一种多普勒模拟器的设计与实现
The Design and Implementation of a kind of Doppler Simulator
张羽 杨知行 清华大学电子工程系
摘要：本文介绍了一种成功应用于某自主外测系统的多普勒模拟器的设计与实现。该模拟
器易于使用，控制灵活。在系统联调期间，该模拟器可进行极小步进、快速扫频，取得了满意的多普勒模拟效果。
Abstract: The article introduces the design of a kind of doppler simulator, which has successfully been used in a observe and control system. The simulator is versatile and easy to be controlled. During the system debugging period, it’s proved to be a fast swemar generator, which can implement very little frequency steps.
关键词：多普勒 数字信号处理器 数字直接频率合成器 Keyword: Doppler DSP DDS
中图分类号：TP206.1 文献标识码：A
外场进行测控系统调试的技术难度大，耗时长，动用人力物力较多，因此成本很高，且调试效果未必理想。在某型号测控系统的实际调试过程中，采用了多普勒模拟器。多普勒模拟器可以模拟飞行器飞行过程中产生的多普勒频率。这对降低研制成本、缩短研制周期、提高性能指标都有积极的作用。
本文提出一种多普勒模拟器设计方案。根据调试、性能评估的要求，主控DSP通过串口接受计算机传来的参数，进行运算后实时地产生频率信号。通过控制2片DDS器件，实现扩频和导频多普勒频移信号的同时输出。本方案选用TI的数字信号处理器TMS320C5510作为主控芯片。
1 系统构成
图1 系统构成框图
2 硬件电路设计
本系统中，TI公司的TMS320C5510计算能力很强，处理能力达到200MIPS，完成本应用中的实时数据处理。Analog Device公司DDS（直接数字频率合成器）器件AD9852和ALTERA公司EPLD完成信号产生工作。其框图如下图所示：
SDRAMDDS1PCRS232TL16C550DSPTMS320C5510EPLDEPM7128FLASHDDS2
图2 硬件接口图
2.1 数据处理模块
为了使本模拟器参数配置灵活，本系统工作时的参数（扫频范围、扫频速率等）由PC人机界面输入，通过UART口传给DSP。DSP根据这些参数计算出相应的频率控制字，写入AD9852的寄存器，使频谱产生偏移，从而完成对多普勒频偏的模拟。由于参数可控制，所以可完成对高速运动物体（导弹、卫星）在各个飞行阶段的模拟，可以测试后端全数字接收机的信号捕获能力。
2.2 信号生成模块
信号的产生是由DDS和EPLD实现的。DDS采用2片Analog Device公司AD9852AST，外接40 MHz参考时钟，内部工作频率200MHz，分别产生扩频频率和导频频率。由于AD9852具有调制功能，因此在产生频率的同时，本模拟器可直接实现BPSK调制，而不需的调制芯片。由于本模拟器要支持快速扫频，所以DSP与DDS之间用并行总线连接，以保证频率的快速刷新。
EPLD除了提供片选等简单逻辑信号外，还具有产生伪随机序列的功能，产生的序列作为DDS调制数据。
2.3 通信模块
由于TMS320C5510没有通用异部接收发送设备（UART）接口，只有多通道缓冲串口（MCBSP），而MCBSP不可能实现准确的UART接口数据收发，所以采用专用异步通信芯片TL16C550扩展出一个UART接口，与pc机进行通信，以实现通过人机界面进行控制。
3 软件设计
DDS器件产生频率偏移的操作是通过刷新DDS频率控制寄存器中的数值来实现地。DDS的频率设置是通过向特定寄存器写入48位频率字实现的。因此，频率分辨率很高，达
到10-6Hz，可实现极其微小的频偏，完全可以认为是实际模拟频率的连续变化。
写入DDS器件的48位频率控制字可用如下公式计算：
频率控制字 = （需要输出频率×248）/系统时钟
在实际的模拟器工作过程中，可以通过指定具体的中心频率、扫频速率等参数，模拟飞行器实际飞行时产生的多普勒频率。
在DDS正常工作之前，必须先复位该器件。然后，设置DSP的定时器，通过定时器将实时计算出来的频率控制自写入DDS相应寄存器，完成频率刷新。
本应用所采用的软件流程如下图所示：
开始复位DDS设置定时器设置DDS工作中心频率与PC通信获得扫频参数根据扫频参数计算出DDS频率控制字，写入相应寄存器DDS输出允许定时器计时到？YesNoNo输出完毕？Yes关闭定时器结束
图3 软件流程图
4 结论
本模拟器能够产生两路的频率信号，这两路信号可以直接调制数据，并且按照不同的变化规律完成频率偏移，使用灵活。应用结果表明，这种模拟器很好地支持了后端接收机的调试，尤其在验证锁频环和锁相环的捕获跟踪能力上，起到了重要作用。
5 本文作者创新点
在以往的测控系统调试中，大多搭建真实的无线信道链路，采用真实的无线电发射、接收设备进行调试。这样，必然耗费大量的人力、物力，而且在外场调试中信号质量经常会被许多不确定因素影响。如果重复试验，则耗时太长。从而导致调试效果不理想。
本文所介绍的多普勒模拟器，可以模拟出被测控的运动物体所产生的多路多普勒频率，从而得到高速运动物体实际飞行时的发射/接收频率，直接提供给后端接收设备。这样，就使后端接收设备在实验室的模拟环境中，得到充分的测试。在测试期间，可以通过变换扫频速率和带宽来模拟被测运动物体在各种速度、加速度情况下，产生的多普勒频偏。应用本模拟器后，可以在很短的时间内进行多次重复测试，来复现调试现象，验证试验结果，从而极大地提高调试效率。
参考文献
(1)陶益凡等. 基于AD9854的信号发生器设计. 微计算机信息，2006年第5期，P241-243 (2)CMOS 300MHz Complete-DDS. Analog Devices Inc. 1999
作者简介：
张羽，清华大学电子工程系工程硕士。研究方向：无线通信中的嵌入式应用；
杨知行，清华大学电子工程系教授、博士生导师。研究领域包括数字微波通信技术，遥感卫星高速数据接收技术等。
Biography:
Yu Zhang, master in e.e. department, tsinghua university. His research interest is embedded application in wireless communication;
Zhixing Yang, supervisor, professor in e.e. department, tsinghua university. His research fields include digital microwave communication, satellite high-speed data receiving technology, etc.
