基于ARM和FPGA的声纳波形产生系统设计

1、引言

　　最佳声纳系统的设计需要从声纳波形、声纳信道和声纳接收机三方面进行综合考虑[1]。在声纳信道一定的假设下，需要设计最佳声纳波形和最佳接收机，使声纳系统能在给定的声纳环境中对目标有最佳的检测效果。工作在浅水中的主动声纳，其性能主要受限于混响级。根据波形选择与信道匹配的原则，针对混响信道，所选的声纳波形应使其模糊度函数尽量与混响信道散射函数不重合，而与声传输信号散射函数尽量重合[2]。基于这样的原则，常用的声纳信号单频信号(CW)、线性调频信号（LFM）抑制混响的能力比较如下：在检测静止或低速目标时，LFM和短CW较长CW有更好的混响抑制能力，但短CW波只适合近距离目标；在检测高速运动目标时，长CW脉冲是最合适的信号形式[2]。由此可见，主动声纳要完成目标捕获、识别、跟踪等不同任务，需要发射不同的声纳波形。同时针对远距离、低速和高速运动等目标的不同情况，也需要灵活的选择声纳波形。正是基于这样一种需求，本文把具有强大控制能力的微处理器ARM与具有灵活波形产生能力的直接数字频率合成技术（DDS）结合起来，用FPGA实现DDS技术，设计出了基于ARM和FPGA的声纳波形产生系统。

2、DDS基本原理

　　随着微电子技术的迅速发展，具有频率切换时间短、频率分辨率高、相位变化连续、易实现信号的多种调制等诸多优点的DDS技术，有了广阔的应用前景。DDS技术可以理解为数字信号处理中信号综合的硬件实现问题，即给定信号幅度、频率、相位等参数，产生所需要的信号波形。

　　DDS的基本结构包括：相位累加器、相位－幅值转换电路、数模转换电路及低通滤波器等。相位－幅值转换电路根据转换方式的不同可分为两大类[4]：(1)ROM查找表法。ROM中存储有不同相位对应的幅度值，可根据相位累加器输出的相位值寻址ROM，输出对应的幅值序列。 (2)计算法。对相位累加器输出的相位值，通过数学计算的方法得到对应的幅值。常用的实时计算方法有泰勒级数求值法、反函数求值法、CORDIC算法等。

　　相位累加器是DDS电路中核心的模块，在工程实践上一般用数字全加器和数字寄存器的组合来实现，是一个典型的反馈电路。如图1所示。

其中， 为频率控制字， 为相位累加器的位数，fclk为系统参考时钟。相位累加器的工作过程为：每来一个参考时钟脉冲，频率控制字 与相位寄存器输出的相位数据累加一次，累加后的相位一方面反馈到全加器的输入端，以使全加器在下一时钟的作用下继续与频率控制字 相加；另一方面作为采样地址值送入ROM查找表。如此循环，当相位累加器累加满量后，就会产生一次溢出，ROM存储器的地址正好循环一次，完成一个周期性的动作，这个周期就是DDS合成信号的周期，累加器的溢出频率就是合成信号的频率[8]。图2为相位累加过程示意图及对应输出的占空比1：1的CW波。

一般地，DDS输出信号频率为一个参考时钟周期内的相位增量，由此可得：

由图2可知，相当与rad,相位累加器溢出一次所历经的采样脉冲（参考时钟）个数与DDS输出一个周期的信号所包含的采样脉冲个数是相等的，即：

将(1)式代入(2)，可得：

由(3)可知，在参考时钟一定的情况下，频率控制字 决定了DDS输出频率。 实际上改变的是信号的相位增长速率， 越大，相位累加的曲线越陡峭，溢出一次所需的时间越短，对应输出信号的周期也越小，输出信号的频率就越大；与此相反， 越小，相位累加的曲线越平坦，溢出一次所需的时间越长，对应输出信号的周期也越大，输出信号的频率就越小；当 按线性变化时，输出信号即为线性调频信号，改变 的变化规律，就可实现不同规律的调频，如双曲、指数、对数调频等。当 ＝1时，DDS输出最小频率：

(4)式也是所谓的频率分辨率。

3、系统硬件实现

　　系统硬件设计采用模块化结构，由通讯模块、控制模块、波形产生模块和电源模块四部分构成，如图3所示。

3.1 控制模块及通讯模块

　　ARM作为控制模块的核心，选用Philips公司的ARM7TDMI系列微处理器LPC2292。控制模块和通讯模块实现了本系统与外部主控设备（一般为PC机）的通信，通过RS232串口，并口EPP或USB通讯接口，接收主控设备发出的声纳波形信号的幅度、频率、相位、带宽等参数控制字，用以控制波形产生模块产生相应的声纳波形。

3.2 波形产生模块

DDS技术的实现依赖于高速、高性能的数字器件，一般有两种方案，一种是使用DDS专用芯片，另一种用可编程逻辑器件FPGA自行设计。DDS专用芯片控制方式固定，价格较高，而FPGA以其速度高、规模大、可编程，以及有强大EDA软件支持等特性，十分适合实现DDS技术。本系统用FPGA实现DDS技术。FPGA