基于DDS和FPGA技术的高动态扩频信号源的研究

扩展频谱通信(Spread Spectrum Communication)作为一种新型的通信体系,具有抗干扰能力强、截获率低、码分多址、信号隐蔽、保密、易于测距等优点,是通信领域的一个重要发展方向。正是由于这些优点,扩频通信在军事上受到了极大的重视。为配合高动态扩频接收机的研究,迫切需要一台能够精确模拟高机动目标环境条件下的扩频信号的信号源。本文提出的基于DDS(Direct Digital Synthesis)和FPGA技术的高动态扩频仿真信号源不但能够模拟扩频信号,而且由于采用了使用DDS技术的频率合成器AD9854,能够实现高速的频率跳变,因此该信号源就能够比较精确地模拟多普勒效应,实现高动态仿真。

可编程逻辑器件(Programmable Logic Device,PLD)及其应用是20世纪70年代诞生的一门新兴技术,PLD具有集成度高、可靠性强、可重复编程等特点。PLD器件包括PROM、GAL、EPLD、ispLSI和FPGA,其中FPGA编程灵活,它的I/O引脚多达几百条,一片FPGA就可以实现逻辑功能十分复杂的逻辑部件或者一个小型数字系统。本文介绍的系统选用ALTERA公司的FLEX10K系列器件,主要完成提取数据和扩频调制。

1 高动态扩频仿真信号源的原理简介

原理如图1所示,该信号源从原理上主要分为扩频调制和载波调制两部分,而单片机则起到核心控制的作用。单片机AT89C52一共连接了四个外设:可编程I/O接口芯片8155、液晶显示模块MGLS-19264、时钟发生器AD9850和频率合成器AD9854。

(1)扩频调制。扩频调制主要由可编程逻辑器件FPGA来完成。五组PCM码和八组PN码分别存在两块EPROM中,液晶显示屏提供给用户一个友好的界面,提示用户输入各种参数。单片机依照用户从键盘输入的组别产生地址;FPGA根据单片机提供的地址,按照AD9850产生的时钟,从EPROM中提取数据,并在FPGA内部完成扩频调制,然后送出数据,进行载波调制。

扩频调制采用直接序列扩频调制(DS),输出的信号波形为:

AD9850使用了先进的直接数字频率合成技术(DDS),是高速度、高性能的完全数字化的可编程频率合成器和时钟发生器。此处AD9850产生了一个5.23264MHz的时钟信号。

(2)载波调制。载波调制采用二进制相移键控(BPSK)。一般的BPSK信号的表达式为:

载波调制选用可编程频率合成器AD9854。AD9854是采用DDS技术、高度集成化的器件。配合内部两个高速、高性能的正交数模转换器和一个比较器来完成数字可编程的I、Q两路频率合成功能。AD9854可以完成SINGIE-TONE、FSK、RANPED FSK、CHIRP、BPSK等调制功能。AD9854创新的高速DDS内核提供了48比特的频率分辨率。AD9854的电路结构允许同时产生两路正交的高达150MHz的输出,并且输出的频率可以在数字的调整下以每秒100兆个新频率点的速度跳变。两个12比特的乘法器可以实现可编程的幅度调制,输出整形键控和精确的正交输出幅度控制。AD9854的可编程4~20倍参考时钟倍频器电路可以用较低频率的外部参考时钟而在内部产生一个高达300MHz的时钟。AD9854工作在并行工作方式下时,有8根数据线、6根地址线与单片机相连。AD9854的频率控制字FTW=F_out×2⁴⁸/CLKIN。

通过单片机不断地改变AD9854的频率转换字(FTW)来完成对多普勒效应的模拟。对输出幅度的控制也是通过单片机写AD9854内部寄存器来完成。

2 高动态仿真的原理和实现方案

多普勒效应是由于信号发射端与接收端之间的相对运动引起的。本文介绍的高动态扩频仿真信号源模拟的多普勒现象,属于动点对静止点之间的情况。

假设动点以速度V面向静止点运动,电磁波传播速度为C,发出的信号初始频率为F,则静止点接收的频率为:F’= F×C/(C-V);若动点以速度V背向静止点方向运动,则有:F’=F×C/(C+V)。设F’=F+F_d,则F_d=F’-F。而对后一种情况

设动点做匀变速运动,即V=at,则有F_d1=t×(F×a/C),F_d2=-t×(F×a/C),设K=F×a/C,于是F_d1=K×t,F_d2=-K×t,K为常数。由F’=F+F_d可知接收到的频率F’围绕中心频率F对时间t呈线性变化。

因此本信号源模拟的多普勒效应频率变化如图2所示(图中0、1、2、3表示一个周期的四种状态)。