(1.吉林省經(jīng)濟(jì)管理干部學(xué)院,長(zhǎng)春 130021;2.長(zhǎng)春理工大學(xué),長(zhǎng)春 130022)
隨著汽車(chē)數(shù)量的快速增加,交通事故頻繁發(fā)生,由此導(dǎo)致的生命財(cái)產(chǎn)損失數(shù)目驚人,所以,世界各國(guó)的汽車(chē)制造商、大學(xué)和科研院所先后投入大量的人力、物力、財(cái)力研制汽車(chē)防撞系統(tǒng)。但防撞雷達(dá)系統(tǒng)中掃頻源的參數(shù)直接影響到雷達(dá)的可靠性和測(cè)距的性能,因而高穩(wěn)定度的掃頻源也成為整個(gè)汽車(chē)防撞雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要部分。
實(shí)現(xiàn)掃頻源的方法通常有兩種[1],一種是混頻的方法,另一種是直接數(shù)字頻率合成(DDS)的方法。前者混頻后的高次諧波直接影響掃頻源質(zhì)量,如果沒(méi)有窄帶濾波器,高次諧波將引起通信帶寬內(nèi)的噪聲基底提升,使信噪比下降,降低了通信的距離,增加了通信的誤碼率,目前國(guó)內(nèi)外大多數(shù)汽車(chē)防撞雷達(dá)都采用這種混頻方法。DDS技術(shù)主要解決了高次諧波的問(wèn)題,但雜散問(wèn)題也是DDS技術(shù)不可避免的。AD公司新推出的AD9910芯片,解決了之前DDS芯片雜散高的問(wèn)題[2]。本文主要設(shè)計(jì)了以AD9910為主芯片,以DSP(TMS320LF2407[3])作為控制芯片的汽車(chē)防撞雷達(dá)掃頻源,利用AD9910輸出的低雜散差分信號(hào),后接低通聲表濾波器或帶通濾波器,濾除無(wú)關(guān)頻率分量,從而得到某一頻率上單一穩(wěn)定的信號(hào)。
(1)AD9910介紹
AD9910集成了14位的D/A[4],采樣頻率最大可達(dá)1 Gsample/s,最小頻率步長(zhǎng)約為0.23 Hz,同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)快速的輸出信號(hào)變化。輸出信號(hào)的頻率、相位和幅度可以同時(shí)改變,AD9910通過(guò)串行I/O口控制其內(nèi)部的控制寄存器,利用這些寄存器可以完成快速跳頻、掃頻等實(shí)際工程的需要。它的輸出信號(hào)參數(shù)通過(guò)改變相應(yīng)的寄存器來(lái)完成,相應(yīng)用法見(jiàn)軟件設(shè)計(jì)部分。
AD9910支持只通過(guò)SDIO引腳進(jìn)行讀/寫(xiě)的二線(xiàn)模式和通過(guò)SDIO/SDO進(jìn)行讀/寫(xiě)的三線(xiàn)模式,兩種模式都需要CS和I/O-RESET配合使用。它的控制信號(hào)來(lái)自于DSP,它的串口和DSP的SPI總線(xiàn)相連,由DSP控制AD9910的寄存器,進(jìn)而控制輸出信號(hào)的頻率、相位和幅度。
(2)電源部分設(shè)計(jì)
AD9910芯片需要兩個(gè)電源,分別為+1.8 V和+3.3 V。芯片的+3.3 V電源引腳直接接到DSP的+3.3 V電源上,而+1.8 V電源引腳則需要單獨(dú)引入。基于以上情況,本設(shè)計(jì)采用+5 V電源輸入,需要的+3.3 V和+1.8 V電源分別通過(guò)LM117和LM1764-1.8兩個(gè)電源轉(zhuǎn)化模塊得到,并且兩個(gè)模塊最大輸出電流分別為500 mA和2 A,電源容量滿(mǎn)足要求。
不粘鍋只是在鋁鍋、鐵鍋、不銹鋼鍋基礎(chǔ)上加了一層不粘涂料,短期內(nèi)可不生銹、不易粘鍋、少油煙,清潔方便、導(dǎo)熱均勻,但通常涂層會(huì)隨著使用而消耗。
(3)串口規(guī)定
DSP的SPI總線(xiàn)的最快速率為10 Mbit/s(參考時(shí)鐘為40 MHz),完全可以滿(mǎn)足DDS串口數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆F渲蠸CLK接到DSP的IOPC4,SDIO接到DSP的IOPC2,CS接到IOPC5,I/O-RESET接IOPC0,I/O-UPDATE接IOPC1。DDS參考時(shí)鐘由恒溫晶振OCXO提供。輸出的差分信號(hào)通過(guò)耦合線(xiàn)圈合成一路信號(hào)后,再經(jīng)過(guò)巴特沃茲濾波器去除一次高頻分量[5],這樣可以得到純凈的有用信號(hào),如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)硬件框圖Fig.1 System hardware block diagram
(4)倍頻部分
DDS輸出信號(hào)頻率只有幾百兆赫,而高頻通信所用的頻率源大多為幾吉到幾十吉赫,這樣需要倍頻。本設(shè)計(jì)采用的倍頻系統(tǒng)是先二倍頻、再三倍頻、又二倍頻的形式,每次倍頻后使用窄帶濾波器進(jìn)行濾波,再進(jìn)行下一次倍頻。
理論上,只要濾波器帶寬足夠窄,便可以得到倍頻后信號(hào)的任何高次諧波[6]。本設(shè)計(jì)就是采用這一點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的,即在盡可能少的倍頻次數(shù)下得到高頻率的有用信號(hào)。如第一次二倍頻后,選取輸出信號(hào)中4次或6次諧波作為下一級(jí)倍頻的輸入信號(hào),這樣就可以減少一次倍頻過(guò)程。
在電路設(shè)計(jì)過(guò)程中,由于系統(tǒng)使用了+5 V、+3.3 V等多種數(shù)字電源和模擬電源,并且外加參考頻率的輸入線(xiàn)、輸出信號(hào)的微帶線(xiàn)和控制信號(hào)線(xiàn)同時(shí)存在于系統(tǒng)內(nèi)部,因此在設(shè)計(jì)PCB電路板時(shí)為避免信號(hào)線(xiàn)間相互干擾,電源輸入端通過(guò)電感和濾波電容進(jìn)行濾波,數(shù)字地和模擬地通過(guò)電感耦合。
線(xiàn)性?huà)哳l源輸出頻率變化的時(shí)間差是一個(gè)十分重要的參數(shù),以往的汽車(chē)防撞雷達(dá)中這部分大多數(shù)都達(dá)到了微秒數(shù)量級(jí),與利用TMS320VC5416實(shí)現(xiàn)的防撞雷達(dá)系統(tǒng)[7]或利用AD9958實(shí)現(xiàn)的防撞雷達(dá)系統(tǒng)[8]相比,由于采用了AD9910芯片,本設(shè)計(jì)的頻率變化可以在納秒數(shù)量級(jí)內(nèi)完成,這樣就增加了在等速度條件下防撞雷達(dá)的預(yù)警時(shí)間,保證了防撞效果,大大提高了行車(chē)的安全性。
本信號(hào)源軟件設(shè)計(jì)部分主要就是對(duì)AD9910初始化的控制,把相應(yīng)的控制字寫(xiě)入到寄存器內(nèi),如果需要改變頻點(diǎn)、相位等參數(shù),可以重新寫(xiě)控制字即可。
(1)串口初始化
本設(shè)計(jì)所使用的串口模式為二線(xiàn)模式,SDIO、SCLK和片選信號(hào)之間的時(shí)序如圖2所示。數(shù)據(jù)在時(shí)鐘上升沿有效,串口傳輸指令格式為先發(fā)送指令字節(jié),再發(fā)送數(shù)據(jù)。
圖2 串口時(shí)序圖Fig.2 Serial interface sequential diagram
圖2中,指令字節(jié)的格式如表1所示。
表1 指令字節(jié)Table 1 Instruction byte
表1中,R/W為讀/寫(xiě)控制位,1為讀,0為寫(xiě),X為無(wú)效位。
A4~A0寄存器控制位,不同的數(shù)字組合代表對(duì)不同的寄存器進(jìn)行讀/寫(xiě)操作。在一幀數(shù)據(jù)中控制器先發(fā)送指令字節(jié)(高位在前,低位在后),第二個(gè)字節(jié)后為數(shù)據(jù)部分,根據(jù)寫(xiě)入寄存器的不同,數(shù)據(jù)字節(jié)長(zhǎng)度也不同。
DSP的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)是CCS(Code Composer Studio),它支持C/C++語(yǔ)言,它初始化SPI總線(xiàn)程序如下:
int spiinitial()
{*SPICCR=0X0047;*SPICTL=0X0006;*SPIBRR=0X27;*SPICCR=*SPICCR|0X0080;}
寫(xiě)寄存器程序如下:
int spitrans(data)
{int f;*SPITXBUF=data;
while(1)
{f=*SPISTS&0X40;if(f==0x40) break;}
*SPIRXBUF=*SPIRXBUF;*PCDATDIR=(*PCDATDIR|0X0FF00)&0X0FF00;delay();}
(2)寄存器控制
由于DSP串口用8位數(shù)據(jù)傳輸,所以程序中spitrans()函數(shù)中數(shù)據(jù)為高8位有效,低8位補(bǔ)0,如spitrans(0xXX00);delay();…},其中XX代表8位16進(jìn)制數(shù)據(jù)。
測(cè)試所采用的是頻譜分析議Aglient E4447A,DDS輸出信號(hào)頻譜如圖3所示,信號(hào)輸出幅度為-8 dBm,并可調(diào)整其大小,考慮到所接信號(hào)線(xiàn)和接頭上的損耗,實(shí)際輸出信號(hào)幅度應(yīng)大于-8 dBm。從圖中可以看出,經(jīng)過(guò)低通濾波后的DDS輸出信號(hào)的相噪已達(dá)-70 dBc/Hz@1 kHz,雜散已被濾除。
圖3 AD9910輸出信號(hào)Fig.3 The output signal of AD9910
圖4 倍頻后X頻段信號(hào)Fig.4 X-band signal after frequency multiplication
倍頻后頻譜如圖4所示。從圖中可以看出,倍頻后信號(hào)(X頻段)的相噪為-70 dBc/Hz@1 kHz左右。由于倍頻器有插入損耗,所以信號(hào)在高頻段幅度下降到-16 dBm。在設(shè)計(jì)中,DDS參考時(shí)鐘采用的是參數(shù)(頻率穩(wěn)定度、相噪)足夠好的恒溫晶振,所以,AD9910輸出的射頻信號(hào)就可以達(dá)到很高的精確度和較低的相位噪聲。依靠 AD9910輸出的多種多樣的調(diào)制信號(hào)模式[9],信號(hào)源不但能輸出一定頻率的正弦波,還能產(chǎn)生各種各樣的調(diào)制信號(hào),包括 AM、FM、ASK、FSK等信號(hào)模式,并且控制非常靈活。
上述分析和試驗(yàn)結(jié)果表明,本設(shè)計(jì)所提供的信號(hào)在幅度、相噪和穩(wěn)定度完全滿(mǎn)足整個(gè)汽車(chē)防撞雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)這掃頻源信號(hào)的要求。在實(shí)際的測(cè)試和多目標(biāo)識(shí)別過(guò)程中,采用本設(shè)計(jì)的信號(hào)源作為本振(LO)或基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制、解調(diào)也完全達(dá)到了要求。利用AD9910實(shí)現(xiàn)的掃頻源具有誤碼率低的優(yōu)點(diǎn),并且在-40℃環(huán)境下仍可正常工作,在溫度和可靠性上都有明顯的提高。在設(shè)計(jì)PCB電路板時(shí)為避免電磁干擾,信號(hào)線(xiàn)與電源線(xiàn)間通過(guò)通孔隔離,去除了集膚效應(yīng)。
由于AD9910芯片功耗較大,為保證長(zhǎng)期可靠工作,在實(shí)際使用過(guò)程中,在芯片表面加一個(gè)散熱片效果會(huì)更好。另外,在后續(xù)研發(fā)中為了增加毫米波汽車(chē)防撞雷達(dá)系統(tǒng)的預(yù)警距離,可以在掃頻源信號(hào)接到射頻前端前再加入一級(jí)或二級(jí)放大電路,放大信號(hào)的功率。
參考文獻(xiàn):
[1] 姜田華. 實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字頻率合成器的三種技術(shù)方案[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用,2004(3):1-3.
JIANG Tian-hua. The Three Methods of Design of Direct Digital Frequency Synthesis [J].Application of Electronic Technique, 2004(3):1-3.(in Chinese)
[2] 馬令坤,張震強(qiáng),黨宏社. DDS頻率合成器雜散的分析與仿真[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī),2007,24(7): 132-134.
MA Ling-kun, ZHANG Zhen-qiang, DANG Hong-she. The Analysis and Simulation of DDS Frequency Synthesizer Spuriousness[J]. Microelectronics & Computer,2007,24(7):132-134. (in Chinese)
[3] 劉和平.TMS320LF240x DSP C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003.
LIU He-ping. TMS320LF240x DSP C Language Development and Application [M]. Beijing: Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press,2003. (in Chinese)
[4] 1GSPS參考3.3V直接頻率合成器[Z].MA,USA:Analog Devices,Inc.,2008.
1GSPS 3.3V CMOS Direct Digital Synthesizer[Z].MA,USA:Analog Devices,Inc.,2008.(in Chinese)
[5] 王治國(guó),李熹,郭德淳,等.超寬帶汽車(chē)防撞雷達(dá)的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代雷達(dá),2007(4):20-23.
WANG Zhi-guo, LI Xi, GUO De-chun, et al. Design of Ultra Wide-band Automobile Anti-collision Radar[J]. Modern Radar,2007(4):20-23. (in Chinese)
[6] 梁品,陳照章,于敬泉.基于DSP的汽車(chē)防撞雷達(dá)及其信號(hào)處理[J].微電子學(xué),2007(5):628-635.
LIANG Pin, CHEN Zhao-zhang, YU Jing-quan. Design of Anti-collision Radar for Automobiles Based on DSP and Its Signal Processing[J]. Microelectronics, 2007(5):628-635. (in Chinese)
[7] 黃艷國(guó),肖定華,許倫輝.基于DSP的毫米波汽車(chē)防撞雷達(dá)系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2008,24(9):111-113.
HUANG Yan-guo, XIAO Ding-hua, XU Lun-hui. A Millimeter Wave Automotive Anti-collision Radar System Based on DSP[J]. Microcomputer Information, 2008,24(9):111-113. (in Chinese)
[8] 趙云娣,楊小獻(xiàn). 基于AD9958的雙通道直接頻率合成器的設(shè)計(jì)[J].無(wú)線(xiàn)電工程,2006,36(3):45-50.
ZHAO Yun-di, YANG Xiao-xian. Design of Dual-channel Direct Frequency Synthesizer Based on DDS Chip AD9958[J]. Radio Engineering of China, 2006,36(3):45-50. (in Chinese)
[9] 馬媛.X、Ku、Ka頻段微帶倍頻器研制[D].成都:電子科技大學(xué),2007.
MA Yuan. X、Ku、Ka Development of Micro-strip Band Frequency Multiplier[D]. Chengdu:University of Electromic Science and Technology of China,2007.(in Chinese)