基于DDS技术的PAADCP接收机信号仿真系统设计

王科明

（第七一五研究所，杭州，310023）

基于DDS技术的PAADCP接收机信号仿真系统设计

王科明

（第七一五研究所，杭州，310023）

介绍相控阵声学多普勒海流剖面仪(PAADCP)接收机信号仿真系统的设计，并结合其水下换能器接收的声回波信号特性，使用直接数字频率综合器技术，改变传统的实验室试验方法，利用仿真系统对声回波信号进行模拟，在实验室环境下对信号处理机部分进行调试和功能性验证，降低了PAADCP系列化产品研制成本，加快了研制速度。

PAADCP；DDS；接收机；仿真系统

相控阵声学多普勒海流剖面仪(PAADCP)是利用多普勒原理测量海流剖面的仪器，被国际海委会定为四种先进的海洋观测仪器之一[1]。PAADCP系统研制过程中需要在实验室对系统的整机算法和性能进行验证，现阶段的做法是采用对接阵的方法进行试验。由于换能器阵尺寸及对接阵研制成本等因素的限制，对接阵方法只能在高频段的PAADCP中使用，并且整个设备成本较高；对于低频段PAADCP设备，由于换能器尺寸较大，很难采用这种方法。PAADCP接收信号仿真系统能够在信号处理机研制阶段参与联调试验，并且突破低频段PAADCP频率低的限制，对不同的设备频率和相位进行快速调整，极大地缩短设备的研制时间，验证信号处理算法。与此同时，该设备体积较小，研制成本较低，适合在各个型号的PAADCP研发中普遍使用，具有较大的实际应用价值。

1 DDS技术简介[2]

DDS（Direct Digital Synthesizer，直接数字式频率综合器），其实是一种分频器：通过编程控制字来分频系统时钟（System Clock）以产生所需要的频率。DDS有两个突出的特点，一方面，DDS工作在数字域，一旦更新频率控制字，输出的频率就相应改变，其跳频速率高；另一方面，由于频率控制字和相位控制字宽度宽，频率分辨率和相位分辨率高。DDS的内部主要由3部分组成：相位累加器（Phase Accumulator），相位幅度转换（Amplitude/Sine converter Algorithm），数模转换器（D/A converter）。

ADI公司推出多款DDS芯片，例如AD985X系列（高性能）、AD983X（低功耗）和AD995X系列（低功耗，高性能）等，文中使用的是AD983X系列中的AD9834。AD9834具有28位的频率控制字，在外部输入时钟源为75 MHz情况下，输出的正弦信号频率控制精度为0.28 Hz。如果外部输入时钟源为1 MHz，输出的正弦信号频率控制精度将达到0.004 Hz，相位控制精度达到2π/4096。该芯片提供3线制单片机串行接口电路，接口电路的最高时钟频率能够达到40 MHz，方便外部控制器对其进行快捷控制。

2 系统设计及控制

2.1 系统硬件设计

仿真系统需通过串口接收来自上位机的控制命令信息，并且解析控制命令，控制DDS芯片独立产生4路不同的正弦信号，并且该4路信号的频率和相位由控制命令控制。该系统采用单片机STC12C5204AD为控制器，接收计算机发送的控制命令，并控制4路AD9834芯片，写入频率和相位控制字信息，同时控制外部使用源的起始工作时间，保证4路AD9834芯片接收到同步的时钟信号，并产生各自内部寄存器参数的正弦信号。上位机发送的控制命令如发生变化，4路信号的相应参数也将改变。系统内部结构框图如图1所示。单路DDS控制电路图如图2所示。

图1 系统内部结构框图

图2 单路AD9834控制电路图

本系统中采用50 MHz时钟源，由于系统时钟较高，DDS芯片中的数模转换芯片的转换率很高，其产生的4路正弦信号将分别输入PAADCP信号处理机的模数采集通道，信号处理机将采集的数据进行运算，得出仿真信号所蕴含海流的流速信息。

2.2 控制软件设计

上位机控制软件主要包括端口参数设置、波形选择、频率参数设置和相位参数设置。端口设置用于上位机与系统之间连接的串口参数设置，包括波特率、起始位、停止位及校验位等；波形选择用于选择系统将要产生的波形信息，现阶段只可选两种波形：正弦波和三角波；频率参数设置用于对每一路的波形频率进行设置；相位参数设置，是以第一路的相位为0相位，分别设置其他三路的相位参数。上位机软件基于VC平台开发，其运行界面如图3所示。

图3 基于VC平台的上位机控制软件界面

单片机接收到来自上位机串口发送的参数设置信息，并对这些参数进行解析，然后分别对4片DDS芯片进行频率相位参数设置，并启动芯片，最终控制时钟信号输入。为了尽量减小4路信号的相位误差，在芯片的设置过程中将输入时钟信号进行屏蔽，DDS芯片的输出信号相位保持设置的相位参数。单片机控制软件流程图如图4所示。

图4 单片机控制软件流程图

2.3 实验室仿真试验

该仿真系统与PAADCP系统的信号处理机采集端进行连接，系统产生的4路信号按照相位的增加顺序分别接入相控接收机的水平方向（垂直方向亦可）接收通道，并将计算机的串口与该系统的通信口连接。对仿真系统和PAADCP系统供电使其正常工作，并控制上位机软件设置参数，观察PAADCP输出的仿真流速剖面图。以下为三次试验的设置参数和PAADCP输出的流速剖面信息，系统显控软件中流速和回波能量信息如图5所示，该PAADCP系统是25 kHz的内波探测系统中的测流单元。

试验一 上位机参数设置：正弦波

波形一：f=25.000 kHz/φ=0°

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波形二：f=25.000 kHz/φ=90°

波形三：f=25.000 kHz/φ=180°

波形四：f=25.000 kHz/φ=270°

流速理论计算值为0 mm/s。试验测得流速均值为2.1 mm/s，均方差值为15.2。图5中波束2和波束4为水平方向波束。

图5 试验一PAADCP上位机控制软件界面

试验二 上位机参数设置：正弦波

波形一：f=25.030 kHz/φ=0°

波形二：f=25.030 kHz/φ=90°

波形三：f=25.030 kHz/φ=180°

波形四：f=25.030 kHz/φ=270°

流速理论计算值为1200 mm/s。试验测得流速均值为1217 mm/s，均方差值为14.1。

试验三 上位机参数设置：正弦波

波形一：f=24.970 kHz/φ=0°

波形二：f=24.970 kHz/φ=90°

波形三：f=24.970 kHz/φ=180°

波形四：f=24.970 kHz/φ=270°

流速理论计算值为−1 200 mm/s。试验测得流速均值为−1 221 mm/s，均方差值为14.8。

在试验过程中该系统是直接与信号处理机的AD采集模块对接，由于中间没有接入低噪声前置放大和带通滤波器等信号调理电路，高频噪声的串扰严重地影响了4路信号相位信息，导致了PAADCP系统解算得到流速均值和均方根值较大偏差。但对于PAADCP系统信号处理机的实验室调试和功能性验证这一功能定位，该仿真系统完全能够满足设计要求。

3 结论

该仿真系统能够较好地模拟水下相控阵换能器各个波束接收到并进行放大后的声回波信号，并且在各个频率点和各个角度波束角进行仿真，快速便捷地对PAADCP的信号处理机进行实验室调试和功能性验证，对PAADCP系统进行外场试验提供可靠的保证。信号仿真系统的研制对PAADCP系统的研制开发，尤其是低频段的PAADCP设备的研制，具有较大的现实促进意义。

[1]苏妍.相控阵多普勒流速仪换能器基阵设计[J].声学技术,2011,31(4):112-114.

[2]段亚军.基于DDS芯片AD7008的信号发生器的设计与实现[J].陕西科技大学学报,2005,23(3):53-58.