深空测距中可变带宽超窄带锁相环设计等

深空测距中可变带宽超窄带锁相环设计

李湘鲁　周隆≌沤

摘 要：采用超窄带锁相环是深空测距中提高微弱信号检测能力的有效手段，传统的模拟锁相环带宽范围有限且可靠性、稳定性差，数字锁相环则没有上述限制。介绍了一种数字超窄带锁相环的基本原理和环路结构，对其性能进行理论分析和计算机仿真。针对深空测距中存在的多普勒频偏，提出了数字锁相环变带宽的门限设定方法,完成了数字锁相环的FPGA设计与实现。

关键词：数字锁相环;可变带宽;深空测距;多普勒频偏

中图分类号：TN911 文献标识码：B

文章编号：1004373X(2008)0512803

Design of Variable Ultra-narrow Bandwidth PLL for Deep-space Measurement

LI Xianglu,ZHOU Jie,ZHANG Jian

(Institute of Electronic Engineering,Chinese Academy of Engineering Physics,Mianyang,621900,China)

Abstract：The ultra-narrow bandwidth PLL is adopted as effective means to improve detectability of weak signal in deep-space measurement.The bandwidth of traditional analog PLL is limited and analog PLL′s reliability and stability are bad.The digital PLL doesn't have the limitations above.At first,the principles and circuit structure of a kind of ultra-narrow bandwidth digital PLL are introduced,relevant theoretic computation and computer simulation are implemented.A method of setting thresholds of variable bandwidth digital PLL is given for the Doppler frequency offset in the deep-space measurement.At last,the digital PLL's FPGA-based prototype is developed.

Keywords：digital PLL;variable bandwidth;deep-space measurement;Doppler frequency offset

1 引 言

在深空探测中，无论是深空飞行器跟踪、导弹跟踪、人造地球卫星轨道的测定等航天应用，都离不开距离的测量，所以测距具有很重要的作用。应用最多的连续波测距技术是侧音测距，伪码（PN）测距，以及两者的结合。又以侧音测距具有捕获时间短，设备较简单等优点而在目前航天测控中应用较广泛。因航天器发射功率小、通信距离远，收到侧音测距信号极微弱,考虑到信号有多普勒频移及振荡器产生的频率漂移，接收机的中频通带必须够宽。普通接收技术对此极低信噪比的测距信号无能为力，可以通过超窄带锁相技术来提高对微弱测距信号的检测能力。当输入信号强度低到-180 dBW以下，为了提高锁相环路的输出信噪比，要求环路带宽非常窄，甚至要压低到1 Hz以下，才能满足性能要求。而使用这样小的环路带宽，又会在有多普勒干扰情况下，表现出锁定时间长、容易假锁、失锁等不良性能。这样就需要整个锁相环路带宽在一定范围可以变化：先使用比较大的带宽进行锁定以缩短锁定时间，再使用小带宽来提高锁定精度，以适应微弱信号输入锁相环在锁定时间与锁定精度两方面的需求。

本文提出了一种数字锁相环的基本原理和环路结构。对变带宽超窄带数字锁相环进行了数学建模与Matlab仿真，结果表明：取环路带宽为0-1 Hz，当输入信号信噪比为-20 dB、环路锁定后的输入输出信号相位差小于2-8°；取环路带宽从10～1 Hz可变，输入信号信噪比为-5 dB、频偏10 Hz情况下，环路能够快速锁定（与带宽2 Hz环路相比），环路锁定后输入输出信号相位差小于1-7°。应用EDA技术设计了该锁相环电路，用FPGA予以实现。

2 设计原理

2.1 数字锁相环原理

传统模拟锁相环设计中关心的参数ωn,ξ等通过电容、电阻、压控振荡器等参数实现，因模拟器件自身的局限限制了带宽的范围，而且模拟电路还存在直流零点漂移、难以调试等缺点。在数字锁相环设计中这些参数的设定就方便许多，精度也大大提高。

锁相环主要由VCO(压控振荡器，数字实现时为NCO(数控振荡器)、LPF(低通滤波器)、PD(鉴相器)及LF(环路滤波器)组成。数字环路原理图见图1。

输入信号与数控振荡器产生的两路正交信号相乘，通过低通滤波后，得到差频信号，然后求反正切可以得到相位差信号，完成鉴相功能[1] 。

2.1.2 环路滤波器

数字锁相环设计中关键一点就是如何设计环路滤波器。环路滤波器用于衰减由于输入信号噪声引起的快速变化的相位误差和平滑鉴相器泄漏的高频分量，以便在其输出端对原始信号进行精确的估计。环路滤波器的阶数和噪声带宽决定了环路滤波器对信号的动态响应。

设计基于比例积分（PI）控制的数字环路滤波器。将鉴相器输出的相位误差信号经积分环节和比例环节调节后，分别产生积分控制参数以及比例控制参数，取这两个控制参数之和作为数控振荡器的控制参数，其结构如图2所示。

数字环路滤波器的设计与模拟环路滤波器相对应，仍存在区别，以二阶锁相环环路滤波器为例，模拟有源比例积分滤波器只能逼近理想积分滤波器的特性，而数字环路滤波器则直接根据理想滤波器进行等效匹配，推导如下[2] 。

理想积分滤波器的传递函数为：

可见两种信号具有极其类似的表达形式，因此数控振荡器NCO可以借用压控振荡器VCO的有关概念。

2.2 变带宽门限设置原理

输入信号极微弱的条件下，要求锁相环环路噪声带宽尽量压窄，可以提高锁定精度，带来的影响是锁定时间较长、在存在多普勒频偏的情况下易失锁。为在锁定时间、锁定精度、失锁概率中寻求一个平衡，要求所设计锁相环的环路带宽在一定范围可变化，如从十几Hz到零点几Hz。在环路开始工作时，使用较大带宽，可加快捕获速度；在捕获到信号之后，可换较小带宽，减小NCO输出信号的相位抖动、提高锁定精度。

要改变环路带宽大小只需要改变成对应的系数即可，在FPGA设计中这一点不难做到。所以变带宽锁相环的设计关键是变带宽的条件，即变带宽门限的设置。

由文献[2]可以知道，NCO输出信号相位抖动直接受到环路带宽和输入信噪比的影响，其关系如下：

通过公式推导可看出：给定不同信噪比的输入信号、不同大小环路带宽的条件下，可事先计算或仿真锁定之后输出信号的相位方差。以该数据为标准，与通过FPGA方差统计模块测量得到的实际锁相环电路输出信号的相位方差作比较，可作为衡量环路是否稳定锁定的标准，进而作为变带宽的门限。

在实际应用时，配合输入信噪比估计值进行带宽变换。如果没有输入信噪比估计电路，就用最恶劣情况下输入信噪比进行计算或者测试。电路工作时，方差统计模块实时统计输出信号方差，当方差稳定小于当前环路带宽稳定锁定门限时，可通过变换参数将带宽压窄；如方差大于当前门限，可以认为环路失锁，可将带宽变大以再次锁定。

3 锁相环仿真分析

通过Matlab建立锁相环模型，通过改变比例系数与积分系数来变换环路带宽，再输入不同信噪比、频偏的信号，来衡量环路工作性能。

环路滤波器的两个主要参数：比例参数与积分参数可以通过式(6)、式(7)计算得到。具体设定为：锁相环路的DDS更新速率为68 kHz，即T＝1-47×10－5。环路带宽BL变化范围为10～0-1 Hz。环路增益结合FPGA设计实际计算为2－5[3] 。

图3给出了输入信号初始相差30°、未加频偏、信噪比为-20 dB，锁相环环路带宽为0-1 Hz的仿真结果。这时所采用的比例系数为2－14，积分系数为2－33。仿真显示，需要5万点环路进入稳定锁定状态，主要是因为环路滤波器系数很小，锁定时间相对较长。

图4、图5所示是输入信号加10 Hz频偏、信噪比-5 dB条件下，带宽固定为2 Hz环路与变带宽（10～1 Hz）环路仿真对比图。从图中可以看出定带宽环路经过多次跳周后才锁定输入信号，变带宽环路一开始用较大带

宽迅速将输入信号捕获，再用较小带宽提高锁定精度。变

带宽的锁定速度快于定带宽，而且锁定后相位差基本一致。可见变带宽策略在很大程度上解决了捕获时间与锁定精度之间矛盾。

4 FPGA设计

在Matlab进行模型仿真的基础上，进一步在FPGA平台上实现数字锁相环。FPGA芯片为XC4VLX100-4，开发环境为ISE 8-2，综合工具为Synplicity 8-1，仿真工具为ModelSim 6-1b。在XC4VLX100-4芯片上实现后所用资源为slice资源45%，LUTs资源33%。

图6为FPGA平台实现后顶层RTL原理图。

5 结 语

深空测距中因其输入信号微弱，具有多普勒频偏等特点,这就要求锁相环带宽在一定范围可变的前提下尽量压窄。本文首先介绍数字锁相环结构为建立Matlab模型打下基础,再通过公式计算与模型仿真得到带宽低至0-1 Hz环路的系数,同时为克服超窄带锁相环锁定时间长的缺陷，设计可变带宽环路以加快锁定速度,最后通过仿真验证。

在实际设计中，整个环路主要考虑实现超窄带以提高对弱测距信号提取能力，故变带宽范围比较有限。为应付更大范围多普勒频偏，需要外部电路对NCO进行频率引导或添加锁频环电路。

参考文献

［1］Dick C,Harris F,Rice M.Synchronization in Software Radios.Carrier and Timing Recovery Using FPGAs[A].Field-Programmable Custom Computing Machines,2000 IEEE Symposium on:17-19 April 2000,Xilinx Inc,SanJose,CA,USA:IEEE,2000:195-204

［2］张欣.扩频通信数字基带信号处理算法及其VLSI实现[M].北京:科学出版社,2004.

［3］张安安,杜勇,韩方景,等.全数字Costas环在FPGA上的设计与实现[J].电子工程师,2006,32(1):18-20.

作者简介 李湘鲁 男，1983年出生，在读硕士研究生。研究方向为无线电深空测距。

在实际应用时，配合输入信噪比估计值进行带宽变换。如果没有输入信噪比估计电路，就用最恶劣情况下输入信噪比进行计算或者测试。电路工作时，方差统计模块实时统计输出信号方差，当方差稳定小于当前环路带宽稳定锁定门限时，可通过变换参数将带宽压窄；如方差大于当前门限，可以认为环路失锁，可将带宽变大以再次锁定。

3 锁相环仿真分析

通过Matlab建立锁相环模型，通过改变比例系数与积分系数来变换环路带宽，再输入不同信噪比、频偏的信号，来衡量环路工作性能。

环路滤波器的两个主要参数：比例参数与积分参数可以通过式(6)、式(7)计算得到。具体设定为：锁相环路的DDS更新速率为68 kHz，即T＝1-47×10－5。环路带宽BL变化范围为10～0-1 Hz。环路增益结合FPGA设计实际计算为2－5[3] 。

图3给出了输入信号初始相差30°、未加频偏、信噪比为-20 dB，锁相环环路带宽为0-1 Hz的仿真结果。这时所采用的比例系数为2－14，积分系数为2－33。仿真显示，需要5万点环路进入稳定锁定状态，主要是因为环路滤波器系数很小，锁定时间相对较长。

图4、图5所示是输入信号加10 Hz频偏、信噪比-5 dB条件下，带宽固定为2 Hz环路与变带宽（10～1 Hz）环路仿真对比图。从图中可以看出定带宽环路经过多次跳周后才锁定输入信号，变带宽环路一开始用较大带

宽迅速将输入信号捕获，再用较小带宽提高锁定精度。变

带宽的锁定速度快于定带宽，而且锁定后相位差基本一致。可见变带宽策略在很大程度上解决了捕获时间与锁定精度之间矛盾。

4 FPGA设计

在Matlab进行模型仿真的基础上，进一步在FPGA平台上实现数字锁相环。FPGA芯片为XC4VLX100-4，开发环境为ISE 8-2，综合工具为Synplicity 8-1，仿真工具为ModelSim 6-1b。在XC4VLX100-4芯片上实现后所用资源为slice资源45%，LUTs资源33%。

图6为FPGA平台实现后顶层RTL原理图。

5 结 语

深空测距中因其输入信号微弱，具有多普勒频偏等特点,这就要求锁相环带宽在一定范围可变的前提下尽量压窄。本文首先介绍数字锁相环结构为建立Matlab模型打下基础,再通过公式计算与模型仿真得到带宽低至0-1 Hz环路的系数,同时为克服超窄带锁相环锁定时间长的缺陷，设计可变带宽环路以加快锁定速度,最后通过仿真验证。

在实际设计中，整个环路主要考虑实现超窄带以提高对弱测距信号提取能力，故变带宽范围比较有限。为应付更大范围多普勒频偏，需要外部电路对NCO进行频率引导或添加锁频环电路。

参考文献

［1］Dick C,Harris F,Rice M.Synchronization in Software Radios.Carrier and Timing Recovery Using FPGAs[A].Field-Programmable Custom Computing Machines,2000 IEEE Symposium on:17-19 April 2000,Xilinx Inc,SanJose,CA,USA:IEEE,2000:195-204

［2］张欣.扩频通信数字基带信号处理算法及其VLSI实现[M].北京:科学出版社,2004.

［3］张安安,杜勇,韩方景,等.全数字Costas环在FPGA上的设计与实现[J].电子工程师,2006,32(1):18-20.

作者简介 李湘鲁 男，1983年出生，在读硕士研究生。研究方向为无线电深空测距。

基于DSP的双频超声波流量计硬件电路设计

王 敏 王经宇

摘 要：超声波流量测量技术是一种利用超声波信号在流体中传播时所载流体的流速信息来测量流体流量的新的测量技术，他具有非接触式测量、测量精度高、测量范围宽、安装维护方便等特点，特别适合用于临时管道流量、大口径管道流量以及危险性流体流量的测量。本文介绍了一种采用数字信号处理技术的双频超声波流量计的硬件电路设计方法。

关键词：超声波流量计；数字信号处理技术；双频；TMS320F2812

中图分类号：TP23 文献标识码：B

文章编号：1004373X(2008)0313103

Design of Dual Frequency Ultrasonic Flowmeter System Based on DSP Hardware Circuit

WANG Min1,WANG Jingyu2

(1.Technology School,Xi′an College of Career and Technology,Xi′an,710032,China;

2.Xi′an Qinhua Nature Gas Company,Xi′an,710075,China)

Abstract：Ultrasonic flow measurement technology is a kind of new testing technology,which uses ultrasonic signal to measure the flow rate of fluid.The ultrasonic signal carries the flow rate information when it transmits in the fluid.It has the following advantages:non-contact measurement,high accuracy,wide scope,convenient installment and maintenance,and so on.It specially suits in the flux measurement of temporary pipeline,heavy-caliber pipeline and the risky fluid.This paper introduces one of the hardware circuit design of the ultrasonic flowmeter adopting the digital signal processing technology and the dual frequency method.

Keywords：ultrasonic flowmeter;digital signal processing technology;dual frequency;TMS320F2812

1 引 言

超声就是指频率高出可听频率极限(即在20 kHz以上的频段)的弹性振动，这种振动以波动形式在介质中的传播过程就形成超声波。超声波技术应用于流量测量的原理是：由超声换能器产生的超声波以某一角度入射到流体中，在流体中传播的超声波就载有流体流速的信息，利用接收到的超声波信号就可以测量流体的流速和流量。上世纪70年代以后，由于集成电路技术的迅猛发展，高性能、高稳定性的锁相技术的出现与应用，才使实用的超声波流量计得以迅速发展。超声波流量计结构简单，压力损失小，而且使用方便，因而得到了广泛的应用。

根据超声波声道结构类型可分为单声道和多声道超声波流量计；根据超声波流量计适用的流道不同可分为管道流量计、管渠流量计和河流流量计；根据对信号的检测原理，超声波流量计非接触测量方法分为：传播时差法、多普勒法、波束偏移法及流动超声法等不同类型，其中传播时差法又分为直接时差法、相位差法和频差法。

双频超声波多普勒流量计能够产生两组异频、相互独立的超声波信号，两种频率用于识别和排除一系列的错误信号，他能有效去除噪声信号，并将准确识别出的多普勒信号进行平方放大。

本文给出了一种双频超声波流量计的硬件电路设计方法。

2 总体的系统设计

整个系统的硬件结构可以分为两大模块：超声波发射、接收探头及滤波放大电路的设计和数字系统的设计，如┩1所示。发射探头发射两个己知的固定频率的独立超声波信号，接收探头负责接收含有流体的流速信息的超声波。接收到的超声波分别被前置放大电路、带通滤波器放大器、混频器及低通滤波器处理获得含有流体流速信息的低频模拟多普勒信号，再送到数字系统部分的DSP(TMS320F2812)的模/数(A/D)转换器进行模数转换。TMS320F2812内部定时中断子程序进行数据采样，采集的数据送入环形数据缓冲区内，然后TMS320F2812对采样数据进行加窗处理、FFT变换求其功率谱、功率谱的延伸、叠加等处理得到多普勒频偏值，求得流速。单片机C8051F236通过SPI从DSP中读出流速的数据，再根据输入的仪表参数进行流量、累计流量等所需要的数据量的计算，并通过液晶显示器显示。除了测量以外，还可以通过键盘选择执行安装、测试、设置仪表和现场参数等多种操作。

系统总电路图如图2所示。系统总共有6个模块，分别是电源模块、发射模块(超声波产生和功率放大)、接收模块、DSP模块、扩展单元模块和单片机模块。

3 超声波的产生与功率放大

多普勒超声波测量中传感器的激励方式有单载频脉冲激励、连续正弦波激励和伪随机码信号激励等，由于连续正弦信号的采集较为容易，也适于作频谱分析，因此选用这种方式。

超声信号的频移反映了流速的信息，测准频移是保证测量精度的关键，愈少在频谱中引入干扰分量愈好，因此我们需要源信号有较高的纯度。一般的正弦振荡电路会有很多谐波分量，而且频率漂移较大，一旦调节好了频率又不易修改，使系统适应不同频率传感器的灵活性减低，但是DDS芯片可以解决这些问题。

DDS技术是一种把一系列数字量形式的信号通过DAC转换成模拟量形式信号的合成技术。目前使用最广泛的一种DDS方式是利用高速存储器作查寻表，然后通过高速DAC产生已经用数字形式存入的正弦波。

本系统选用的DDS芯片是AD公司生产的COMS型DDS芯片AD9850，该芯片最高可支持125 MHz的时钟频率，32位频率调节字可用并行或串行方式装入。+3.3 V或+5 V供电，极低功耗，28脚SSOP封装。AD9850有两种装载频率调节字的方式，无优劣之分。 AD9850有32位调节字，分为W0,W1,W2,W3,W4五个字节，每次只能写入一个字节，当W-CLK脚变高时，写入有效。FQ-UD有效时，AD9850读取新的调节字，[GK9!]产生新的频率输出。RESET有效时，清除调节字寄存器。

74HC574是8D锁存器，可将写入的数据保存在输出端直到下次时钟到来。AD9850的W-CLK,FQ-UD和RESET均通过74HC574连在DSP的GPIOA上，他们的时序是通过写入数据产生的。AD9850的工作时序如图3所示。

流体中有较高的颗粒含量，超声波的衰减较大，发射信号要有一定功率，因此功率放大不可少。由于超声波的频率较高(640 k和1.0 M)，进行功率放大时一般的功率放大集成电路带宽不够，因此只好用功率晶体管搭放大电路。具体电路如图4所示。该图为推挽式放大电路，Q1为NPN管(3DDSA)，Q2为PNP管(3CDSA)。DDS-IN接DDS的输出，变压器的输出接发送传感器。

4 接收模块

该模块主要是将探头接收到的信号进行调理，得到含有流体流速信息的多普勒频偏信号，供后续数字系统部分做进一步分析处理。接收探头接收到的信号分别通过中心频率为1 MHz和640 kHz的窄带带通波器，滤去其中的低频杂散噪声，放大以后送入解调器，输出含有流速信息的低频多普勒频偏信号，然后送入TMS320F2812的模/数转换器。具体电路如图5所示。

TLE2072是低噪声高速JFET输入运算放大器，他的单位增益带宽可达10 MHz，能满足信号放大带宽的要求，电路中起到前置放大及阻抗变换的作用。MC1350为可控增益选频放大器，中频变压器T1(T2)谐振频率为640 kHz(1 MHz)，对信号起带通滤波的作用，输出信号经TLE2072半波放大后，由RC滤波形成MC1350增益控制电压，从而使输人信号强度在较大范围内变化时得到一稳定的输出信号，此电路可使输入信号的波动范围达60 dB时输出保持稳定，保证系统的稳定工作。

接收信号放大电路输出的信号相对于发射信号产生了频移，此频移在0～3 kHz范围，反映流体的流速大小，由于此频移相对于发射信号频率较小，直接进行频率测量精度难以保证，所以采取混频措施得到差频信号。含有差频信息的高频信号通过CD4053模拟开关与发射信号的本振方波(CP1或CP2)进行乘积运算，经TLE2072阻抗变换后利用阻容滤波器进行低通滤波得到差频信号。

CD4053是带有逻辑电平转换的CMOS模拟复用器/解复用器。他是三个两通道的复用器，分别由数字控制输入(A,B,C)和一个固定输入使能，每个输入信号选择两通道中的一个。他也可以用做解复用器，“CHANNEL IN/OUT”终端是输出，“COMMON OUT/IN”终端是输入。

5 DSP系统

TMS320F2812数字信号处理器是TI公司最新推出的32位定点DSP控制器，是目前控制领域最先进的处理器之一。其频率高达150 MHz,大大提高了控制系统的控制精度和芯片处理能力。因此本系统以TMS320F2812为核心，对采样数据进行加窗处理、FFT变化求其功率谱、功率谱的延伸、叠加等处理得到多普勒频偏值，求得流速。并将流速信息通过SPI传送给单片机。

F2812采用3.3 V和1.8 V双电源供电，数字模拟地分离设计。DSP和3.3 V分开供电，LED1,LED2和LED3可用来显示电源供电情况。电源和地分模拟和数字，用电感隔离。由CPLD提供各种控制信号，如读、写、复位等。F2812通过SPISIMO,SPISOMI,SPICLK和SPISTE端口和单片机连接，来实现流速信息的传送。

6 电路板的设计

6.1 布局

对于主要模拟部分，在布局时得要遵守输出模拟信号线最短输出，输入模拟信号线最短输入，模拟器件的模拟地以最短距离到地的原则。

在布线时，先布信号流的线，而后布其他信号线和电源，最后连接地线。

由于数字电路对信号抗干扰要求不高，作者在布局布线的时候主要考虑以下几点：

(1) 信号线最短输入、最短输出，两层的信号线采取交叉走线；

(2) 电源线到芯片要尽量短，并要加粗；

(3) 高频信号要尽量单独走线。

(4) 为了美观，把贴片封装的芯片尽量靠在一起，插针的尽量在一起。

6.2 电源

当系统中有数字电源和模拟电源时，两种电源必须要分开，一般有两种方法：第一是采用被动滤波电路，即在两种电源之间自接加上电感或者磁珠，这种方法比较简单；

第二是从数字电源中利用电源模块产生模拟电源，这样也就是绝对的分离了。本系统采取第一种方法。

6.3 地

系统中有数字地和模拟地，一般有两种考虑方法：

(1) 采用一点相连；

(2) 采用电感或者磁珠相隔离。

在本系统中采用的是后者，分隔是通过一个200 mH的电感实现的。

7 结 语

由于频谱分析技术和双频法能大大提高超声波多普勒流量计的精度，本文综合两种方法设计了超声波多普勒流量计的硬件电路。以DSP TMS320F2812为核心对两[CM(21*2]

路频差信号分别进行采样、加窗处理、FFT变换求功率谱[CM)]

和功率谱的延伸、叠加等处理得到多普勒频偏值，求得流速。

参考文献

［1］姚新益.超声波流量计的特点及误差分析[J].计量技术,1999(8):40-42.

［2］黄萦雄.超声波流量计的发展与应用[J].自动化与仪表,1998(3):3-6.

［3］David Gerrard.The Many Benefit of Ultrasonic Flowmeters.C&I,1993.

［4］张秀梅.多普勒效应公式的一种新的推导方法[J].辽宁医学院学报,2001(2):70-71.

［5］TMS320F/C281x Digital Signal Processors Data Manual[S].Texas Instruments,2004.

［6］苏奎峰.TMS320F2812原理与开发[M].北京:电子工业出版社,2005.

作者简介

王 敏 女，1972年出生，西安市临潼区人，工学硕士，讲师。从事计算机、电工电子技术方面的教学及研究。

王经宇 男，1974年出生，西安市临潼区人，理学学士，工程师。从事计算机智能控制及软件的开发。

注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”