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      基于Matlab的DDS線性調(diào)頻信號(hào)的仿真應(yīng)用

      發(fā)布時(shí)間:2016-10-11 責(zé)任編輯:susan

      【導(dǎo)讀】直接數(shù)字頻率合成( DDS)是近年來(lái)得到迅速發(fā)展的一種新的頻率合成方法,具有頻率切換速度快,很容易提高頻率分辨率、對(duì)硬件要求低等優(yōu)點(diǎn)。本文所講的線性調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生原理和方法有很好的可擴(kuò)展性,修改頻率累加器的內(nèi)容即可以實(shí)現(xiàn)其他的各種調(diào)頻信號(hào)。
       
      可編程全數(shù)字化便于單片集成、有利于降低成本、提高可靠性并便于生產(chǎn)等有點(diǎn)。DDS技術(shù)從相位的概念出發(fā)進(jìn)行頻率合成,存儲(chǔ)了數(shù)字采樣波形表,可以產(chǎn)生點(diǎn)頻、線性調(diào)頻、ASK、FSK等各種形式的信號(hào)。 線性調(diào)頻信號(hào)可以獲得較大的壓縮比,有著良好的距離分辨率和徑向速度分辨率,作為一種常用的脈沖壓縮信號(hào),已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高分辨率雷達(dá)領(lǐng)域。
        
      Matlab是美國(guó)MathWorks公司自20世紀(jì)80年代中期推出的數(shù)學(xué)軟件,優(yōu)秀的數(shù)值計(jì)算與卓越的數(shù)據(jù)可視化能力使其很快在同類軟件中脫穎而出。Matlab已經(jīng)發(fā)展成為多學(xué)科、多種工作平臺(tái)的功能強(qiáng)大的大型軟件。本文用Matlab軟件建立DDS系統(tǒng)中線性調(diào)頻信號(hào)的仿真模型,對(duì)于理解線性調(diào)頻信號(hào)和在 FPGA中來(lái)實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻信號(hào)有借鑒意義。
       
      圖1.DDS技術(shù)的基本原理
        
      1.DDS技術(shù)的基本原理
        
      基本模型如圖1所示,主要由時(shí)鐘頻率源fclk、相位累加器、波形存儲(chǔ)器(ROM)、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(D/A)、以及低通濾波器(LPF)組成。輸出信號(hào)波形的頻率表達(dá)式為:
       
      (1)
        
      (1)式中,fclk為參考時(shí)鐘頻率,ΔΦ為相位增量,N為相位累加器的位數(shù)。只要N足夠大,DDS可以得到很小的頻率間隔。要改變DDS的輸出信號(hào)的頻率,只要改變ΔΦ即可。當(dāng)參考時(shí)鐘頻率給定后,輸出信號(hào)的頻率取決于頻率的控制字,頻率分辨率取決于累加器的位數(shù),相位分辨率取決于ROM的地址位數(shù),幅度量化取決于ROM的數(shù)據(jù)字長(zhǎng)和D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。
        
      2.線性調(diào)頻信號(hào)的實(shí)現(xiàn)框圖
       
      圖2.軟件編程實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻信號(hào)的原理圖
       
      脈沖壓縮雷達(dá)最常見(jiàn)的調(diào)制信號(hào)是線性調(diào)頻信號(hào),接收時(shí)采用匹配濾波器(Matched Filter)壓縮脈沖。它的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:
       
      (2)
        
      式中fe為載波頻率,K=B/T是調(diào)頻斜率,于是,信號(hào)的瞬時(shí)頻率為。
        
      其對(duì)應(yīng)的量化公式如下(此式是以圖2實(shí)現(xiàn)的原理公式):
       
      (3)
        
      式中N為相位累加器的位數(shù),Kc為頻率控制字,K為上式中的調(diào)頻斜率。
        
      圖1所示的DDS原理框圖是用于實(shí)現(xiàn)固定頻率的正弦波信號(hào),按照公式(3)的思路實(shí)時(shí)改變ΔΦ,即可產(chǎn)生線性調(diào)頻信號(hào)。
        
      經(jīng)過(guò)頻率累加器輸出的是嚴(yán)格線性增長(zhǎng)的瞬時(shí)頻率。在實(shí)際過(guò)程中,相位累加器的輸出是經(jīng)過(guò)相位截?cái)嘣龠M(jìn)行尋址,從而引入了一定的相位誤差,雖然這一誤差會(huì)影響到線性調(diào)頻信號(hào)的線性度,但是調(diào)頻斜率為相位的二次導(dǎo)數(shù),相位截?cái)嗾`差本身已很小,所以對(duì)調(diào)頻線性度的影響就更小了。在本文的Matlab實(shí)現(xiàn)中暫時(shí)不考慮截?cái)鄦?wèn)題,忽略不計(jì)。
        
      3.Matlab軟件建模實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻信號(hào)
        
      本程序遵照上述軟件編程實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻信號(hào)的原理圖編寫,采用.m文件的方式編寫,下面是實(shí)現(xiàn)的源程序:
        
      %調(diào)頻信號(hào)的累加器實(shí)現(xiàn)
      clear all;clc %清除所有變量,清屏
      M=2^11; %采樣的點(diǎn)數(shù)
      a(1:1:M)=0; %頻率累加器的數(shù)值
      b(1:1:M)=0; %相位累加器的數(shù)值
      y(1:1:M)=0; %輸出的波形數(shù)據(jù)
      K=400; %調(diào)頻斜率
      Kc=10; %初始頻率控制字
      N=10; %幅度量化位數(shù)
      L=24 %相位累加器位數(shù)
      %下面一段實(shí)現(xiàn)頻率累加器
      a(1)=0.5*K; %初始頻率步進(jìn)量
      for i=2:1:M
      a(i)=a(i-1)+K;
      end
      %下面一段實(shí)現(xiàn)相位累加器
      b(1)=Kc+a(1); %相位初始值
      for i=2:1:M
      b(i)=b(i-1)+(Kc+a(i));
      end
      %下面一段實(shí)現(xiàn)了查找表ROM以及進(jìn)行幅度量化
      for i=1:1:M
      y(i)=floor(2^N*cos(2*pi/(2^L)*b(i)));
      end
      %下面一段畫出相應(yīng)的圖形
      figure(1);plot(y);axis([0 M,-2^N-100 2^N+100]);
      figure(2);freqz(y)
        
      上面這段程序中,有很多的變量,包括調(diào)頻斜率K、頻率控制字Kc、幅度量化位數(shù)N以及相位累加器位數(shù)L等等,修改不同變量值可以得到各,不同的線性調(diào)頻信號(hào)。具體的實(shí)現(xiàn)要根據(jù)實(shí)際的需要來(lái)設(shè)置。
       
      4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果
        
      根據(jù)上面的程序,取調(diào)頻斜率為400,頻率控制字為10,幅度量化為10位(和所使用的D/A配合),相位累加器為24位,用Matlab仿真得到的線性調(diào)頻信號(hào)的波形和相應(yīng)的幅頻響應(yīng)如圖3和圖4所示。
       
      圖3.K=400,Kc=10,N=10,L=24的情況下的線性調(diào)頻信號(hào)
       
      圖4.針對(duì)圖3的幅頻特性曲線
        
      結(jié)束語(yǔ)
        
      本文所講的線性調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生原理和方法有很好的可擴(kuò)展性,修改頻率累加器的內(nèi)容即可以實(shí)現(xiàn)其他的各種調(diào)頻信號(hào)。作為線性調(diào)頻信號(hào),由于廣泛應(yīng)用于高分辨率的雷達(dá)系統(tǒng)中,因此正確理解線性調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生原理和掌握其產(chǎn)生的方法是很有現(xiàn)實(shí)意義的。在實(shí)際應(yīng)用中主要采用專用DDS芯片或者FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻信號(hào)(各有優(yōu)缺點(diǎn)),而本文則基于Matlab軟件的良好編程性來(lái)驗(yàn)證這一方案,仿真結(jié)果較好的證明本方案的可行性,完成了預(yù)期的方案設(shè)計(jì)和論證。
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