基于DSPDUC的短波阵列信号发生器.doc

一、引言 ????阵列信号处理作为数字信号处理领域的一个重要分支，广泛应用于雷达、声纳、通信、地震勘探和医用成像等众多领域；短波频段则常用于短波测向和波束合成技术。 ????在短波频段，阵列信号处理设备通常包括短波天线阵、短 波多波道接收机、后端阵列信号处理机3个主要组成部分。其中，短波天线阵接收空间短波信号，短波接收机对HF信号作模拟下变频，阵列信号处理机则对短波多 波道接收机输出信号作数字采样并进行相应的阵列信号处理算法，给出最终运算结果。 ????短波天线阵由于短波频段的限制，通常天线单元的体积 比较大，天线阵的孔径也比较大，占地往往近十亩；而且为了达到比较好的接收效果，短波天线阵对周边电磁环境的要求也相当高。这都给短波阵列信号处理机研制 过程中的调试和试验带来了极大的不便，同时也很不利于阵列信号处理机针对不同阵列流型短波信号的各种DSP算法研究和验证。 ????针对短波阵列信号处理设备研制、调试的实际情况，笔 者选用数字信号处理器芯片（DSP）和数字上变频器芯片（DigitalUpConverter,DUC）设计了一个模拟短波天线阵输出信号的阵列信号发 生器，可以在实验室环境下取代短波天线阵，产生各种不同阵列流型相对应的短波阵列信号，提供阵列信号处理机DSP算法的调试和验证条件。 ????二、设计思路 ????按照设计构想，本阵列信号发生器应该能够灵活地产生对应不同阵列形式（携带有不同阵列形式对应的幅度差和相位差）、基本覆盖1～30MHz频段范围的短波阵列信号。 ????如果采用传统的模拟上变频电路实现射频输出，很难满足 设计构想，因此笔者采用软件无线电的思想，选用了数字上变频器（DUC），在数字域作上变频，然后通过D/A变换产生短波高频模拟信号。为了实现不同阵列 形式所带来的幅度差和相位差，笔者选用了DSP芯片，在数字域对多个信号加入不同的幅度及相位差。 ????如图1所示，阵列信号发生器的总体设计思路为：以 DSP和DUC为核心，利用外部音频信号输入的A/D采样数据作为调制信号数据，由DSP对预制的载波信号（较低频率）作数字调制运算，并根据可选的不同 阵列流型对已调数字信号分别加上9个不同的幅度差和相位差后，经FPGA分别送到9个DUC中，经数字上变频及D/A变换后输出9路短波阵列信号。 ???? ????在设计中由于实际的音频调制信号要经过DSP芯片的数字调制运算，再分配到9个DUC中，因此使用一个大规模的FPGA逻辑芯片作为DSP芯片和9个DUC芯片之间的数据交换接口。 ????三、器件选择 ????1.DSP ????作为本设计的核心器件，DSP芯片的运算能力要求比较高，同时又存在运算过程中大量数据交换的特点，经过综合比较，笔者选用了AnalogDevice公司的SHARC-DSP系列中的ADSP-21060。 ????ADSP-21060是32位浮点DSP，使用 40MHz主时钟，运算能力可达120MFLOPS；片内带有4Mbit的双口SRAM（对本设计，则不需要外部另行扩充存储器，所有运算所需存储空间均 由内部支持，大大减少与外部存储器交换数据的DSP时间开销）；支持10个DMA通道供片内SRAM和外部存储器、串口等交换数据（本设计利用其DMA通 道传递音频采样数据）。 ????2.串行A/D ????本设计之所以采用串行A/D对外部输入音频进行数字采样，主要是考虑到外部输入信号应不间断地进入DSP的内存中，可利用ADSP-21060的串口DMA方式传递数据。因此笔者选用了AnalogDevice公司的双声道串行音频采样器AD1847。 ????3.数字上变频器 ????DUC的主要功能是对输入数据进行频率变换、频谱搬移，即在数字域实现混频。笔者选用了AnalogDevice公司的AD9857作为本设计的DUC。 ????AD9857是14位正交数字上变频器(QDUC)，最高工作时钟为200MHz，内部集成有高速直接数字合成器(DDS)、数字内插滤波器、时钟倍频电路以及用户可编程功能；而且内部集成有一个14位数模转换器(DAC)，可以直接输出模拟高频信号。 ????由于AD9857把数据传输路径从模拟领域转移到数字领域，在物理上模拟电路功能与数字部件是分开的，因此当修改电路参数或系统升级时，只需通过AD9857的SPI串行编程端口对内部寄存器做一些简单的修改，不需要改变硬件电路即可实现。 ????4.FPGA ????由于本设计中存在大量的高速数据交换，因此作为DSP和DUC数据接口的FPGA规模要求比较大，笔者选用的是Altera公司FLEX系列中的EPF10K50E。 ????EPF10K50E典型逻辑门数为5万门，片内含有40kbit的RAM，可满足较大量