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1、DDS及其在声学多普勒流速测量系统中的应用李媛I，李永倩。张选明2,张鹏。张小苗'(1.华北电力大学河北石家庄07】003；2.国家海洋技术中心天津300111)摘要：概述了直接敷字频率合成(DDS)技术的原理，婚出了一种基于DDS技术的声学多普勒流速测量系统的设计方素，介绍了各部分电路的功能和设计思路.系统以TI公司的单片机MSP430F149为控制和信号处理核心，将DDS技术引入发射和正交解调模块，可实现较传统模拟方式更为经济、高效、精确的流速测量.关词：直接数字颊率合成(DDS)；声学多普粉效应；沆速测量；正交解调中图分类号：TN74】文献标识码：B文*编号：1004-373X(

2、2007)01-095-04DDSandItsApplicationinAcousticDopplerCurrentVelocityMeasurementSystemLIYuan1,LIYongqian',ZHANGXuanming2.ZHANGPeng2,ZHANGXiaomiao'(1.NorthChinaElectricPowerUniversity>ShijiAzhuanK»O71OO3»Chinai2.NationalOceanTechnologyCenter*Tianjin300111*China)Abstract：Theprinciple

3、ofDirectDigitalSynthesizer(DDS)isbrieflyintroducedandaDDS-basedacousticDopplercurrentvelocitymeasurementsystemhasbeenpresentedinthispaper.Thedesignideasofthehardwarecircuits,togetherwiththefunctionsofdifferenthardwaredevices,havebeenintroducedindetail.ThesinglechipcomputerMSP430F149asthecontrolandpr

4、ocessingcoreofthesystemcangreatlyimprovethespeedandotherperformancesofthesystem.Moreover,theDDStechniqueisappliedinthetransmittingcircuitsandtheQuadratureDemodulationcircuits.whichmakesthesystemmoreeconomtc.moreefficientandmoreaccuratecomparedwiththetraditionalanalogsystem.Keywords：DireciDigitalSynt

5、hesis(DDS)iacousticdopplereffect;currentvelocitymeasurementiquadraturedemodulation1引S.利用声学多普勒测量流速的想法源于20世纪60年代，美国迈阿密大学海洋实验室最早开始这方面的研究，许多国家也先后开展了此项技术的研究工作，并取得了系列的成果发展至今，声学多普勒流速测，技术已经日益成熟.并旦广泛应用于各种海洋调查和科学研究中。随看数字信号处理技术、芯片技术及计算机技术的6速发展，流速测量仪器也日益向数字化方向发展。高性能单片机的高速处理和控制能力、直接数字频率合成(DDS)技术在系统中的灵活应用以及专用数字芯片

6、功能的日益完善,使得流速测量系统精度更高、速度更快、升级更便捷。DDS是20世纪70年代发展起来的一种新的频率合成技术，他在相对带宽宽、频率转换时间短、分辨率高、相位变化连续、可编程控制、功耗低、可靠性高以及易于集成等一系列性能指标方面远远超过了传统频率合成技术所能达到的水平，已逐渐成为声呐、雷达、通信、电子控制等系统中信号合成方式的苜选，尤其在频率调制、相位调制等信号调制解调领域得到了广泛的应用*°本文采用TI公司的单片机MSP430F149作为控制和信号处理核心，提出使用DDS技术生成发射信号和本振信号，替代了传统的压控振荡源，解决了传统模拟电路频收稿日期：2006-07-28率

7、分辨率低、波形单一、精度差等问题。2DDS原理一个DDS系统通常由参考时钟、相位累加器、正弦查询表、D/A转换器和低通滤波器(LPF)等组成，如图1所示。参考时钟为高稳定度的晶体振荡器，其输出用于同步DDS各组成部分的工作。“而HIIIIIIIIII仙用i血，叩|州,上图1DDS原理枢图相位累加器是DDS系统的核心部件.他类似一个计数器。每来一个时钟信号，相位累加器的输出就增加一个步&的相位增成值，其大小由频率控制字K确定。相位累加器进行的是线性相位累加，累加至满量时产生一次计数溢出，这个溢出频率即为DDS的输出频率。正弦查间表是一个可编程只读存佶器，存储的是以相位为地址的一个周期的正

8、弦信号的采样编码值，包含周期测悴技术李媛等:DDS及其在声学多普勒流速测星系统中的应用性正弦波的数字幅度信息，每个地址对应于正弦波在0360°范围内的一个相位点。将相位累加器的输出数据作为一个地址对正弦查询表进行寻址，查询表即可把输入的地址相位信息映射成数字振幅信息。D/A转换器将正弦查询表输出的数字波形幅值序列S3）转换成相应的模拟信号S（z）,再通过低通滤波器滤除不需要的谐波分量，输出频谱纯净的正弦波信号。若相位累加器位数为N,频率控制字为K,输出信号频率为人,参考时钟频率为。，则DDS系统输出信号的频率为：°/o=Ap（1）输出信号的频率分辨率为*<2）3声学多

9、普勒流速测原理3.1基本理论声学多普勒流速测量的基本理论是多普勒效应。声学换能器向水中发射某一特定频率八的声脉冲，由于运动颗粒物的漫反射，脉冲的部分能最将被水流中的小粒子反射或散射，并引起散射波频率发生变化。频率的增加意味着粒子朝着换能器方向移动，频率的减小意味看粒子背离换能器方向移动，频率的变化程度则意味着粒子移动速度的大小.假设粒子在水流中的运动方向与流速一致，通过测量多普勒频移的大小和变化方向就能确定水流的流速和流向。在换能器处于静止的情况下，其接收到的背向散射信号的多普勒频移为3】，九=殳边（3）C其中，为声波收发频率之差，即多普勒频移，人为发射声波频率,C为声波在水流中的传播速度2为

10、水流的流速。由式（3）可知，多普勒频移与水流速度成正比，若已知。和提取出多普勒频移的大小和变化方向，就可得到相应的流速信息。3.2平面流速测量及换能器配置平面水流速度测鼠可采用如图2所示的系统,4个声学换能器水平正交对称安凭。系统T作时.4个换能器发出的声波分别沿着射线和传播，在传播过程中，水体中的散射体将部分能量反射回换能器。假设水体在-个水平平面内的流速是均匀的，则在测髭范围内，水体速度矢量在4个波束上都有一个投影速度，相当于在某一水平面上，波束内的水体分别沿着波束运动，他们的速度可分别表示为E55叫。根据多普勒原理，由于水体运动的存在，各波束的回波频率与发射声波频率之间存在多普勒频移。水

11、体速度与多普勒频移之间的关系可表示为：=穿i=1.2,3,4式中，i为波束坐标的序号，人为发射声波频率,表示水体的运动速度矢R在第i个波束上的投影.如果按照上述结构配置换能器，那么根据多普勒频移理论就可以测苗出流速矢扯在4个波束上的投影。根据二维空间的待点，已知平面内的矢量在正交的2个波束射线上的投影就可确定平面矢或。为了减少换能器对流速场的影响，通常采用前向矢量算法，即只取流速矢量在面向迎面流方向的2个波束上的投影来计算水体流速。图2换能SfcX4系统设计图3给出了我们设计的声学多普勒流速测抵系统的原理框图（仅以单路测盘声路为例），他包括中央控制及佰号处理模块、发射模块、接收模块、正交解调模

12、块和电源模块等。系统工作时，单片机控制DDS发射电路产生特定频率、波形的发射信号,进行功率放大后加在换能器两端，使其发射相应的超声波波束。多路开关的功能是对4路测段声路进行切换。由于换能器接收到的回波信号卜分微弱接收电路需要对敬射信号进行前置放大、增益控制和带通滤波等一系列处理后才能进一步进行检测。系统采用正交解调方式，由DDS芯片电路提供本振信号，将解调后的信号送入单片机进行模数转换后，求得各路信号的多普勒频移的统计值。图3流速溯量系统原理枢图4.1中央控制及信号处理模块系统采用美国德州仪器公司推出的超低功耗16位单片机MSP430F149作为控制和信号处理单元，他具有处理能力强、运算速度快

13、、功耗低等特点，芯片内集成了12位现代电子技术2007年第1期总第240期A/D转换器、模拟比较器、硬件乘法器、2组频率可达8MHz的时钟模块、2个带有大鼠捕获/比较寄存器的16位定时器和2个可实现异步、同步及多址访问的申行通信接口等丰富的外围模块。MSP430F149完成的功能主要有：控制DDS电路合成发射信号波形；控制多路模拟开美进行四路声道的切换；利用内置A/D转换器对经过放大处理后的回波信号进行模数转换，采用茨自相关算法等处理提取多普勒频移进而计算。4.2发射模块发射模块的主要任务是产生具有一定重复周期、脉冲宽度和填充频率的电信号，并以一定的发射功率将电信号加到换能器上，转换成相应的声

14、波信字.其核心是直接数字频率合成器DDS。传统的模拟电路一般采用压控振荡器及锁相环(PLL)等技术合成发射信号，由于大髭地使用非线性模拟器件，一方面会造成电路结构复杂，生成信号杂波分段多，频潜纯度低等缺点，另一方面由于锁相环本身的特性，使频率分辨率与频率转换时间之间的矛盾难以解决吐本设计采用全数字接口的专用DDS芯片AD985。作为频率合成器。AD9850是美国AnalogDevices公司生产的高度集成CMOS型DDS芯片，系统时钟可达125MHz。芯片内集成了频率累加器、相位累加器、正弦查询表、10位数模转换器DAC和高速比较器等，能实现全数字编0测试-测量-自动化4程控制的频率合成，并具

15、有时钟产生功能.AD9850采用32位的相位累加器将信号截短成14位输入到正弦查询表，查询表的输出再被截短成10位后输入到DAC,DAC的输出信号经过低通滤波后即可得到模拟正弦波。利用AD9850内部的高速比较器可进一步将正弦信号转换成相应频率的方波信号。AD9850有40位控制字,32位用于频率控制，5位用于相位控制，1位用于电源休眠控制，2位用于选择工作方式。这40位控制字可通过并行方式或串行方式加载到AD985。中。系统通过单片机MSP430F149控制AD9850产生所需的发射信号，由于MSP430F149和AD9850均为3.3V单电源供电，所以可将二者的数据线直接相连。AD9850

16、采用并行数据输入方式，接口电路如图4所示.图中只给出了取片机与AD9850相关的连接.AD985。的数据线DOD7与P1口相连，WCLK引脚和FQUD引脚分别与31引脚P3.3和32引脚P3.4相连.所有的时序关系均可通过软件控制实现，并行加载时序图如图5所示。在并行输入方式下，每次输入通过8位数据线连续5次将40b数据写入AD9850.WCLK和FQUD用来确定地址及输入数据次序。WCLK的上升沿写入W.(h-0,1,2,3.4),所以在WCLK的上升沿，DATA应准备好且保持稳定。FQUD的上升沿将40b数据写入频率/相位数据寄存器，同时地址指针指向第一个寄存器W*°圭阵图4AD

17、9850的接口电路初始化时，将FQUD引脚设置为高电平，WCLK设置为低电平，并行方式写入过程如卜.：首先，FQUD由高电平转为低电平，MSP430F149将数据Wo输出；之后，控制WCLK由低电平转为高电平，再由高电平转为低电平，此时写完控制字W°,MSP430F149按照写入Wo的过程，依次写入W"W”W,和W,；最后，MSP430F149控制FQUD,使其由低电平转为高电平，完成40b数据的写人,并将地址指针指向W”为下次写入频率/相位控制字做好准备。图5井行加裁时序图图5井行加裁时序图李媛等:DDS及其在声学多普勒流速测量系统中的应用4.3接收模块接收电路的功能是提

18、取微弱的回波信杪.由于换能器接收到的背向散射信号衰减严重，且具有较大的动态范图，无法直接进行检测，所以必须对接收到的倩号进行前置放大、自动增益控制和带通滤波等处理。4.4正交解调模块实现正交解调的关键在于本振信号的产生，实际电路中对本振信号有两方面的要求，首先.本振和发射信号必须同频同相，否则正交解调后的信号会产生频差和相差，不利于多普勒频移的恢复；其次，两个本振信号cosw和sin%】要完全正交，否则恢复频移时会产生虚假信号。传统的模拟电路中两路正交调制的本振信号由PLL电路和90°相移器产生，由于模拟器件的-致性和稳定性都不理想，很难严格保证两路正交通路之间幅度的一致性及相位的正

19、交性,这将大大影响系统的性能。针对以上问题，本设计利用AD9850作为本振信号发生器.采用通用正交调制解调芯片RF2713进行正交解调。RF2713是RFMicroDevices公司的一款完整的正交调制、解调芯片。当该芯片用作解调器时，可以将中频信号通过正交解调(正交基带变换)恢复成LQ两路零中频信号，可处理的中频频率范围为100kHz250MHz。该芯片内部包含完成正交调制、解调功能的所有部件，如数字正交分频器和2个双平衡混频器，还内置有基带放大器以便于对输出信号进行A/D转换。RF2713工作时要求输入本振的频率为载频的2倍，解调时其内部的数字正交二分频器会将本振时钟二分频成正交的2路时钟

20、，各自送入混频器分别与中频信号混频，从而产生LQ两路基带输出信号。内置的基带放大群将LQ两路基带信号放大以利于信号的采样。RF2713用作解调器用时的原理电路如图6所示当系统发射声波时，MSP430F149控制AD9850产生发射波形加在换能器两端；当系统切换到接收状态时，在单片机的控制下AD9850产生本振信号送入正交解调器。解调得到的LQ两路分量信号经过低通滤波器MAX7407后，送入MSP430F149进行A/D转换，经过复自相关处理等计算出回波信号的多普勒频移，进而确定被测流速的大小和方向。困6RF2713正交解调器原理图本文提出了一种基于DDS技术的声学多普勒流速测量系统的设计方法，介绍了系统中各电路模块的