多普勒聲學(xué)全向信標(biāo)信號(hào)源設(shè)計(jì)*

李暉宙 張 森 唐 波

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033)

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多普勒聲學(xué)全向信標(biāo)信號(hào)源設(shè)計(jì)*

李暉宙 張 森 唐 波

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033)

針對(duì)多普勒聲學(xué)全向信標(biāo)信號(hào)產(chǎn)生的需求,設(shè)計(jì)了一個(gè)多通道的非線性調(diào)頻信號(hào)源,產(chǎn)生多路同步非線性調(diào)頻。闡述了多普勒聲學(xué)全向信標(biāo)的原理,并以此提出信號(hào)源設(shè)計(jì)的需求。采用AD9954特有的RAM模式,產(chǎn)生了多路同步正弦調(diào)頻信號(hào)發(fā)生器,給出了部分硬件和軟件設(shè)計(jì)說(shuō)明。經(jīng)過(guò)湖上試驗(yàn)證明,所設(shè)計(jì)的信號(hào)源達(dá)到了系統(tǒng)要求,性能良好。

多普勒聲學(xué)全向信標(biāo); AD9954; 非線性調(diào)頻

Class Number TB56

1 引言

水下導(dǎo)航是使水下航行體或人員獲得自身的絕對(duì)坐標(biāo)或相對(duì)某一參考物的相對(duì)坐標(biāo)。水下導(dǎo)航一直是水下航行體研究中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

隨著海洋開(kāi)發(fā)和海洋科考的不斷深入,在很多場(chǎng)合都需要給各式各樣的水下航行體或人員提供其自身的導(dǎo)航信息,這對(duì)水下導(dǎo)航系統(tǒng)提出了越來(lái)越多的要求:低成本、使用和布放方便、任意數(shù)目用戶接入導(dǎo)航等。目前主要是通過(guò)多基線進(jìn)行水下導(dǎo)航,但多基線需要布放至少三個(gè)信標(biāo),成本高、回收布放復(fù)雜。

在這種情形下,基于單信標(biāo)的水下導(dǎo)航系統(tǒng)受到了越來(lái)越多的關(guān)注[1～4],其只需要一個(gè)信標(biāo)安放在母船或海底即可實(shí)現(xiàn)一個(gè)區(qū)域的導(dǎo)航。顯而易見(jiàn),基于單信標(biāo)的導(dǎo)航系統(tǒng)具有經(jīng)濟(jì)性好、使用方便的優(yōu)點(diǎn)。特別是在發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)的過(guò)程中,越來(lái)越多的海洋經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā),水中的傳感器、執(zhí)行器也越來(lái)越多,對(duì)水下導(dǎo)航系統(tǒng)的目標(biāo)承載能力、使用方便性要求也越來(lái)越高,這使得單信標(biāo)系統(tǒng)具有越來(lái)越廣泛的應(yīng)用前景。

本文借鑒無(wú)線電導(dǎo)航中的多普勒甚高頻全向信標(biāo)(DVOR)[5～6],提出一種新的單信標(biāo)水下導(dǎo)航系統(tǒng),我們稱之為多普勒聲學(xué)全向信標(biāo)(Doppler Acoustic Omnidirectional Beacon,DAOB),它能在一個(gè)區(qū)域內(nèi)為任意數(shù)目的用戶(包括水下航行體和作業(yè)人員)提供其方位信息。

由于多普勒聲學(xué)全向信標(biāo)需要產(chǎn)生多個(gè)非線性調(diào)頻信號(hào),本文主要研究多普勒聲學(xué)全向信標(biāo)的信號(hào)源設(shè)計(jì)問(wèn)題。

2 多普勒聲學(xué)全向信標(biāo)原理

設(shè)一個(gè)點(diǎn)源在一個(gè)圓周上,并以角速度ω順時(shí)鐘圍繞圓周圓心O作圓周運(yùn)動(dòng)。圖1為系統(tǒng)坐標(biāo)定義圖。

圖1 多普勒聲學(xué)全向信標(biāo)坐標(biāo)定義

圖中,r為旋轉(zhuǎn)圓周半徑,水下航行體的方位角為φ,發(fā)射點(diǎn)源的方位角為γ,水下航行體距離旋轉(zhuǎn)圓周圓心距離為R,設(shè)發(fā)射點(diǎn)源一直發(fā)射頻率為fv的單頻信號(hào),則從發(fā)射點(diǎn)源傳播到水下航行體產(chǎn)生的相位延遲為

(1)

其中,C為聲速。由于γ=ωt,則接收端接收的信號(hào)可表示為

(2)

此時(shí),信號(hào)的瞬時(shí)頻率為

(3)

可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)一個(gè)發(fā)射單頻信號(hào)的聲源作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí),會(huì)因?yàn)槎嗥绽招?yīng)形成一個(gè)調(diào)頻信號(hào),且其調(diào)制信號(hào)的初相與接收點(diǎn)的方位有關(guān)。這個(gè)調(diào)頻信號(hào)稱之為“可變相位信號(hào)”。在接收端,對(duì)這個(gè)信號(hào)進(jìn)行相位檢波,即可獲得一個(gè)調(diào)制頻率為旋轉(zhuǎn)頻率、初相為方位角的正弦調(diào)制信號(hào)。

此時(shí),再在圓周的圓心處放置另外一個(gè)發(fā)射點(diǎn)源,全向輻射另一個(gè)調(diào)頻信號(hào),這個(gè)調(diào)頻信號(hào)稱之為“參考相位信號(hào)”,其信號(hào)可表示為

(4)

其中fR為參考相位信號(hào)的載頻。參考相位信號(hào)調(diào)制信號(hào)的初相為0。

因此,接收端接收的信號(hào)可以表示為

s(t)=sS(t)+m·sR(t)

其中:

(5)

m為一常數(shù),表示兩者的幅度比值。在接收端,將可變相位信號(hào)和參考相位信號(hào)分別通過(guò)中心頻率為fv和fR的帶通濾波器,然后分別進(jìn)行相位檢波,測(cè)量?jī)蓚€(gè)調(diào)制信號(hào)的相位差即為接收單元所處的方位角。

因此,采用多普勒聲學(xué)全向信標(biāo),只需要一個(gè)信標(biāo)即可為任意數(shù)目的接收端提供其自身相對(duì)于參考點(diǎn)的方位信息,若增加測(cè)距設(shè)備,即可使接收端獲得其自身的相對(duì)位置。

可以看出,多普勒聲學(xué)全向信標(biāo)需要產(chǎn)生正弦調(diào)頻信號(hào),按照這種要求,本文采用AD9954實(shí)現(xiàn)正弦調(diào)頻信號(hào)生成。下面介紹多普勒聲學(xué)全向信標(biāo)試驗(yàn)系統(tǒng)中信號(hào)源的設(shè)計(jì)。

3 基于AD9954的信號(hào)源設(shè)計(jì)

DVOR中其圓心位置產(chǎn)生的是調(diào)幅信號(hào),圓周上的信號(hào)通過(guò)空間合成技術(shù),形成副載波信號(hào),在接收端首先進(jìn)行調(diào)幅解調(diào),提取參考相位信號(hào)和可變相位信號(hào),比較兩者相位獲得方位角。

3.1 信號(hào)設(shè)計(jì)要求

為了與DVOR信號(hào)形式比較性能,多普勒聲學(xué)全向信標(biāo)也需要產(chǎn)生三個(gè)信號(hào),一個(gè)位于圓心處,另外兩個(gè)位于一條直徑的兩端,圓心處發(fā)射參考相位信號(hào),位于直徑兩端的信號(hào)發(fā)射可變相位信號(hào)。參考相位信號(hào)一般為正弦調(diào)頻信號(hào)或調(diào)幅正弦調(diào)頻信號(hào)。直徑兩端的信號(hào)發(fā)射信號(hào)為不同頻率的單頻連續(xù)波,其由于圓周運(yùn)動(dòng)的多普勒而成為正弦調(diào)頻信號(hào)。當(dāng)參考相位信號(hào)為調(diào)幅正弦調(diào)頻信號(hào)時(shí),稱之為AM模式,當(dāng)參考相位信號(hào)為正弦調(diào)頻信號(hào)時(shí),稱之為FM模式。其各自的信號(hào)形式如下所示:

1) AM模式

在AM模式時(shí),由于信號(hào)在檢波時(shí)完成解調(diào)和頻譜搬移,因此,此時(shí)圓心處換能器和圓周上換能器頻率間隔可以縮小,圓心處發(fā)射信號(hào)形式為

sRs(t)=(1+mcos(2πFreft+2πFDsin2πfrt))cos2πf0t

-2πFDsin2πfrt)

(6)

式中,f0=60KHz,Fref=2KHz,fr=1Hz,FD=8Hz

圓心處發(fā)射信號(hào)由三個(gè)DDS產(chǎn)生,一個(gè)產(chǎn)生載波,一個(gè)產(chǎn)生上邊帶,另一個(gè)產(chǎn)生下邊帶信號(hào)。

圓周處發(fā)射信號(hào)形式為

sr(t)=Uomsin[2π(f0+Fvar)t]

(7)

sl(t)=Uomsin[2π(f0-Fvar)t]

(8)

其中,Fvar=400Hz。

2) FM模式

FM模式時(shí),直接對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行濾波接收,因此,參考相位信號(hào)和可變相位信號(hào)之間的頻率需要分得更寬一些。

圓心處換能器發(fā)射信號(hào)為

s(t)=Uomcos(2π(Freft+FDsin2πfrt))

(9)

其中,Fref=60KHz,FD=8Hz

圓周處換能器發(fā)射信號(hào)為

sr(t)=Uomsin[2π(f0+Fvar)t]

(10)

sl(t)=Uomsin[2π(f0-Fvar)t]

(11)

其中,f0=60KHz,Fvar=5KHz。

與以傳統(tǒng)的頻率合成技術(shù)為基礎(chǔ)的信號(hào)源相比,基于DDS技術(shù)的信號(hào)源具有極快的頻率轉(zhuǎn)換速度、極低的相位噪聲以及信號(hào)形式多樣等優(yōu)點(diǎn)。由于需要產(chǎn)生可變參數(shù)的正弦調(diào)頻信號(hào),本文采用AD9954作為信號(hào)發(fā)生模塊[7～8]。

3.2 AD9954信號(hào)發(fā)生模塊設(shè)計(jì)

AD9954是美國(guó)AD公司采用DDS技術(shù)開(kāi)發(fā)的高集成度DDS器件,可以與其它器件,如編碼器、串口器件等通信。它內(nèi)置高速、高性能D/A轉(zhuǎn)換器及超高速比較器,可用作數(shù)字編程控制的頻率合成器,能產(chǎn)生200MHz的模擬正弦波。AD9954內(nèi)含1024·32靜態(tài)RAM,利用該RAM可實(shí)現(xiàn)高速調(diào)制。它還可以提供自定義的線性掃頻操作模式,通過(guò)AD9954的I/O口輸入控制字可實(shí)現(xiàn)快速變頻且具有良好的頻率分辨率。

由于需要產(chǎn)生三個(gè)發(fā)射信號(hào),且其中一個(gè)通道還需要產(chǎn)生可調(diào)參數(shù)的調(diào)幅或調(diào)頻波。而AD9954可以通過(guò)設(shè)定RAM來(lái)產(chǎn)生任意非線性調(diào)頻信號(hào),包括正弦調(diào)頻信號(hào),但其沒(méi)有幅度控制的功能,即無(wú)法輸出可編程的調(diào)幅信號(hào)。由式(6)可以看出,要產(chǎn)生調(diào)幅信號(hào),可以通過(guò)三個(gè)信號(hào)同相疊加而成,因此可以通過(guò)三片AD9954產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的信號(hào),再增加一個(gè)加法器來(lái)將三者疊加于一起,形成所需的參考信號(hào)。上下邊帶信號(hào)則分別用一片AD9954即可完成。

本文采用“單片機(jī)+CPLD+AD9954”的結(jié)構(gòu)[9～10]來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需要的信號(hào)的產(chǎn)生。如圖2所示。

圖2 信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)框圖

從圖2中可以看出,上位機(jī)與單片機(jī)通信實(shí)現(xiàn)參數(shù)傳遞與數(shù)據(jù)讀取,單片機(jī)傳遞上位機(jī)的控制參數(shù)給CPLD,CPLD則將這些參數(shù)轉(zhuǎn)換成AD9954的控制碼,并將其寫入AD9954的控制寄存器,以產(chǎn)生多普勒聲學(xué)全向信標(biāo)工作所需要的信號(hào)。信號(hào)產(chǎn)生電路原理圖如圖3所示。

由式(6)～式(11)可以看出,不管是在AM模式還是在FM模式下,上下邊帶信號(hào)均為單頻信號(hào),對(duì)于單頻信號(hào)的產(chǎn)生與其他DDS相同,產(chǎn)生方法比較簡(jiǎn)單,本文不再贅述。然而對(duì)于參考信號(hào)來(lái)說(shuō),其調(diào)頻信號(hào)的形式均相對(duì)復(fù)雜,采用傳統(tǒng)的DDS線性掃頻模式已經(jīng)無(wú)法滿足要求,因此本文采取AD9954特有的RAM模式。AD9954提供了最大1024×32位的RAM段,用戶可以使用這些RAM段來(lái)產(chǎn)生任意所需要的頻率信號(hào)。本文通過(guò)單片機(jī)計(jì)算出聲學(xué)信標(biāo)旋轉(zhuǎn)一周所產(chǎn)生的信號(hào),然后對(duì)其等間隔1024點(diǎn)采樣,將得到這寫數(shù)據(jù)通過(guò)CPLD寫入相應(yīng)的DDS,使其產(chǎn)生聲學(xué)信標(biāo)工作所需要的復(fù)雜頻率形式的參考信號(hào)。

按照以上的討論,對(duì)AD9954的操作可分為7步。第1步配置控制功能寄存器1(CFR1),第2步配置相位偏移寄存器(POW0),第3步配置控制功能寄存器2(CFR2),第4步配置RAM段控制字0(RSCW0),第5步配置幅度比例因子寄存器(ASF),第6步通過(guò)循環(huán)計(jì)算1024個(gè)頻率控制字,并將其寫入RAM段,第7步更新寄存器。完成以上7步,AD9954就能產(chǎn)生我們所需要的任意復(fù)雜形式的波形。下面是配置的源代碼。

write_CFR1(0x82,0x00,0x60,0x00);//功能設(shè)定,使能RAM,使能同步時(shí)鐘輸出,使能手動(dòng)OSK,使能頻率累加器自動(dòng)清零,使能相位累加器自動(dòng)清零,選擇cos函數(shù)輸出

write_POW0(0X00,0X00);//設(shè)置初始相位為0

write_CFR2(0x00,0x00,0x50);//內(nèi)部PLL設(shè)定,時(shí)鐘為10MHz,10倍頻到100MHz

write_RSCW0(0x24,0xf4,0x1f,0x03,0x80);//RAM模式:連續(xù)循環(huán),使用整個(gè)RAM段800words,調(diào)制頻率0.5Hz

write_ASF(0x09,0x99);//設(shè)置輸出的幅度,0.15

RES_update();

write_Byte(0x0B);

for(m=0;m<1024;m++)//寫指令,RAM

f=f0+2*PI*Fr*fd*cos(2*PI*m/1024.0);

ftw=f*42.94967296;

d_ff=(long)ftw;

write_Byte((char)((d_ff&0xff000000)>>24));

write_Byte((char)((d_ff&0x00ff0000)>>16));

write_Byte((char)((d_ff&0x0000ff00)>>8));

write_Byte((char)(d_ff&0x000000ff));

RES_update();//更新寄存器

圖3 信號(hào)產(chǎn)生電路原理圖

4 結(jié)語(yǔ)

采用以上算法和實(shí)現(xiàn)方法設(shè)計(jì)的多普勒聲學(xué)全向信標(biāo)信號(hào)源,經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)驗(yàn)證,能夠滿足基于單信標(biāo)的水下導(dǎo)航系統(tǒng)的要求。而且基于AD9954的信號(hào)源實(shí)現(xiàn)方法,簡(jiǎn)單易用,頻率準(zhǔn)確性高,參數(shù)改變方便,易擴(kuò)展,功耗低,是一種理想的復(fù)雜信號(hào)源設(shè)計(jì)方法。

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Design of Signal Generation System for Doppler Acoustic Omni-directional Beacon

LI Huizhou ZHANG Sen TANG Bo

(Electronic College of Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan 430033)

With the requirement of doppler acoustic omni-directional beacon(DAOB),a multi-path non-linear frequency modulation (FM) signal generation system is designed to generate several synchronous FM signals.The principle of DAOB and the requirement of signal generation are presented.Using the RAM mode of AD9954,several synchronous sine signals are generated.The part of hardware and software of the circuit is presented.The performance of the designed generation system is verified by the lake trial.

doppler acoustic omni-directional beacon,AD9954,non-linear frequency modulation

2014年8月11日,

2014年9月28日

李暉宙,男,碩士,講師,研究方向:電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)與自動(dòng)控制理論。張森,男,博士,副研究員,研究方向:水聲工程。唐波,男,博士,講師,研究方向:電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

TB56

10.3969/j.issn1672-9730.2015.02.037