - 1) d s i n θ}]$ (1)

经加权后天线阵输出y (k) 为:

y (t) =WTX (t) (2)

均匀直线阵的方向函数为:

$\begin{array}{l} f (θ) = w_{1} + w_{2} e^{j \frac{2 π}{λ} d s i n θ} + \dots + w_{Ν} e^{j \frac{2 π}{λ} (Ν - 1) d s i n θ} = \\ w_{1} + w_{2} e^{j β (θ)} + \dots + w_{Ν} e^{j (Ν - 1) β (θ)} = \end{array}$

$\sum_{k = 1}^{Ν}$ wkej (k-1) β (θ) =WTb (3)

式 (3) 中, $β (θ) = \frac{2 π}{λ} d \sin θ, W = [w_{1}, w_{2}, \dots \dots w_{Ν}]^{Τ} ‚ b = [1, e^{j β (θ)}, \dots e^{j (Ν - 1) β (θ)}]^{Τ}$ 。

实验中对均匀直线阵列进行了简化, 模拟两阵元信号合成, 验证了基带信号相移经混频后能够在现有设备基础上实现中频信号的移相, 从而最终实现对不同阵元天线间相差的控制。简化的实验验证方案原理如下:

提供w1, w2两个不同相位的信号, 假设两信号相差为Δθ, 两信号为:ejβ (θ) , ejβ (θ) +Δθ。

实验中, 分别采用数字信号基带板提供正交I、Q两路信号进行混频合成, 经过两次上变频后实现中频输出:

将基带相差转变为中频相差, 提供数字波束形成技术所要求的波束间的相差, 实现对天线波束的电子控制。

2 实验方案实现[2,4]

实验设备包括自研的基带信号板, 混频器, 数字示波器等。基带信号板主要通过FPGA调用其IP核实现ROM, 存储数字信号数据, 经DA转换后输出1 GHz的两路正交信号。原始信号数据由Matlab产生, 转换存入ROM核, 信号板将数据读入DA芯片产生模拟信号。

通过控制Matlab产生信号的相位, 可实现对基带模拟信号相位的控制。一方面实现数字波束形成所要求的信号相差, 另一方面可以通过对信号初始相位的调整, 补偿由模拟器件引起的相差, 保证实验的准确性。

实验验证方案分两部分进行, 首先是采用一块数字基带板, 输出的I、Q两路信号进行上变频, 将输出信号保存作为比较基准。随后将基带信号进行相移, 经混频输出后与未经相移处理的信号进行比较, 验证经过模拟链路处理后的信号能够实现实验原理所预期的中频相移, 并在实验过程中对模拟器件进行调校, 使模拟器件对实验的影响降到最小[6]。实验实现如图3所示过程。

第一部分实验是在同一套设备和链路上进行的两次实验。设备的初始条件一致, 因而由同轴连接线、功分器及其他模拟器件特性随温度及其他实验条件的改变对实验结果的影响非常小, 保证结果在同样实验状态下得到, 同时能够用于验证实验原理和进行实验设备的调校。

通过第一部分实验, 可验证器件的物理特性符合原理所需求的器件特性, 能够实现实验原理所描述的物理过程, 并掌握对设备进行调校的参数, 根据设备参数调整实验链路能满足进一步实验验证的要求。

数字波束形成要求同时在不同阵元间形成相差从而完成对波束的控制。在进一步的实验验证中, 采用两块数字基带板, 同时产生两路基带信号, 通过混频后, 验证基带信号相差对于中频信号相位的影响。实验实现如图4所示过程。

首先利用Matlab产生相同信号, 并经转换后添加到ROM核中, 经实验链路两次上变频后, 通过示波器测量, 进行相位校准, 检测两路信号由于模拟链路而产生的相差。通过对Matlab对信号的相位进行调整, 补偿模拟链路的相差, 使两路信号相位完全相同。随后保持其中一路信号相位不变, 在另一路信号中加入相差Δθ, 将经两次上变频后的两个链路输出的信号在示波器上进行相差比较, 验证产生相差的实验原理。

3 实验结果及分析

通过对实验数据的分析, 验证了在现有器件条件下, 实现基带移相改变中频相位实现数字波束形成的可行性。并根据实验过程和实验结果, 对进一步进行开发设计的方案和技术难点提出了一些看法。

以上图像是由示波器采集数据得到的时域图, 由于示波器存储深度的原因, 所采集到的波形数据不平滑。图中的数据分别在两路信号相差为0°和相差为50°时采集得到。第一幅图像两路信号没有相位差, 从第二幅图中可以明显的看到两路信号在中频上的相位差, 从而验证了在现有设备条件下, 能够实现实验原理所期望的通过在基带信号的相移, 实现中频信号移相的目的, 进而达到通过数字移相实现合成孔径雷达电控扫描的目的。

通过实验分析得到工程实现的难点所在, 主要包括以下几个方面:

首先, 模拟电路的实验状态控制非常困难。无论是温度变化, 还是实验状态的改变, 如对同轴线, 功分器等的触碰, 都会导致模拟电路特性的改变, 进而影响到最终的移相实验效果。在实际应用状态下, 可行的方法是搭建能够对信号进行自适应控制的信号产生链路, 根据模拟链路变化的情况, 实现数字信号对模拟链路的自适应控制相位补偿。要求能够对中高频信号状态进行检测, 中高频信号检测方法是一个亟待解决的问题。

其次, 实验设备的体积较大, 不适应合成孔径雷达小型化的要求。设备小型化工程化是数字波束形成技术应用于合成孔径雷达的关键。合成孔径雷达运载平台决定了必须满足小型化轻量化的要求, 而实验设备相对体积较大, 器件小型化是一个重要的方向。

再次, 必须充分考虑电磁兼容。直接数字波束形成意味着要在数字电路中输出达1 GHz的模拟信号, 会对其他电路产生干扰。在实验过程中出现过传输基带信号的同轴线对电路时钟的干扰。

4 结束语

本文通过现有实验设备对数字波束形成的工程可行性进行了验证, 并根据试验情况, 分析了工程实现需要进一步解决的问题。随着合成孔径雷达发展的需求和元器件技术的不断进步, 对于数字波束形成技术应用于合成孔径雷达的研究会有更多和更明确的需求。本文的实验验证为日后进一步的工程实现提供了一些参考依据和测量评估方法, 对后续的研究开发有一定的指导意义。

参考文献

[1]殷连生.相控阵雷达馈线技术.北京:国防工业出版社, 2007

[2]曾涛.高速并行DSP自适应数字波束形成系统及算法研究.硕士论文.成都:成都电子科技大学, 2001

[3]王玮.DBF算法研究及其硬件实现.硕士论文.南京理工大学, 2006

[4]张卫清, 谭剑美, 陈菡.DDS在数字阵列雷达中的应用, 雷达科学与技术, 2008;6:467—471

[5]王涛, 雷宏.相控阵雷达数字波束形成的实现.微计算机信息, 2005;11—2:93—96

[6]吴曼青, 葛家龙.数字阵列合成孔径雷达, 雷达科学与技术, 2009;2:1—9

[7]吴曼青, 王炎, 靳学明.收发全数字波束形成相控阵雷达关键技术研究.系统工程与电子技术, 2001; (4) :45—47

DDS数字通信篇5

直接数字频率合成器 (Direct Digital Synthesizer) 是从相位的概念出发直接合成所需波形的一种频率合成技术。一个直接数字频率合成器由相位累加器、加法器、波形存储ROM、D/A转换器和低通滤波器 (LPF) 构成。DDS的原理框图如图1所示:

其中K为频率控制字、P为相位控制字、fc为参考时钟频率, N为相位累加器的字长, D为ROM数据位及D/A转换器的字长。相位累加器在时钟fc的控制下以步长K作累加, 输出的N位二进制码与相位控制字P相加后作为波形ROM的地址, 对波形ROM进行寻址, 波形ROM输出D位的幅度码S (n) 进D/A转换器变成阶梯波S (t) , 再经过低通滤波器平滑后就可以得到合成的信号波形。合成的信号波形形状取决于波形ROM中存放的幅度码, 因此用DDS可以产生任意波形。这里我们将用DDS实现正弦波的合成, 并通过FPGA芯片实现其硬件电路。

笔者主要进行DDS软件方面的设计, 所以以下原理与仿真以软件方面为主。

1. 频率预置与调节电路

K被称为频率控制字, 也加相位增量。DDS方程为:f0=fc×K/2N, f0为输出频率, fc为时钟频率。当K=1时, DDS输出最低频率 (也即频率分辨率) 为fc/2N, 而DDS的最大输出频率由Nyquist采样定理决定, 即fc/2, 也就是说K的最大值为2N-1。因此, 只要N足够大, DDS可以得到很细的频率间隔。实际中DDS的最高输出频率由允许输出的杂散水平决定, 一般取值为f0≤40%fc。要改变DDS的输出频率, 只要改变频率控制字K即可。

2. 累加器 (图2)

相位累加器由N位加法器与寄存器级联构成。每来一个时钟脉冲fc, 加法器将频率控制字K与寄存器输出累加相位数据相加, 再把相加后的结果送到寄存器的数据输入端。寄存器将加法器在上一个时钟的作用后所产生的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与频率控制字进行相加。这样, 相位累加器在时钟的作用下, 进行相位累加。当累加器累加满量时就会产生一次溢出, 完成一个周期性动作。

3. 控制相位的加法器

通过改变相位控制字P可以控制输出信号的相位参数。令相位加法器的字长为N, 当相位控制字由0跃变到P (P≠0) 时, 波形存储器的输入为相位累加器的输出与相位控制字P之和, 因而其输出的幅度编码相位会增加P/2N, 从而使最后输出的信号产生相移。

4. 波形存储

用相位累加器输出的数据作为波形存储器的取样地址, 进行波形的相位—幅值转换, 即可在给定的时间上确定输出的波形的抽样幅值。N位的寻址ROM有D位数据, 则2N个样值的幅值以D位二进制数值固话在ROM中, 按照地址的不同可以输出相应的相位的正弦信号幅值。

相位—幅度变换原理图如图3所示:

5. D/A转换器

D/A转换器的作用是把合成的正弦波数字量转换成模拟量。正弦幅度量化序列S (n) 经D/A转换后变成了包络为正弦的阶梯波S (t) 。需要注意的是, 频率合成器对D/A转换器的分辨率有一定的要求, D/A转换器的分辨率越高, 合成的正弦波S (t) 台阶数就越多, 输出的波形的精度也就越高。

6. 低通滤波器

对D/A输出的阶梯波S (t) 进行频谱分析, 可知S (t) 中除主频f0外, 还存在分布在fc, 2fc……两边f0处的非谐波分量, 幅值包络为辛格函数。因此, 为了取出主频f0, 必须在D/A转换器的输出端接入截止频率为fc/2的低通滤波器。

(二) 系统设计与实现

1. 参数选取

设条件N=10, D=10, fc=125 MHz, 可知:

(1) 存储器容量为1024×10 bits=10K

(2) 频率步进Δf=fo min=fc/2N≈122.07 KHz, 此时K=1

(3) 最大频率fo max=fc/2=62.5 MHz。然而, 此时每周期只采样2点, 难以保证输出精度。为了保证输出精度, 规定最低每周期采样8点, 此时K=2N/8=128, 则:fo max=K×fc/2N=15.625 MHz

(4) 相位步进2π/1024

综上所述, 波形存储器存储1024个10位采样点;频率控制1≤K≤128, 频率步进 (最小输出频率) 122.07 KHz, 最大输出频率15.625 MHz;相位控制1≤P≤1024, 步进2π/1024。系统设计

2. 波形存储

本设计中波形存储为连续存储, 对正弦波进行采样利用Quartus制造一个ROM表, 进行查值操作, 在波形的存储方法上可以有两种方案, 一个是对正弦波从0到2π进行采样, 在这次设计和以上的参数选取上均基于这种方案, 这个方案的优点是实现简单, 思路清晰;另一种方案是对正弦波从0到π进行采样, 由于正弦波的前半周期与后半周期的幅值绝对值对应相等, 只差了一个符号, 利用这种特性, 只要在ROM表的输出后加上一个符号判断即可实现正弦波的输出, 这样可以节省一半的存储空间, 但实现上稍复杂。

正弦波幅值的获得, 可通过C语言编程得到, 将C程序所得结果导出到一个文件中便可得到正弦波幅值。

3. 系统设计

由波形存储模式, 设计系统模型框图4:

4. 系统实现 (所有程序代码均附加在附录中)

本次实现系统的环境如下:

(1) 硬件:FPGA芯片:Cyclone EP1C6Q240

(2) 软件:Quartus II+Visual C++

各端口说明:

(1) 频率控制字:10位, 最大128 (0010000000) ;

(2) 相位控制字:10位, 0无相移, 512 (1000000000) 位移π;

波形存储器:

利用LPM_ROM实现ROM表的步骤是:首先产生一个*.mif文件;然后使用Altera的Mega Wizard Plug-In Manager定制一个LPM_ROM。

最后完成的原理图如图5 (由Quartus II生成) :

5. 系统仿真

(1) 最小步长的正弦波 (图6)

频率控制字:0000000001

相位控制字:0000000000

转换为模拟显示为:

仿真测得正弦波频率为:1/ (13.971us-5.791us) ≈122.249KHz, 与计算参数相近, 误差来自于仿真测量时的显示误差。

(2) 最大步长的正弦波 (图7)

频率控制字:0010000000

相位控制字:0000000000

转换为模拟显示为:

仿真测得正弦波频率为:2/ (20.387867us-20.26us) ≈15.6413MHz, 与计算参数相近, 误差来自于仿真测量时的显示误差。

3.最小步长的余弦波 (图8)

频率控制字:0000000001

相位控制字:0100000000

转换为模拟显示为:

4.最大步长的余弦波 (图9)

频率控制字:0010000000

相位控制字:0100000000

转换为模拟显示为:

(三) 总结

本设计采用现场可编程门阵列 (FPGA) 实现了一个直接数字频率合成器, 主要由累加器、加法器、寄存器、存储器组成。直接数字频率合成器具有变频范围广、频率步进小、幅度和频率精度高、调谐方便等优点。本系统允许频率调谐、相位调谐, 可以产生正弦、余弦信号。具有设计简单可靠、调谐方便等优点。不过频率步进较大、步长大时波形精度较差, 但这些不是系统设计的缺陷, 可以通过增加控制字位数、增大存储器容量来简单解决, 亦可以改变波形存储的方式, 例如对正弦从0到π进行采样甚至从0到π/2进行采样, 只要在寄存器输出后加上一个相位判断, 即可在同样的步进与波形精度下减小存储器的容量要求 (分别可减小1/2和1/4) , 换句话说, 在同样的存储器的容量下便可以减小频率步进与提高波形精度。

摘要：直接数字频率合成器具有变频范围广、频率步进小、幅度和频率精度高、调谐方便等优点。对其进行了理论分析, 并采用FPGA技术实现了这样一个系统, 该系统允许频率调谐、相位调谐, 可以产生正弦、余弦信号, 具有设计简单可靠、调谐方便等优点。

关键词：直接频率合成,可调谐,小步进,FPGA

参考文献

[1]罗朝霞, 高书莉.CPLD/FPGA设计及应用[M].民邮电出版社, 2007.

[2]王诚, 吴继华, 范丽珍, 薛宁, 薛小刚.Altera FPGA/CPLD设计 (基础篇) [M].人民邮电出版社, 2005.

[3]周俊峰, 陈涛.基于FPGA的直接数字频率合成器的设计和实现[J].电子技术应用, 2001.

[4]侯伯亨, 顾新.VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计[M].西安电子科技大学出版社, 1997.

DDS数字通信篇6

随着我国铁路客运专线、高速铁路建设步伐的加快, 研究开发以一体化、网络化、数字化为典型技术特征的新型列车信号控制系统成为必然趋势。通过研究DDS直接数字频率合成技术生成铁路专用2FSK (二进制频移键控) 调制信号的新方法, 论证了新型列车信号控制系统的信息发送单元数字化实现的可行性, 并完成了相应的软、硬件设计。实验和工程应用结果均表明, 该设计的精确度和稳定度完全可以满足铁路现场应用的要求。

我国铁路2FSK信号的理论分析和数学建模

当前我国铁路信号系统的主要信号制式包括3种, 不同系统信号特征的异同点如表1所示。

2FSK信号数学表达式为[1]:

其中S (t) 是2FSK信号的基本表达式, g (t) 是相位变化量子式, AS为2FSK信号时域幅度, f0为2FSK信号中心频率, f (t) 为低频调制信号, Kf为最大载频偏移量。

从公式 (1) 及 (2) 中可以总结出, 2FSK信号数学基本原理简单来说就是利用数字基带信号f (t) 引起的相位变化量g (t) 去调制载频信号f0, 控制上边频fh和下边频fl的切换, 实现数字基带信息的传输。根据对边频切换时机的不同, 2FSK调制又分为相位连续方式和相位不连续方式。

在这些不同信号制式中, 除了所采用的调制方式相同外, 它们还具有铁路信号所特有的共性:即低频调制信号f (t) 为方波方式, 依靠方波频率的变化, 实现列车不同速度等级的编码。由于铁路2FSK调制信号的通频带、低频调制信号有着极其严格的限定, 有别于民用通信领域常规信号。在认真分析我国铁路主要信号制式的典型参数特征的基础上, 利用MATLAB仿真软件在计算机上可以建立我国主要信号制式传输信号的数学模型[2], 其典型时域波形的仿真图形如图1所示。

通过公式 (1) 和 (2) , 可以抽取出我国铁路专用2FSK信号的典型参数特征, 即:数字基带信号f (t) 、上边频fh、下边频fl。

图1显示了三个典型参数之间的特定依存关系:即一个完整周期的数字基带信号f (t) 包含了持续时间分别为1/2周期的上边频fh和下边频fl信号, 并且两者在切换的瞬间保持了相位连续的特征, 如图中圆圈中所示。在MATLAB仿真环境下, 通过动态改变三者的特征值, 可以模拟实现我国铁路主要信号制式的全部信号模式。

D D S技术方案

基于对DDS技术深入研究, DDS技术应用在新型列车信号控制系统是完全可行的, 技术方案可以简要归纳如下:

¥对2FSK信号典型参数:上边频fh、下边频fl、调制低频方波f (t) 的精确生成;

¥在精度允许范围内实现低频调制方波对上、下边频信号的相位连续调制。

DDS的数学模型

根据傅立叶变换理论, 任何周期信号都可以分解为一系列正弦或余弦信号之和, 对于一个频率f固定的周期性模拟或数字信号而言, 无论其幅度如何变化, 在每一个时间周期内, 信号相位角按照固定角频率ω线性变化。如图2M A T L A B仿真波形所示。

在一个系统时钟周期内, 正弦信号相位的变化由下式决定:

假定时间间隔dt以系统时钟周期1/fclock (可以看作为采样周期) 来代替, 可得:

式中∆phase:采样时间间隔内信号相位的增量。

从公式 (4) 中显而易见, 控制∆phase的变化, 就可以控制不同的频率信号的输出。把0～2的连续相位量化为0～2N位数字相位, 则∆phase可以表示为:

式中N为DDS相位寄存器位数 (通常为24～32) ;M为DDS相位寄存器的步长。

根据公式 (5) 和公式 (4) , 推算出:

公式 (6) 表明在系统时钟 (DDS的参考频率源) 保持恒定的条件下, 通过改变预置的频率控制字 (相位累加器的步长M) , 就可以精确控制输出信号的频率变化。

DDS硬件架构

图3显示DDS硬件架构主要由相位累加器、正弦查找表、模数转换器以及低通平滑滤波器等部分构成[3]。

相位累加器在DDS功能实现上发挥着核心作用, 把0～2的连续相位转换为32位的数字相位 (假定相位累加器的位数N=32) , 在时钟脉冲的控制下, 输入到频率寄存器的控制字在相位累加器中定期累加转变成为输出信号的数字相位信息。

正弦查找表是一个存储了特定数据的只读存储器。正弦查找表中固化了对一个满周期标准正弦信号以系统时钟频率为采样频率, 采样点数为2N (N:相位累加器位数) 的波形取样值 (二进制编码) 。

DDS中的数模转换器用于把正弦查找表输出的正弦信号数字幅值转换为模拟幅值。

低通平滑滤波器可以滤除DDS系统时钟引入的高频干扰以及由于DDS内部相位累加器输出相位需要截断固有特性导致的加性相位噪声。

硬件设计

·主控CPU

选用A T M E L精简指令集A V R MEGA128芯片。主要完成与上位中央逻辑控制单元的双向高速安全串行数据通信, 实现列控信息的差错控制和数据帧打包成型;基于对列控数据软件判断处理, 以基带调制信号周期为间隔, 动态刷新DDS芯片控制寄存器, 直接实现正弦形式的铁路2FSK信号正/反向双路输出, 供给后级差分放大器使用。完成输出信号的状态回采、闭环检查, 以校核输出2FSK信号的关键参数指标是否达标。

·安全串行通信接口

通信接口主要由Philips SJA1000及外围电路构成。主要完成上位逻辑控制单元与主控CPU之间安全数据交换, 接口协议灵活。实际应用中采用了双重冗余的CAN总线方式, 确保数据交换安全可靠。

·看门狗复位电路

外置硬件看门狗选用MAX1232芯片。主要完成程序由于干扰“跑飞”进入死循环之后, 输出复位脉冲, 迫使CPU重新从程序原点恢复执行, 提高系统的抗干扰能力。

·D D S直接数字频率合成器

选用AD7008 DDS芯片及外围元件构成。DDS芯片被设置成FSK工作模式。在FSK模式下, 其输出信号频率是频率控制寄存器 (FCR) 0、1以及FSK控制输入引脚FSELECT状态的函数。当FSELECT引脚为低电平时, 输出边频f1 (FCR1控制) , 当FSELECT引脚为高电平时, 输出边频f2 (FCR2控制) , 只要严格遵循铁路2FSK信号基带调制信号与边频信号频率依存关系, 选择适当的边频频率, 并且利用基带调制信号控制FSELECT引脚电平状态即可实现。根据DDS的特点, 边频的切换是瞬时完成的 (ns级) , 并且新的输出频率相位累加起点是前一频率的相位累加终点, 因此可以保持频率切换点的边频相位连续性, 符合铁路2FSK信号的技术特点。关于频率控制寄存器设置数值, 可以根据公式 (6) 确定。

·差分放大

由INA118差分放大器及外围电路构成。主要完成DDS输出正/反向2FSK信号的处理, 抑制2FSK信号中的共模成分, 提高信号纯度。同时通过调整外置的电压增益电阻, 使输出2FSK信号的电平幅度达到相关技术要求。并确保外部增益电阻在断路故障或阻值增大条件下, 差分输出端信号幅值不增加, 成衰减趋势, 从而满足核心系统故障导向安全的功能需求。

·缓冲放大器

由BUF634芯片及外围电路构成。主要完成在保持输出2FSK信号电平恒定不变的条件下, 仅对信号的电流进行放大, 增强信号对后级电路的驱动能力。

·状态回采模块

由光耦、运放电路等构成。主要完成输出2FSK信号的再采集、隔离整形与输入, 实现信号的实时闭环检查, 提高系统的安全性。

软件设计

为了满足可靠性、安全性和实时性的要求, 系统软件采用了汇编语言编写源代码, 并且采取了一些措施提高软件的抗干扰能力, 例如:软件陷阱、指令冗余、关键数据的备份以及差错校验等, 系统软件流程示于图6。

测试结果及结论

实验室环境下内对该项成果进行了测试, 包括载频精度、低频精度、低通滤波器通频带以及边频的切换时延等指标。结果表明:信号精度和实时性完全可以满足现场要求, 相对误差均控制在10-5～10-6范围内。采用DDS技术的铁路专用2FSK信号发送模块, 可以实现使用同一硬件平台, 完成我国铁路包括UM71、ZPW2000A、国产移频等不同类型列控信息输出的功能。目前, 该项成果已在工程现场得到应用, 运行稳定。相对于其他方式的设计, 例如FPGA、PLL频率合成、虚拟仪表等, 该方案具有明显的优点:嵌入式设计、性能稳定、硬件紧凑、性价比高等。尤其是在研制过程中所采用的设计思路实现了通用化多变量控制的2FSK数字信号调制, 对于其他数据通信应用领域也具有一定的借鉴意义。

摘要：基于对我国铁路主要制式信号的典型参数特征的分析和研究, 通过MATLAB仿真软件建立我国主要制式信号的数学模型, 在重点解决边频精度、相位连续、差分放大等关键问题的前提下, 提出采用DDS直接数字频率合成技术生成我国铁路专用2FSK (二进制频移键控) 调制信号的新方法, 并给出相关的硬件、软件设计。

关键词：铁路信号,直接数字频率合成,频移键控

参考文献

[1].　费锡康, 无绝缘轨道电路原理及分析, 中国铁道出版社, 1993:　97￣109

[2].　王立宁、乐光新, MATLAB与通信仿真, 人民邮电出版社, 2000:340￣349

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数字通信11-23

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