用于智能天线设计的多路信号源

作者Email: loujue@ynmail.com 摘要： 本文提出了一种使用直接数字合成（DDFS）的方法来模拟8路信号，用于智能天线的测试及各种通信设备的设计。以及该信号源的硬件电路板设计的一种特殊方法，使得该硬件有较强的扩展性。 关键字： 多路，信号源，DDFS，可编程器件，高速D/A 1．引言 智能天线是由多个天线单元组成的天线阵列，但是传统的波形发生器多为两路，无法模拟智能天线所接收到的阵列信号。本文研制的多通路信号源，能同时产生独立且时钟同步的8路信号。通过可视化的操作界面对各阵元天线的波形进行设计。系统采用了板卡分离的设计使得系统有较强的扩展性，方便了工程人员对通信设备的各种设计。 2．系统基本原理 系统框图如图（1）所示。本系统采用DDFS的方法产生所需波形。PLD用于地址累加，RAM 用于波形存储，本系统采用51系列的单片机进行接口的控制。51系列单片机虽然是8位的单片机，但却是一个十分经典通用的单片机系列。它的操作简单，特别是与计算机的串口的连接，完全不用理会底层的操作。但是它也有一个致命的弱点——运行速度较低，计算性能较低，完全无法和具有流水指令集的DSP相比，因此无法直接使用它实现DDFS频率合成，所以须采用计算机生成波形数据，使用较高频率下工作的PLD器件推动RAM阵列合成所需的信号。 系统里波形存储没有采用一般的单一存储器的存储方法，因为在较高频率下无法使用非易失性存储器，若使用高速存储器SRAM，则在二次加电后数据将会丢失。这里使用了双存储器方法，即同时使用FLASH和SRAM存储数据，所需数据通过计算机计算后经串行口或USB口下载到FLASH中。以后每次加电，数据再从FLASH转移到高速RAM中进行DDFS合成。这样就可以弥补两者的不足。 前面已经介绍了本系统所使用的双存储器机制，这里再介绍一下各存储器的选型及工作方式。FLASH使用W29C040，它的写操作是按页操作，每页256个字节，容量为512K字节。SRAM使用的是ALLIANCE的AS7C3256-15，容量32K字节，速度为15 。经过电脑计算软件计算所得的数据经过计算机串口或USB口下载到系统板中，在每次加电后数据再从FLASH转存到RAM中。 在计算机下载中数据又分为从串口下载和USB口下载，数据如果从串口下载首先必须下载到RAM中，再一页一页的写到FLASH中，因为串口速率最高为128000波特率，接收一个字节的最短时间为 ，单片机在写完一个字节后写线就升高，由参考资料的时序可以看出若FLASH写线变高时间过长就会进入内部的写操作，因此接下载的数据将无法写入FLASH。为此必须先把256个字节数据写到RAM中再从RAM写到FLASH。如果使用USB接口，只要设置在高速状态下就可以直接写FLASH。 系统所采用的RAM数据位只有8位，而DA为12位所以必须由2片RAM合成一个12位的数据。但是如果这样，其中一片RAM 要丢掉一半的存储空间，所以使用3片RAM提供共24位数据给2片DA，这样节省了RAM空间，其电路如图（2） 系统的USB接口采用飞利浦的USB接口芯片PDIUSBD12。PDIUSBD12是一片USB接口芯片它可以把串行数据转换为8位的并行数据，符合通用串行总线USB 1.1 版规范，集成了FIFO存储器收发器以及电压调整器，可与任何外部微控制器/微处理实现高速并行接口2M 字节/秒，完全自治的直接内存存取DMA 操作，集成320 字节多结构FIFO 存储器，主端点的双缓冲配置增加了数据吞吐量并轻松实现实时数据传输，在批量模式和同步模式下均可实现1M 字节/秒的数据传输速率。 由于微处理器速度限制和数字滤波器运算量的要求，系统通常在中频部分进行数字化，然后再进入DSP进行处理。因此该系统产生的8路模拟信号最高输出为10.7MHz。理论上只要相位累加器的位数足够大相位分辨率可以足够精确，但综合考察目前存储器、计数器的技术水平，选择D/A转换速率不小于要求输出基带最高频率的四倍则。这里选取了AD9752。此芯片是美国AD公司生产的高性能DA器件。它是TxDACTM系列成员之一，其分辨率为12位，速率可达100MHz，它采用单一电源供电，范围为2.7-5.5V。 AD9752采用先进的COMS工艺。边缘触发锁存和1.2V的带补偿的内置参考电压，提供了完整的单片DAC解决方案。AD9752是差分电流输出，满量程为20mA，输出阻抗大于100kΩ。它的差分电流输出，支持单端或差分应用。电流输出可直接与电阻连接提供两个互补的单端电压输出，也可直接输入变压器，输出电压为1.25V。由于DA的时钟是在上升沿锁存数据，因此D/A数据的输入要考虑到在同时钟源下，会与下降沿锁数据的器件存在一个脉冲的时延，因此在它的时钟端加入了一个非门进行时钟的翻转。DA输出的信号须加以低通滤波器平滑信号，但由于所需信号为一个10.7M的带通信号所以可以用一个带通滤波器代替。 PLD使用的是MAX7128-15，在设计时使用了图形化参数宏模块（LPM）和硬件描述语言（AHDL）相结合的方法。PLD内部框图如图（3）。其中外部数据总线用于连接单片机的地址和数据总线。由于系统共用一套总线所以总线控制主要是进行总线的仲裁，使单片机不会与相位累加器产生总线上的碰撞。地址，数据总线用于连接RAM地址和数据总线，地址译码用于选择各个RAM。 3．电路板设计 在电路板的设计中发现，如果使用一块电路板则布线过长且有较多的信号反射。而且系统时钟走线很难达到一致。纵观此系统发现，此系统电路单元重复较多。所以采用了板卡分离的设计方法，即把单片机和可编程器件作为系统主板如图（4）左，而把DA和RAM作为一块扩展卡，每个扩展卡上有两路输出信号，通过总线扩展把他们连接起来。这样就可使用不同的扩展卡实现不同的系统功能，为系统更进一步的开发提供了很宽的空间。此外这样的设计也减小了系统的体积，提高了单元电路的利用率。 4．软件设计 控制程序设计 在单片机上所需实现的主要是各种端口的控制，没有较复杂的算法，因此只给出了程序的流程图，其中包括中断处理程序和上电复位初始化程序两部分。在初始化的时候对USB的初始化稍复杂，须进行USB总线的枚举，同步断点使能，模式设置等。各流程如图（5） 系统软件设计 系统软件采用VB编写，主要是完成数据的下载和波形的计算。对于数据的下载主要是对串口和USB的操作。在VB中有大量的控件可使用，使得各种操作变得简单。在下载程序中主要使用了Microsoft comm Control控件控制串行口的数据下载，这里得串口采用定时中断的方式发送数据。这是因为在单片机端为了设计简单没有进行数据的流控，因此数据可能会丢失。对于USB的操作VB需要调用Creatfile()，CreatFile()，WriteFile()，ClosseFile()等API函数。调用这些API需要进行申明，但是它的申明与C中有所不同，具体参考了VB中所带的“API文本浏览器”中的内容。系统软件除了负责下载还要负责进行波形的数据计算，此系统主要是给智能天线测试用，所以设计的软件只模拟天线阵列中8个天线接收的不同信号。它可以调整信号的数量，可以对每个信号进行幅度和相位的调整，并且可以模拟理想状态下的阵列输出信号，这样便可以与所要测试的系统进行比较。图（6）是软件界面。图中只显示了两路信号，图（7）是用示波器显示的与图（6）相对应的系统输出波形。 5．结语 这个系统方便了通信设计人员对通信设备的设计和调试。同时该系统的灵活设计使得系统又有较强的扩展功能，更换板卡就可以使系统具有不同的功能。使得系统可以方便的用于其它设备设计的调试中。