搜救信標是全球海上遇險與安全系統(GMDSS)中必須配備的設備[1]。當船舶遇險時，搜救信標能夠發送船舶識別碼、遇險船舶的位置信息以及其他有關遇險性質的信息。在遇險救助中，搜救信標是一種有效的報警手段。加裝了GPS接收機搜救信標的可以直接發送船只的當前位置信息給全球衛星搜救系統，再由全球衛星搜救系統統一安排營救排險[2]。

　　摘 要： 提出了一種以遇險搜救406 MHz信標機為應用背景，針對其頻率源部分，設計輸出頻率為6 MHz的頻率源。該設計通過單片機技術完成定位數據的接收以及曼徹斯特編碼;利用DDS實現載波的BPSK調制與頻率合成。研究的重點在于GPS芯片與單片機，單片機與AD9852的硬件接口電路，編碼解碼的工作流程以及橢圓濾波器設計的關鍵技術，并提出了一種數字化搜救信標機的實現方法。

　　關鍵字：通信論文投稿, 搜救信標,DDS,頻率源設計,橢圓濾波器

　　Design of frequency source for rescue beacon based on DDS

　　DONG Peng?ling， SHE Shi?gang

　　(Lanzhou Physics Institute of Spase Technology， Lanzhou 730000， China)

　　Abstract： Afrequency source with output frequency of 6 MHz was designed for 406 MHz rescue beacon. In the design， a singlechip positioning data receive and Manchester encoding were achieved by the aid of SCM technology. BPSK modulation and frequency synthesis of carrier wave realized with DDS chip AD9852. The circuits of hardware interfaces from to GPS chip and from singlechip microcomputer to AD9852， as well as the codec program and design of the elliptic filter were researched emphatically.

　　Keywords： rescue beacon; DDS; design of frequency source; elliptic filter

　　0 引 言

　　頻率源作為搜救信標機的基本信號來源，其頻率的精準度直接關系搜救工作的成敗。而鎖相環作為通常采用的頻率合成技術，鎖相環的準確度和步進跟提供輸入信號的本地晶振和鑒相頻率相關，主要缺點是切換速度不夠，頻率分辨率低，當其綜合輸出的頻率分辨率越高時，其頻率切換速度就越慢。如果要提高切換速度，就必須犧牲分辨率[3]。為了改善搜救信標信號源的頻率精準度，本文提出一種以直接數字頻率合成為原理，采用AD9852芯片實現的可編程數字頻率源設計，并給出其濾波器的拓撲結構及仿真結果。

　　1 設計原理

　　1.1 DDS頻率合成原理

　　典型的DDS原理方框圖如圖1所示。它包括如下基本的部件：相位累加器;相位?幅度變換器，即正弦查表ROM;D/A變換器;低通濾波器。

　　圖1 DDS原理圖

　　相位累加器是DDS系統的核心，它類似于一個簡單的計數器，它是由[L]位存儲數字相位增量字的頻率寄存器、后接[L]位全加器(通常為多級級聯4位全加器)和相位寄存器組成，后二者常常是合并在一起的。數字輸入相位增量字進入頻率寄存器后，在每個參考時鐘周期或者脈沖期間，表示相位增量的數字就加到容量正比于輸出信號相位的數字累加器中。為了充分發揮DDS的優越性，一般累加器的位數都比較大，頻率字可控制DDS的輸出頻率，可根據需要來設定[4]。

　　在同樣的時間內，累加器的值傳遞給正弦查找表ROM，然后ROM輸出給D/A變換器。D/A變換器產生一系列的表示以時間脈沖速率抽樣的電壓階躍，最后經低通濾波器平滑輸出。當相位累加器由于重復相加而溢出時，它的最高有效位(MSB)就從1變到0，又開始一個新的輸出周期。只要檢測到 MSB有輸出，DDS就產生一個改變符號的方波，改變的符號與抽樣正弦波零交叉時的符號相一致。因為方波只在參考時鐘周期時改變符號，所以它的相位一般相對于被產生信號的理想相位要延遲一個變化量，相位延遲正比于累加器溢出后剩余的數值。相位增量字表示在每個參考時鐘周期加到前次值的相位角步長所產生的線性增加的數字值。對于[L]位相位累加器，使用[-2L]溢出的性質，那么，在[2L]個參考時鐘周期之后，累加器中存儲的余數就為零。

　　1.2 BPSK調制原理

　　BPSK調制是利用相位突變實現的，圖2的仿真圖演示了BPSK的調制過程。

　　圖2 BPSK調制過程

　　BPSK用載波的相位0和π表示數字信號的1和0。如圖2所示，設定載波的5個周期表示數字信號的一位，開始載波相位為0即相位控制字[P=0，]表示數字信號為高電平1;當載波相位突變為π即相位控制字[P=2M-1]后，表示數字信號為低電平0;載波相位再次突變為0以后又表示數字信號的高電平1。重復此過程，就將所有數字信號加到載波上，即BPSK調制。 　　2 系統設計

　　2.1 系統框圖設計

　　頻率源的原理框圖如圖3所示，通過天線接收北斗導航定位信號送入MCU，在MCU中生成符合搜救協議的基帶波形，并由MCU控制AD9852生成6 MHz的載波。由于DDS芯片輸出信號雜散較大，因此需在輸出端連接一個低通濾波器。

　　2.2 硬件電路設計

　　本文只介紹AD9852的外圍電路設計以及濾波電路的設計。

　　圖3 系統原理框圖

　　2.2.1 AD9852外圍電路

　　AD9852數字頻率合成器是一種高集成設備，它具有2個48位的可編程頻率寄存器和2個14位可編程相位寄存器，可方便地完成FSK，BPSK等多種調制。當接入精確時鐘源時，AD9852能產生一種高穩定度的、頻率-相位-幅度-可編程的余弦波。

　　根據芯片手冊，55引腳需連接一個0.01 μF的貼片式電容，并將另外一段連接在AVDD上;56引腳用來設置標準模式下的輸出電流：正常工作狀態下的輸出電流為5～20 mA之間，由[RSET=39.9IOUT]可知，[RSET]可在2～8 kΩ左右。在本電路中，選擇連接一個阻值為4 kΩ的電阻，另外一端接地。

　　在芯片的每個電源輸入引腳并聯一個0.1 μF的去耦電容，即可以去除電源輸入對引腳帶來的部分干擾，同時也作為芯片的蓄能電容。

　　其外圍電路如圖4所示。

　　圖4 DDS外圍電路

　　2.2.2 濾波電路設計

　　設計中的DDS輸出頻率為6 MHz，主要諧波分量為12 MHz的諧波分量，故濾波器的最低阻帶頻率要低于5 MHz。因此選擇在相同階數下有著最小通帶和阻帶波動的橢圓濾波器。濾波器的主要指標為：3 dB的截止頻率、輸入輸出阻抗、最低阻帶頻率及此處的衰減和通帶內紋波系數。故設計橢圓濾波器的截止頻率為6.5 MHz，輸入輸出阻抗為50 Ω，最低阻帶頻率為7.5 MHz，此處的衰減為60 dB，帶內紋波系數小于0.25 dB。

　　具體設計步驟如下：

　　(1) 計算陡度系數和反射系數。

　　陡度系數由截止頻率[fs]和最低阻帶頻率[fc]決定：[As=fsfc=1.15。]反射系數根據通帶內紋波系數計算可得[ρ=]25%。

　　(2) 根據陡度系數[As、]衰減系數60 dB和反射系數[ρ，]參考橢圓濾波器階數曲線得到所需濾波器可設計為7階。

　　(3) 查找橢圓濾波器階LC元件值表可得歸一化的元件值。

　　對濾波器元件值進行去歸一化，歸一化公式為：[L=LZfFS，][C=CZfFS。]其中[L，][C]為表中讀出的數據，[Z]為阻抗標度系數，[fFS=2πfc]為頻率標度系數。去歸一化后即可得濾波器的所有元件值，如表1所示。

　　表1 橢圓濾波器元件值

　　[[C1]/pF&[C2]/pF&[C3]/pF&[C4]/pF&[C5] /pF&425.4&351.0&635.1&500.5&751.9&[C6] /pF&[C7]/pF&[L1]/μH&[L2]/μH&[L3] /μH&95.94&593.6&878.0&977.1&1.452&]

　　2.3 軟件設計

　　本文只詳細介紹AD9852對載波的調制以及頻率合成的軟件設計。AD9852提供串行和并行兩種通信接口可供用戶自行選擇，本文選擇并行接口。軟件流程圖如圖5所示。

　　圖5 載波調制及頻率合成的軟件流程圖

　　向AD9852控制寄存器寫工作模式控制字：因AD9852可實現FSK，BPSK，PSK，CHIRP，AM等功能操作，所以在AD9852開始工作前，需確定其完成哪種功能操作。這本次設計中，需要9852芯片實現BPSK的相位調制，故對控制寄存器(1F)寫入100(實現BPSK模式)。

　　給載波寫入頻率控制字：頻率控制字控制輸出頻率。根據參考時鐘頻率、頻率寄存器位數以及輸出頻率，計算出頻率控制字。

　　給相位寄存器1，2寫入相位控制字：利用AD9852實現BPSK的載波調制，實際是將兩個相位值分別存入相位寄存器1和相位寄存器2，當基帶波形為1時，載入相位寄存器1的值;當基帶波形為0時，載入相位寄存器2的值。

　　DDS中頻率控制寄存器[F]控制輸出信號的頻率，相位控制寄存器[P]用來控制輸出信號的相位。如果DDS輸出的正弦信號為 [A=A0sin(2πf+Φ)，]則[F]控制的是[f，][N]控制的是[Φ。]設DDS輸入信號頻率為[f1，]頻率控制寄存器的位數為[N，]相位控制寄存器的位數為[M，]則[f=f1×F2N，][Φ=2π×P2M，]使用DDS時根據需要計算出所需的[F]和[P]的值寫入芯片即可。

　　其寫頻率控制字和相位控制字的代碼段如下：

　　//寫頻率控制字1

　　*((&dds1) )=ftw1[0];

　　*((&dds2) )=ftw1[1];

　　*((&dds3) )=ftw1[2];

　　*((&dds4) )=ftw1[3];

　　*((&dds5) )=ftw1[4];

　　*((&dds6) )=ftw1[5]; 　　//寫相位值1

　　*((&phase1) )=phase_word1[0];

　　*((&phase2) )=phase_word1[1];

　　//寫相位值2

　　*((&phase3) )=phase_word2[0];

　　*((&phase4) )=phase_word2[1];

　　//for(k=0;k<2;k++)

　　// *( (&phase1) +k)=phase_word1[k];

　　//取最終地址的內容 取地址 地址加i

　　// for(k=0;k<2;k++)

　　//*( (&phase2) +k)=phase_word2[k];

　　}

　　2.4 橢圓濾波器的仿真結果

　　將表1的元件值組成的橢圓濾波器進行仿真得到其頻率響應曲線如圖6所示，可以看到在4 MHz的頻點處衰減約為60 dB，滿足設計指標。

　　圖6 橢圓濾波器頻率響應曲線

　　3 總 結

　　本文提出了一種將AD9852應用于搜救信標的設計，輸出頻率為6 MHz的調制波。并簡述DDS頻率合成以及BPSK調制的基本原理，并給出相應的代碼段。由于AD9852通過編程實現基帶波形的調制和頻率合成，因此可完成FSK等多種調制模式，而且通過編程可產生方波、三角波等多種波形。所以提出的設計具有很好的可移植性，可應用于其他頻率源，在高穩定度的數字頻率源中具有廣闊的應用前景。

　　參考文獻

　　[1] 王立波，王永生，李正.船載應急無線示位標(EPIRB)設計研究[J].電子技術應用，2005(4)：31?35.

　　[2] 楊廣治，劉柏森.GMDSS船用通信設備[M].大連：大連海事大學出版社，1998.

　　[3] PALEMO Samuel Micheal. A multi?band phase?locked loop frequency synthesizer [M]. [S.l.]： [s.n.]， 1999.

　　[4] 白居憲.直接數字頻率合成[M].西安：西安交通大學出版社，2007.