叶红军
(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄050081)
摘 要:AD9957是AnalogDevices公司继AD9854和AD9857之后推出的同一系列的新型直接频率合成器件,具有频率分辨率高、工作频段宽、频率转换速度快及良好的调制特性等优点。提出了一种利用AD9957实现直接上变频的全新伽利略伪卫星脉冲调制技术设计方案,给出了系统设计结构,详细介绍了系统工作原理。以伽利略E5信号为例说明了系统设计过程,对AD9957芯片在伪卫星发射机中的应用进行了研究和测试,并给出了脉冲调制的实验结果。
关键词:AD9957;脉冲调制;伪卫星;伽利略
中图分类号:TN761 文献标识码:A 文章编号:1003-3114(2008)06-21-4
StudyonGalileoPseudoliteSignalPulseModulationBasedonAD9957
YEHong-jun
(The54thResearchInstituteofCECT,ShijiazhuangHebei050081,China)
Abstract:AD9957isanewDDSdevicemanufacturedbyAnalogDevicescompanyafterAD9854andAD9857.Ithasmanyadvantagessuchashighfrequencyresolution,widefrequencyrange,rapidfrequencyconversionandgoodmodulationcharacteristics.Thispaperputforward
anewdesignofGalileopseudolitepulsingtransmittersystembasedonAD9957.Itpresentsthedesignstructureofsystemanddescribesindetailtheoperationprinciplesofsystem.IttakesGalileoE5signalasanexampletoshowthedesignprocessofsystem,anddiscusstheuseofAD9957inpseudolitetransmitter.Finally,thepapergivestheexperimentresultofpulsemodulation.
Keywords:AD9957;pulsemodulation;pseudolite;Galileo;TDM
0 引言
在传统的数字信号源设计中,一般都采用对波形发生器件逐点送控制字的方法来实现。由于受频率精确度、稳定度和范围等因素的制约,提高数字调制方式中的FM速度是难点,这是高速调制信号源的技术瓶颈。直接数字频率合成(DDS)技术具有频率切换速度快、分辨率高、频率和相位易于控制等特点,因此在各种数字系统中得到越来越广泛的应用,成为现代电子系统及设备频率源设计的首选。在伽利略卫星导航系统中,E5频点信号采用AltBOC(15,10)调制方式,调制后的数据速率高达122.76Mbit/s,这样基于FPGA的数字上变频实现起来非常困难,而且单纯使用以前较为常用的AD9854、AD9857、AD9954等也不能实现。随着拥有高达1GHz内核时钟的AD9957的推出,上述中频调制的实现成为可能。基于此本文提出了一种基于AD9957的通用数字调制系统。
收稿日期:2008-01-15
作者简介:叶红军(1983-),男,在读研究生。主要研究方向:卫星导航、信号与信息处理。
1 AD9957简介
AD9957是美国模拟器件公司(AnalogDevices,
Inc)生产的内置14位数模转换器的直接数字频率合成器(DDS)集成电路,其基本功能框图如图1所示。
图1 AD9957基本构成
它采用数字技术合成多种跳频应用所需要的模拟波形,例如无线基站、军事和民用雷达、测试设备和安全通信系统。其采样速度达到1GSPS,同时功耗比其他直接频率合成器减小50%以上,广泛应用于各种通信、仪表仪器和国防应用。AD9957动态性能提高到高达400MHz输出频率,而且无杂散动态
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范围(SFDR)高达80dB以上。应用到无线和有线系统中时,利用AD9957调制器或正交数字上变频器(QDUC)提供的高达400MHz中频的实时输出达到简化数据传输的目的。AD9957还可提供用于快速编程的宽并行装入接口,它具有一个更新速率达250MHz的18bit并行端口,允许每隔8ns更新一次32bit的频率控制字。这种快速编程能力使之可以用于高速波形发生器、跳频合成器、安全通信以及各种雷达和扫描系统等需要频率或相位极快变化的场合。
AD9957的主要特点:32位相位累加器;波特率达25Mb/s的SPI接口;内置1024@32位RAM,可实现内部调制功能;内部采用1.8V和3.3V供电,超低功耗;内置的低噪声参考时钟倍频器允许用低成本、低频外部时钟作为系统时钟,同时仍可提供优良的动态性能;支持测试向量和幅度斜坡式控制功能。
AD9957有3种工作模式:正交调制器模式、单频输出模式、插值DAC模式。可通过模式选择逻辑来实时选择工作模式。AD9957数字部分主要分为数字处理单元和逻辑控制单元。数字处理单元主要可分为输入数据组合、CIC与反CIC滤波器、固定插值滤波器、正交调制器、DDS核、反SINC滤波器、输出幅度控制器、数模转器及参考时钟倍频器等几个部分;逻辑控制单元主要可分为控制寄存器、调电逻辑、模式选择逻辑、模式控制等。它是基于软件无线电思想的半定制ASIC专用芯片。
输入数据转换:当工作在正交模式时,基带信号的I/Q分量是交替输入的;所以必须保证I/Q分量与输入时钟PDCLK的同步,使其能转换成2路并行的I/Q数据流送往下一级电路;当工作在单频输出模式时,18bit数据信号并不加到AD9957;当工作在插值DAC模式时,只有I路数据通路有效。
固定插值滤波器:固定插值滤波器由2个半带滤波器HB实现,它用来将输入数据过采样4倍,另外它具有低通特性。
CIC与反CIC滤波器:CIC(内插级联积分梳状滤波器)为一个可编程过采样滤波器(2~63倍),由于也具有低通特性,所以在其前端有一个反CIC滤波器来对此加以补偿。固定插值滤波器和CIC滤波器联合使用可以提供8~2562倍的内插,它们是实现任意基带符号速率的关键。
正交调制器:用以将基带数字信号的频谱调制到所需的载频上(上变频),直接数字合成(DDS)产 22
生正交调制所需要的正弦和余弦两路数字载波,其频率可由相应频率控制字控制,I/Q两路数据分别与这2路数字载波相乘,然后再相加或相减,便得到调制后的数字中频信号。
DDS核:用于产生SIN/COS载波参考信号,它是生成中频载波的关键。载频fout与频率控制字(FTW)和系统时钟(SYSCLK)的关系如下:
fout=(FTW*SYSCLK)232。
反SINC滤波器:由于14bitDAC的零阶保持效应,其输出信号的频谱会被SINC包络所加权,反SINC滤波器对输入数据进行预处理,以抵消SINC包络造成的失真。
输出幅度乘法器:用于对最终输出信号幅度的调整,其值由相应可编程寄存器决定,范围是0~1.9921875。
14bitDAC:用于将数字信号转换成模拟信号。参考时钟倍频器:AD9957内部集成了PLL,可对输入的参考时钟(REFCLK),进行12~127倍倍频生成所需要的系统时钟(SYSCLK)。
AD9957的内部时钟即系统时钟(SYSCLK)是由参考时钟倍频得到,可以通过对相应的寄存器设置来控制。SYSCLK提供了其内部的所有时序,CIC输出的I/Q数据的采样率与DDS数字载波的采样率相同,都为SYSCLK。所以调制后的信号实际上是一组采样率为SYSCLK的数据流。
2 AD9957的使用方法
AD9957提供了一个灵活的同步串行通信口,从而为许多微控制器及处理器提供了简单的接口。该串口可同许多同步传输方式兼容,其中包括Motorola6095/11SPI和Intel8051SSR协议。这个通信接口允许对配置AD9957的所有寄存器进行读写操作。同时,在支持单字节和多字节传输方式的情况下还可支持先传MSB或先传LSB的传输方式。它的串口可配置成单双向引脚I/O(SDIO)或两个单向引脚in/out(SDIO/SDO)。
AD9957的串口管脚包括SCLK、CS、SDIO、SDO和I/O_RESET。通常情况下,AD9957在SCLK的上升沿锁存SDIO的输入数据,在SCLK的下降沿给出输出数据。在每一个通信周期内,最初的8个SCLK上升沿用来写指令字节,剩下的SCLK用来传输数据。AD9957的一个串口通信周期可以分为2个部
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信息传输与接入技术分,即指令周期和数据传输周期。在指令周期,外部控制器将向AD9957写入一个指令字节。指令字节给出了要进行的数据操作所需要的信息,它定义了当前传输的数据是读/写,要传输的字节数,数据传输的起始地址以及先传MSB或先传LSB方式选择等。而在数据传输周期,微控制器将与AD9957进行实际的数据传输,同时,控制器将根据指令字节所给出的信息对其进行相应的数据操作。
需要注意的是在多字节传输的通信周期,如果MSB在先,则寄存器地址从19h到0h递减,如果LSB在先,则寄存器地址从0h到19h递增。另外,系统必须与AD9957保持同步,否则内部控制逻辑将不会执行指令。当同步不能保持时,可以通过I/ORESET引脚来重新建立同步,而不必重新进行全局复位操作。AD9957中寄存器的读写是非常重要的一部分,它有8个寄存器组,每个组的功能相同,用户可以通过控制PROFILE0,PROFILE1,PROFILE3这3个引脚来选择对应的寄存器组。
图2 伪卫星信号产生单元构成
外部主控制设备产生各种控制信息及数据,并通过RS232串行通信接口传送给DSP,DSP主要完成与控制计算机进行通讯,根据输入的信息产生各种控制字;对AD9957器件写入频率控制字、幅度控制字、相位控制字和模式控制字,产生各种控制信号等功能。
伪卫星的FPGA完成伽利略伪码的产生及对导航数据的调制。根据信道,最多3个双端口RAM的内容供给一个比特流。以伽利略E5信号为例:一级码使用码片频率(最大10.23MHz)进行时钟输出。每次整个原码时钟输出完毕后,二级码的地址加1。二级码完成后,将对下一个数据位寻址。比特流由原码、二级码以及数据的EXOR运算生成。并对副载波进行附加的EXOR运算(BOC调制),副载波是一种矩形波。脉冲调制方式采用的是:每个伪码周期中出现一长度为80个码片的脉冲,而且每个伪码周期中脉冲出现的位置以周期为128ms的伪随机分布。脉冲调制序列存储在FPGA的RAM中。根据该存储器的内容,可以产生需要的脉冲波形。因为使用相同的码钟驱动地址计数器和解码器,所以可以以理想的方式产生脉冲调制。生成的比特流,在FPGA内经过逻辑转换生成18位的基带信号构成了对AD9957的输入。
AD9957采用三线配置方式,即片选线(CS)、串行时钟线(SCLK)和串行数据输入输出线(SDIO)这三线。伪卫星基带信号在扩频后码元速率:10.23Mbit/s;18位数据串行送入AD9957,I/Q两路数据交替送入AD9957。
若送入AD9957的REFCLK为10.23MHz,因为伽利略E5信号带宽为51.15MHz,且要完AltBOC(15,10)调制,输出信号速率要达到122.76Mbps,AD9957输出中频信号为245.52MHz;则AD9957的SYSCLK可设置为982.08MHz,CIC内插因子设为4,则锁相环的倍频系数为96,AD9957输出的PDCLK为122.76MHz。
经AD9957正交调制后的伽利略伪卫星E5脉
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3 AD9957在伪卫星调制中的应用
3.1 伪卫星脉冲调制
当卫星信号质量比较差或卫星星座分布不理想时,通过在地面引入一颗伪卫星(PL)来增加测距源,从而提高定位精度。伪卫星应用的一个主要制约因素是远近效应问题,这会使普通的接收机在信号功率变化非常大的情况下变得无效。这是因为卫星信号对接收机而言因其远距离而形成几乎固定的功率电平,但是伪卫星信号因其与接收机的距离剧烈变化而造成高动态。然而普通的接收机并不支持这种高动态情况。因为假如用户在距伪卫星50km处,伪卫星信号与GPS卫星信号一样强,那么当用户靠近伪卫星只有50m时,则此伪卫星信号将比GPS卫星信号强60dB。因此在信号体制上采取了时间分割调制(TDM)的方案来克服远近效应。伪卫星在开关信号的控制下伪卫星信号仅在特定脉冲时隙发送,其他时间保持静默。这使得接收机能在这些脉冲时隙内跟踪伪卫星并在各伪卫星脉冲之间跟踪卫星信号。
3.2 伪卫星脉冲调制系统设计
本系统采用DSP+FPGA+AD9957来完成伪卫星信号的中频调制,其组成框图如图2所示。
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信息传输与接入技术
冲调制信号,以安捷伦频谱仪8561EC观察频谱如图3所示。由图3可以看出,其频谱包络与AltBOC(15,10)调制频谱一致,而且因其脉冲调制,所以频谱图为一条条离散的频谱段。
FPGA等实现数字基带信号的复杂调制,设计出了伽利略伪卫星信号调制器。本文给出的设计主要有以下特点:采用DDS技术,可以满足高线性度、高稳定度、高信噪比和低杂散的要求;用DSP可以方便地控制信号波形参数,为不同频率、不同波形的要求提供了通用平台;能够在产生中频信号的同时对信号进行任意包络的波束调制;能够完成正交调制的功能;该设计已应用于伽利略伪卫星研制,实验验证了设计的正确性。
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图3 伽利略伪卫星E5信号脉冲调制频谱图
4 结束语
本文利用数字频率合成器件AD9957、DSP、
(上接第6页)
率。图2给出了一个UDP报文采用报头压缩前后丢包率的变化,其中横坐标Nr表示除报头外的报文长度,uc和c分别表示压缩前后;
对丢包率的影响,实质上也是反映在信道利用率上的。
6 结束语
随着信息技术的不断发展,人们对信息获取方式的要求也不断提高,希望在乘坐火车、飞机等工具出门旅行时也能够实时地获得浏览信息、收发邮件等Internet服务,基于卫星移动通信的网络移动为人们提供了一种较好的解决方案。本文以该方案为研究背景,对基于卫星移动通信的网络移动面临的相关问题进行了分析,并初步给出了改进策略。
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º数据包长度愈长,在信道中碰撞的概率就
愈大,被分片的概率也越大,采用报头压缩可以减小数据包的碰撞和分片概率,从而减小丢包概率;
»采用报头压缩后,使得信道中传输的冗余开销减小提高了信道利用率,当然前面两点所提到的 24
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