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。