用于智能天線設(shè)計(jì)的多路信號(hào)源

摘要：本文提出了一種使用直接數(shù)字合成（DDFS）的方法來模擬8路信號(hào)，用于智能天線的測(cè)試及各種通信設(shè)備的設(shè)計(jì)。以及該信號(hào)源的硬件電路板設(shè)計(jì)的一種特殊方法，使得該硬件有較強(qiáng)的擴(kuò)展性。

關(guān)鍵字：多路，信號(hào)源，DDFS，可編程器件，高速D/A

1．引言

智能天線是由多個(gè)天線單元組成的天線陣列，但是傳統(tǒng)的波形發(fā)生器多為兩路，無法模擬智能天線所接收到的陣列信號(hào)。本文研制的多通路信號(hào)源，能同時(shí)產(chǎn)生獨(dú)立且時(shí)鐘同步的8路信號(hào)。通過可視化的操作界面對(duì)各陣元天線的波形進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用了板卡分離的設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)有較強(qiáng)的擴(kuò)展性，方便了工程人員對(duì)通信設(shè)備的各種設(shè)計(jì)。

2．系統(tǒng)基本原理

系統(tǒng)框圖如圖（1）所示。本系統(tǒng)采用DDFS的方法產(chǎn)生所需波形。PLD用于地址累加，RAM 用于波形存儲(chǔ)，本系統(tǒng)采用51系列的單片機(jī)進(jìn)行接口的控制。51系列單片機(jī)雖然是8位的單片機(jī)，但卻是一個(gè)十分經(jīng)典通用的單片機(jī)系列。它的操作簡(jiǎn)單，特別是與計(jì)算機(jī)的串口的連接，完全不用理會(huì)底層的操作。但是它也有一個(gè)致命的弱點(diǎn)――運(yùn)行速度較低，計(jì)算性能較低，完全無法和具有流水指令集的DSP相比，因此無法直接使用它實(shí)現(xiàn)DDFS頻率合成，所以須采用計(jì)算機(jī)生成波形數(shù)據(jù)，使用較高頻率下工作的PLD器件推動(dòng)RAM陣列合成所需的信號(hào)。

系統(tǒng)里波形存儲(chǔ)沒有采用一般的單一存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)方法，因?yàn)樵谳^高頻率下無法使用非易失性存儲(chǔ)器，若使用高速存儲(chǔ)器SRAM，則在二次加電后數(shù)據(jù)將會(huì)丟失。這里使用了雙存儲(chǔ)器方法，即同時(shí)使用FLASH和SRAM存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，所需數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)計(jì)算后經(jīng)串行口或USB口下載到FLASH中。以后每次加電，數(shù)據(jù)再?gòu)腇LASH轉(zhuǎn)移到高速RAM中進(jìn)行DDFS合成。這樣就可以彌補(bǔ)兩者的不足。

前面已經(jīng)介紹了本系統(tǒng)所使用的雙存儲(chǔ)器機(jī)制，這里再介紹一下各存儲(chǔ)器的選型及工作方式。FLASH使用W29C040，它的寫操作是按頁(yè)操作，每頁(yè)256個(gè)字節(jié)，容量為512K字節(jié)。SRAM使用的是ALLIANCE的AS7C3256-15，容量32K字節(jié)，速度為15 。經(jīng)過電腦計(jì)算軟件計(jì)算所得的數(shù)據(jù)經(jīng)過計(jì)算機(jī)串口或USB口下載到系統(tǒng)板中，在每次加電后數(shù)據(jù)再?gòu)腇LASH轉(zhuǎn)存到RAM中。

在計(jì)算機(jī)下載中數(shù)據(jù)又分為從串口下載和USB口下載，數(shù)據(jù)如果從串口下載首先必須下載到RAM中，再一頁(yè)一頁(yè)的寫到FLASH中，因?yàn)榇谒俾首罡邽?28000波特率，接收一個(gè)字節(jié)的最短時(shí)間為 ，單片機(jī)在寫完一個(gè)字節(jié)后寫線就升高，由參考資料的時(shí)序可以看出若FLASH寫線變高時(shí)間過長(zhǎng)就會(huì)進(jìn)入內(nèi)部的寫操作，因此接下載的數(shù)據(jù)將無法寫入FLASH。為此必須先把256個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)寫到RAM中再?gòu)腞AM寫到FLASH。如果使用USB接口，只要設(shè)置在高速狀態(tài)下就可以直接寫FLASH。

系統(tǒng)所采用的RAM數(shù)據(jù)位只有8位，而DA為12位所以必須由2片RAM合成一個(gè)12位的數(shù)據(jù)。但是如果這樣，其中一片RAM 要丟掉一半的存儲(chǔ)空間，所以使用3片RAM提供共24位數(shù)據(jù)給2片DA，這樣節(jié)省了RAM空間，其電路如圖（2）

系統(tǒng)的USB接口采用飛利浦的USB接口芯片PDIUSBD12。PDIUSBD12是一片USB接口芯片它可以把串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為8位的并行數(shù)據(jù)，符合通用串行總線USB 1.1 版規(guī)范，集成了FIFO存儲(chǔ)器收發(fā)器以及電壓調(diào)整器，可與任何外部微控制器/微處理實(shí)現(xiàn)高速并行接口2M 字節(jié)/秒，完全自治的直接內(nèi)存存取DMA 操作，集成320 字節(jié)多結(jié)構(gòu)FIFO 存儲(chǔ)器，主端點(diǎn)的雙緩沖配置增加了數(shù)據(jù)吞吐量并輕松實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，在批量模式和同步模式下均可實(shí)現(xiàn)1M 字節(jié)/秒的數(shù)據(jù)傳輸速率。

由于微處理器速度限制和數(shù)字濾波器運(yùn)算量的要求，系統(tǒng)通常在中頻部分進(jìn)行數(shù)字化，然后再進(jìn)入DSP進(jìn)行處理。因此該系統(tǒng)產(chǎn)生的8路模擬信號(hào)最高輸出為10.7MHz。理論上只要相位累加器的位數(shù)足夠大相位分辨率可以足夠精確，但綜合考察目前存儲(chǔ)器、計(jì)數(shù)器的技術(shù)水平，選擇D/A轉(zhuǎn)換速率不小于要求輸出基帶最高頻率的四倍則。這里選取了AD9752。此芯片是美國(guó)AD公司生產(chǎn)的高性能DA器件。它是TxDACTM系列成員之一，其分辨率為12位，速率可達(dá)100MHz，它采用單一電源供電，范圍為2.7-5.5V。 AD9752采用先進(jìn)的COMS工藝。邊緣觸發(fā)鎖存和1.2V的帶補(bǔ)償?shù)膬?nèi)置參考電壓，提供了完整的單片DAC解決方案。AD9752是差分電流輸出，滿量程為20mA，輸出阻抗大于100kΩ。它的差分電流輸出，支持單端或差分應(yīng)用。電流輸出可直接與電阻連接提供兩個(gè)互補(bǔ)的單端電壓輸出，也可直接輸入變壓器，輸出電壓為1.25V。由于DA的時(shí)鐘是在上升沿鎖存數(shù)據(jù)，因此D/A數(shù)據(jù)的輸入要考慮到在同時(shí)鐘源下，會(huì)與下降沿鎖數(shù)據(jù)的器件存在一個(gè)脈沖的時(shí)延，因此在它的時(shí)鐘端加入了一個(gè)非門進(jìn)行時(shí)鐘的翻轉(zhuǎn)。DA輸出的信號(hào)須加以低通濾波器平滑信號(hào)，但由于所需信號(hào)為一個(gè)10.7M的帶通信號(hào)所以可以用一個(gè)帶通濾波器代替。

PLD使用的是MAX7128-15，在設(shè)計(jì)時(shí)使用了圖形化參數(shù)宏模塊（LPM）和硬件描述語言（AHDL）相結(jié)合的方法。PLD內(nèi)部框圖如圖（3）。其中外部數(shù)據(jù)總線用于連接單片機(jī)的地址和數(shù)據(jù)總線。由于系統(tǒng)共用一套總線所以總線控制主要是進(jìn)行總線的仲裁，使單片機(jī)不會(huì)與相位累加器產(chǎn)生總線上的碰撞。地址，數(shù)據(jù)總線用于連接RAM地址和數(shù)據(jù)總線，地址譯碼用于選擇各個(gè)RAM。

3．電路板設(shè)計(jì)

在電路板的設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)，如果使用一塊電路板則布線過長(zhǎng)且有較多的信號(hào)反射。而且系統(tǒng)時(shí)鐘走線很難達(dá)到一致。縱觀此系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，此系統(tǒng)電路單元重復(fù)較多。所以采用了板卡分離的設(shè)計(jì)方法，即把單片機(jī)和可編程器件作為系統(tǒng)主板如圖（4）左，而把DA和RAM作為一塊擴(kuò)展卡，每個(gè)擴(kuò)展卡上有兩路輸出信號(hào)，通過總線擴(kuò)展把他們連接起來。這樣就可使用不同的擴(kuò)展卡實(shí)現(xiàn)不同的系統(tǒng)功能，為系統(tǒng)更進(jìn)一步的開發(fā)提供了很寬的空間。此外這樣的設(shè)計(jì)也減小了系統(tǒng)的體積，提高了單元電路的利用率。

4．軟件設(shè)計(jì)

控制程序設(shè)計(jì)

在單片機(jī)上所需實(shí)現(xiàn)的主要是各種端口的控制，沒有較復(fù)雜的算法，因此只給出了程序的流程圖，其中包括中斷處理程序和上電復(fù)位初始化程序兩部分。在初始化的時(shí)候?qū)SB的初始化稍復(fù)雜，須進(jìn)行USB總線的枚舉，同步斷點(diǎn)使能，模式設(shè)置等。各流程如圖（5）

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用VB編寫，主要是完成數(shù)據(jù)的下載和波形的計(jì)算。對(duì)于數(shù)據(jù)的下載主要是對(duì)串口和USB的操作。在VB中有大量的控件可使用，使得各種操作變得簡(jiǎn)單。在下載程序中主要使用了Microsoft comm Control控件控制串行口的數(shù)據(jù)下載，這里得串口采用定時(shí)中斷的方式發(fā)送數(shù)據(jù)。這是因?yàn)樵趩纹瑱C(jī)端為了設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單沒有進(jìn)行數(shù)據(jù)的流控，因此數(shù)據(jù)可能會(huì)丟失。對(duì)于USB的操作VB需要調(diào)用Creatfile()，CreatFile()，WriteFile()，ClosseFile()等API函數(shù)。調(diào)用這些API需要進(jìn)行申明，但是它的申明與C中有所不同，具體參考了VB中所帶的“API文本瀏覽器”中的內(nèi)容。系統(tǒng)軟件除了負(fù)責(zé)下載還要負(fù)責(zé)進(jìn)行波形的數(shù)據(jù)計(jì)算，此系統(tǒng)主要是給智能天線測(cè)試用，所以設(shè)計(jì)的軟件只模擬天線陣列中8個(gè)天線接收的不同信號(hào)。它可以調(diào)整信號(hào)的數(shù)量，可以對(duì)每個(gè)信號(hào)進(jìn)行幅度和相位的調(diào)整，并且可以模擬理想狀態(tài)下的陣列輸出信號(hào)，這樣便可以與所要測(cè)試的系統(tǒng)進(jìn)行比較。圖（6）是軟件界面。圖中只顯示了兩路信號(hào)，圖（7）是用示波器顯示的與圖（6）相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸出波形。

5．結(jié)語

這個(gè)系統(tǒng)方便了通信設(shè)計(jì)人員對(duì)通信設(shè)備的設(shè)計(jì)和調(diào)試。同時(shí)該系統(tǒng)的靈活設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)又有較強(qiáng)的擴(kuò)展功能，更換板卡就可以使系統(tǒng)具有不同的功能。使得系統(tǒng)可以方便的用于其它設(shè)備設(shè)計(jì)的調(diào)試中。