1、 分类号 密 级 U D C 编 号 1 0 4 8 6 武 汉 大 学 硕 士 学 位 论 文 基于 DSP 和 AD9857 的 数字上变频设计 研 究 生 姓 名 ： 指导教师姓名、职称： 学科、专业名称 ：无 线 电 物 理 研究方向 ：现 代 电 路 设 计 二零零八 年五月 The Design of Digital Frequency Upconvert based Digital Signal Processor BY Zhang Ying 郑 重 声 明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权行为，本人愿意承担
2、由 此而产生的法律责任和法律后果，特此郑重声明 。 学位论文作者（签名）： 年 月 日 I 摘 要 近三十年发展起来的高频地波雷达，是一种可以连续监测大面积海域的海洋遥感设备，能探测到海洋表面风、浪、流等基础要素的信息，以及海面上低速移动的舰船、低空飞行的飞机等硬目标，具有覆盖范围大，探测精度高， 运行费用低廉，实时性好，不受天气及海洋气象条件影响等突出特点，在海洋开发和利用方面具有广阔的应用前景。 目前所知的高频地波雷达系统，均是为特定的探测距离，按一定的分辨率而设计，这样的雷达系统缺乏灵活性，无法满足实际应用的需要。不论是遥感海洋表面状态参数，还是探测海上硬目标，迫切需要在不变更硬件系统的
3、条件下，高频雷达技术指标和参数可灵活设置。基于软件无线电思想的高频雷达通用硬件平台，其开放性、数字化、标准化和可编程的特性，为未来高频地波雷达的发展提供了可能。 数字信号处理技术和数字上 /下变频技术是构建高频雷达 通用硬件平台的关键技术。利用数字信号的可编程性， 产生参数可以灵活设置的雷达基带信号，使雷达通用平台既能用于探测不同距离的海域，又能提供不同的分辨力，获得不同的目标探测精度。本文设计了 DSP 控制数字上变频器（ DUC）进行数字上变频的方案。由于目前 DSP 器件规模和速度的限制，利用 DSP 芯片对 基带信号 直接进行数字上变频 至 中频信号还比较困难，因此采用了 DSP 和
4、DUC 两次上变频的方法完成。由 DSP 芯片 TMS320VC5409 产生低频基带信号，内插提高数据率，并控制正交数字上变频器 AD9857 在数字域完成二次内插、正交 调制、 D/A 变换等，输出调制后的模拟信号，完成雷达发射通道的数字上变频和数模转换的功能。论文给出了硬件电路设计和软件仿真的结果证明。 另外，本文对线性调频中断连续波（ FMICW）的波形参数设计和性能做了一些研究，按照雷达系统指标要求给出了波形参数的设计过程和具体参数值。 关键词： 数字上变频， DSP， AD9857，高频地波雷达 II ABSTRACT The High Frequency Surface Wave
5、 Radar (HFSWR) is a new tool developed within the past three decades in the field of remote sensing of ocean surface dynamics parameter， such as currents, wind and wave etc. It also can be used to detect the “hard targets”, such as slowly moving vessels, low flying aircrafts. Compared with other det
6、ecting methods, It providers broad detection coverage, real-time result output, the high detecting precision, and the cheap operating costs but not subjects to bad weather or sea state. As a result, it promises a bright future in exploring and developing the ocean. As we know, most HFSWR systems, wh
7、ich are dedicated to given detection range, or specific resolution are lack of flexibility and cannot satisfy the actual usage. Considering detecting both the ocean surface states parameters and low speed moving targets in different range of the ocean areas, it is urgent for us to build a kind of HF
8、SWR which functions can be reconfigured neatly, without changing its hardware system. A hardware-platform on the frame of Software Defined Radio (SDR), with its open, digital, standardized and programmable features, makes it possible for the next generation HFSWR. The DSP, Digital Up Converter (DUC)
9、 and Digital Down Converter (DDC) are key technology of the hardware-platform. It produces flexible base band signal which can provide different diction range and resolution. In this paper, a method is designed based on the programmable digital up converter AD9857 under the command of DSP. Because o
10、f scale and speed restrictions of current DSP devices, it is difficult to directly conduct up frequency conversion at the intermediate frequency (IF) by DSP devices. Here, we adopt a way of digital up frequency conversion twice with DSP and orthogonal DUC AD9857. The DSP produces base band signal at
11、 relative low frequency, and make interpolation to improve data rate. After that, the data flows to AD9857, and AD9857 implements secondary interpolation, quadrature modulation, D/A transformation controlled by DSP. Finally the DUC system outputs analog IF signal. The scheme has simple structure wit
12、h flexible control and can well satisfy the requirement of SDR. The paper also makes an investigation about FMICW on its parameter design and performance, and lays out the whole process and result. Key words: DUC， DSP， AD9857, HFSWR III 目 录 摘 要 . I ABSTRACT . II 第一章 绪论 . 1 1.1 高频地波雷达 . 1 1.2 基于软件无线电
13、的雷达通用平台 . 2 1.2.1 软件无线电概述 . 2 1.2.2 雷达通用硬件平台 . 3 1.3 本文各章内容安排 . 5 第二章 数字上变频相关理论 . 7 2.1 多速率信号处理理论 . 8 2.1.1 整数倍内插 . 8 2.1.2 整数倍抽取 . 9 2.1.3 采样率分数倍变换 .11 2.2 高效数字滤波理论 . 12 2.2.1 半带滤波器（ HB） . 12 2.2.2 积分梳状滤波器 (CIC). 13 2.3 数字混频正交变换理论 . 15 第三章 线性调频中断连续波体制分析 . 17 3.1 调频中断连续波工作原理 . 17 3.1.1 FMICW 信号波形 .
14、17 3.1.2 距离信息的提取 . 19 3.1.3 速度信息的提取 . 20 3.2 调频中断连续波体制性能分析 . 22 3.3 雷达基本参数设计 . 25 第四章 硬件电路设计 . 27 4.1 上变频系统总体规划 . 27 4.2 芯片选型 . 27 4.2.1 数字信号处理器 TMS320VC5409 . 28 4.2.2 数字上变频器 AD9857 . 32 4.2.3 片外 RAM、 ROM 及接口电路 . 33 4.3 硬件电路模块设计 . 35 4.3.1 电源模块设计 . 35 4.3.2 C5409 片外存储器配置 . 36 IV 4.3.3 C5409 与 AD985
15、7 接口分析 . 36 4.4 印制电路板（ PCB）设计 . 39 第五章 系统软件设计 . 43 5.1 DSP 集 成开发环境 CCS . 43 5.2 AD9857 参数设计 . 44 5.3 软件设计与仿真 . 45 5.3.1 系统软件设计 . 45 5.3.2 算法有效性验证 . 47 第六章 总结与展望 . 51 参考文献 . 52 致 谢 . 55 1 第一章 绪论 海洋是人类赖以生存和发展的重要环境，是地球表面尚未得到充分利用的巨大资源宝库，尤其是在人类社会面临人口膨胀、资源匮乏、环境污染等一系列重大难题的今天，海洋的充分开发利用是人类社会面临的重大任务和研究课题。海上的任
16、何活动，无论是海洋开发与研究，还是海洋环境监测、灾害预报和保卫领海主权，都依赖于对风、浪、流、潮等海 洋环境要素基础数据、变化规律的掌握和预测预报。因此迫切需要先进的海洋环境监测设备和技术，对海洋环境实现全方位、多手段的立体监测，及时准确地掌握海洋自身运动变化的规律。 1.1 高频地波雷达 国际上近三十年发展起来的高频地波雷达是一种可以连续监测大面积海域的遥感设备，可以探测到波浪的定向分布、流速流向、风速风向等海洋表面动力学基础要素的信息，以及海面上低速移动的舰船、低空飞行的飞机等硬目标。高频地波雷达用于海洋环境监测具有明显的优势：覆盖范围大，探测精度高，运行费用低廉，实时性好，不受天气及海洋
17、气象条件影 响，可全天候工作，并能探测到视距以外的海域，是现有海洋遥感设备不可替代的关键技术 1,2,3。 武汉大学于 1986 年开始用高频无线电波探测海洋表面状态参数的研究，并于 1993年利用自行研制的海态监测分析雷达 OSMAR(Ocean State Measuring and Analyzing Radar)在广西北海圆满完成现场实验 1，随后于 2000 年成功研制了两部探测风、浪、流及海上低速移动目标的中远程高频地波雷达 OSMAR2000。整体性能指标达到国外 90年代中期先进水平 4。 2001 2003 年，结 合当前最新集成电路技术和新兴的软件无线电技术，对 OSMAR
18、2000 的接收系统进行了升级，取名 OSMAR2003，新的雷达系统集成度更高，灵活性更强，可操作性更好。 设计雷达系统的传统方法是根据探测目标的性质，采用基于硬件、面向用途的设计方法，设计出的雷达系统往往功能比较单一、灵活性差，无法适应在不同的环境下对不同属性的目标进行智能化跟踪探测的需要，若探测任务变更，原有的设备就可能无法胜任，需要更换整套设备。不仅雷达研制单位需要付出许多重复性劳动，雷达用户也增加了额外的购买成本，给使用和维护雷达也带来极大的不 便。若能研制出同时兼顾近程、中程和远程的高频地波雷达通用平台，利用软件重新配置雷达工作参数来完成不同海域的探测任务，就能实现一机多用，真正体
19、现出高频地波雷达在海洋遥感、目标探测等方面廉价高效的优势。 2 1.2 基于软件无线电的雷达通用平台 软件无线电是在 20 世纪 90 年代初期提出来的一种新的无线通信系统体系结构。它的基本思想是以开放的、可扩展的、结构简单的硬件为通用平台，把尽可能多的通信功能用可升级、可替换的软件来实现。 如果能把软件无线电的设计思想应用于雷达的设计研制，也就是实现软件化雷达，那么就能比 较圆满的解决目前雷达设计中所存在的问题。在无须更换硬件设备的情况下就可以探测不同的海域，或执行同一海域的不同探测任务。 1.2.1 软件无线电概述 众所周知，由于无线通信设备简单、便于携带、易于操作、架设方便等特点，在现代
20、通信中的起着举足轻重的作用，广泛的应用也使得无线通信系统的种类越来越多，越来越复杂。不同的无线通信系统由于自身的特点而应用于不同的场合：短波电台适合远距离传输，发射功率不大，其 “中继系统 ”-电离层不会被摧毁；卫星通信能传播高质量的信息，提供很宽的频带；微波通信抗干扰能力强，适合大数 据量传送，但只能用于点对点传输。然而工作频段、波形结构、调制方式、通信协议、数字信息的编码加密方式等的不同，极大的限制了不同通信系统之间的通信互联，给协同作战、跨国经商、海外旅游等活动带来极大的不便。 为了解决兼容性问题，各国进行了积极探索， 1992 年 5 月，在美国电信系统会议（ IEEE Nationa
21、l Telesystems Conference）上， MITRE 公司的 Joe Mitola 首次明确提出了软件无线电的概念，其核心思想是：构造一个具有开放化、标准化、模块化的通用硬件平台，使 A/D 和 D/A 尽量接近 天线，并通过软件加载实现各种无线通信系统的不同功能 5。 软件无线电的主要特点可以归纳如下： 1. 系统功能软件化：软件无线电将 A/D 和 D/A 变换尽量向射频端靠拢 ,将中频以下全部进行数字化处理，使通信功能由软件来控制，硬件系统的更新换代变成软件版本的升级，开发周期与费用大为降低。 2. 系统结构实现模块化：采用模块化设计，模块的物理和电气接口技术指标符合开放标
22、准。同类模块通用性好，通过更换或升级某模块就可实现新的通信功能。 3. 利于互换：不同的通信系统都基于相同标准的硬件平台 ,只要加载相应的软件就可完成不同的电台与不同系 统之间的互联。 4. 系统监控方便：由于软件无线电至少在中频以下进行数字化处理 ,通过软件就可很方便地完成宽带天线监控、系统频带调整、信道监测与自适应选择、信号波形在线编程、调制解调方式控制及信源编码与加密处理。 3 1.2.2 雷达通用硬件平台 数字信号处理、数据处理系统是整个雷达软件无线电技术的灵魂和核心，而接收和发射系统则为软件无线电技术的应用提供了舞台。我们可以这样理解：发射系统通过软件控制而任意变换各种波形；接收系统
23、和信号处理系统可在一个通用的、开放式的硬件平台，尽可能用软件来接收各种形式的信号，完成各种算 法的运算，输出各种数据格式的运算结果；数据处理系统则以嵌入式计算机作为通用的、开放式的硬件平台，尽可能用软件来实现各种目标数据处理功能、多雷达信号特征融合功能和外设通信功能。这样，应用软件无线电技术的雷达就具有很好的互通性、灵活性和兼容性，使系统互联和升级变得非常方便，因而也具有很好的可靠性；抗干扰性、抗摧毁性、保密性和安全性。因此软件无线电成为数字雷达系统的突破性技术。 1. 硬件平台原理 D S P数 字上 变频D / A放 大器晶 体滤 波器数 字下 变频总线未 来 更 高级 的 D S P本
24、振 信 号A / D晶 体滤 波器放 大器混 频器混 频器射 频前 端射 频前 端图 1-1 雷达通用硬件平台原理图 雷达通用硬件平台原 理框图 2,6如图 1-1 所示。雷达处理中频为 40.5MHz ，发射与接收中基带信号与中频信号之间的变换都在数字域中完成。混频器的本振频率为4 2 .5 7 0 .5M H z M H z，射频信号频率为 2 30MHz MHz。 发射信号的产生过程是：先由 DSP 产生两个正交的基带，经软件调制后送入数字上变频器（ DUC）中进行内插处理、正交数字混频，以提高输出信号的数据率，输出的数据送入数 /模转换器（ DAC），由 DAC 变成模拟中频信号 ，然后经过滤波和功率放大后进入混频器混频得到射频信号，再经过射频端电路送到天线上发射出去。 雷达接收信号的过程与发射信号相反，接收信号经过射频端滤波放大后，与本振信号混频，得到中频处理信号，再次滤波放大后，送入模 /数转换器（ ADC）转换为数字信号，再经过数字下变频器（ DDC）降速处理得到低速基带数字信号，最后送给 DSP处理。 由图上可以看出，从基带信号的产生到雷达处理中频全部都在数字域中完成，这种
