軟件無線電是近年來提出的一種新的無線通信體系結(jié)構(gòu)。它最初起源于軍事通信，是以開放的、可擴展的、結(jié)構(gòu)最簡的硬件為通用平臺，把盡可能多的功能用可升級、可替換的軟件來實現(xiàn)。軟件無線電的出現(xiàn)大大減小了硬件對通信系統(tǒng)的束縛，通過加載軟件就可以實現(xiàn)各種無線通信功能。
如何產(chǎn)生多種調(diào)制信號，一直是大家討論和關(guān)注的熱點。本文提出的方案就是基于超高速、先進DDS" title="DDS">DDS技術(shù)的數(shù)字中頻處理技術(shù)的方法，利用美AD公司推出的AD9954" title="AD9954">AD9954構(gòu)建一個硬件平臺，結(jié)合相應(yīng)的數(shù)字處理軟件和控制軟件，獲得多種調(diào)制信號。一方面由于體積變小，使用起來很方便，另一方面也大大降低了成本。
1 DDS的原理介紹
直接數(shù)字頻率合成器DDS是近年來發(fā)展起來的一種新的基于查找表的頻率合成技術(shù)。典型的DDS由相位累加器、ROM波形存儲表、D／A轉(zhuǎn)換器(Digital-to-AnalogConverter，DAC)和低通濾波器(LoW Passed Filter，LPF)組成，如圖1所示。
相位累加器由N位加法器與N位累加寄存器級聯(lián)構(gòu)成。每來一個時鐘脈沖fs，加法器將頻率控制字FTW與累加寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加，把相加后的結(jié)果送至累加寄存器的數(shù)據(jù)輸入端。累加寄存器將加法器在上一個時鐘脈沖作用后所產(chǎn)生的新相位數(shù)據(jù)反饋到加法器的輸入端，使加法器在下一個時鐘脈沖的作用下繼續(xù)與頻率控制字相加。這樣，相位累加器在時鐘作用下，不斷對頻率控制字進行線性相位累加。由此可以看出，相位累加器在每一個時鐘脈沖輸入時，把頻率控制字累加1次，相位累加器輸出的數(shù)據(jù)就是合成信號的相位，相位累加器的溢出頻率就是DDS輸出的信號頻率。
用相位累加器輸出的數(shù)據(jù)作為波形存儲(ROM)的相位取樣地址，這樣就可把存儲在波形存儲器內(nèi)的波形抽樣值(二進制編碼)經(jīng)查找表查出，完成相位到幅值轉(zhuǎn)換。波形存儲器的輸出送到D／A轉(zhuǎn)換器，D／A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量形式的波形幅值轉(zhuǎn)換成所要求合成頻率的模擬量形式信號。低通濾波器用于濾除不需要的取樣分量，以便輸出頻譜純凈的正弦波信號。
若相位累加器的位數(shù)為N．改變頻率控制字FTW或參考時鐘fs，就可以改變輸出頻率fo：
DDS在相對帶寬、頻率轉(zhuǎn)換時間、高分辨率、相位連續(xù)性、正交輸出以及集成化等一系列性能指標(biāo)方面遠遠超過了傳統(tǒng)頻率合成技術(shù)所能達到的水平，為系統(tǒng)提供了優(yōu)于模擬信號源的性能。
2 AD9954芯片的介紹
2．1 AD9954的主要性能特性
1)DDS采樣率可達400 MSPS；2)內(nèi)置14位DAC；3)32位相位累加器；4)波特率達25 M的SPI接口；5)內(nèi)置1 024x32位RAM，可實現(xiàn)內(nèi)部調(diào)制；6)內(nèi)部采用1．8 V供電，超低功耗；7)可自動線性和非線性掃頻。
2．2 AD9954的原理及工作過程
AD9954是采用先進的DDS技術(shù)開發(fā)的高集成度DDS器件。該芯片的速度是業(yè)界第一個時鐘達到400 MHz，合成技術(shù)高達160 MHz，功耗200 mW。以前產(chǎn)品的合成頻率只有120 MHz且功耗卻有2 W。它能使設(shè)計者采用DDS在功率敏感的應(yīng)用中在更高頻率輸出進行快速跳頻。
AD9954作為新型DDS系列的旗艦產(chǎn)品，內(nèi)置高速、高性能14位DAC，它內(nèi)含1 024x32靜態(tài)RAM，可實現(xiàn)高速調(diào)制，并支持幾種快速掃頻模式和精細的調(diào)諧分辨率(32位頻率調(diào)諧字)。可提供自定義的線性掃頻操作模式，采用自動線性和非線性掃描功能來控制頻率調(diào)諧和相位，其中頻率調(diào)諧和控制字通過串行I／O口加載到AD9954，可實現(xiàn)多片同步。
3 系統(tǒng)設(shè)計原理框圖
多種調(diào)制信號平臺由TI的430單片機、Altera公司的FPGA、AD公司的AD9954、外圍的濾波和整形電路搭建而成。其中以AD9954為核心元器件來產(chǎn)生原始的所需波形，如圖2所示。
通過MCU控制FPGA的調(diào)制類型狀態(tài)和DDS調(diào)制芯片的寄存器數(shù)值，完成利用人機界面對整體電路的控制和配置過程。FPGA將A／D轉(zhuǎn)換過后的基帶信號通過確定的調(diào)制方式再經(jīng)相應(yīng)的轉(zhuǎn)換送入DDS調(diào)制IC中。DDS的輸出信號經(jīng)功率放大后再進行輸出。
AD9954的串口與FPGA相連，F(xiàn)PGA通過AD9954的CS、SCLK、SDIO和SDO管腳向AD9954寫入數(shù)據(jù)和控制字。首先設(shè)置特定的寄存器控制字，允許RAM工作，接著將RAM輸出作為相位累加器的輸入給芯片提供頻率轉(zhuǎn)換字，然后寫好RAM段控制寄存器的值，定義起始地址、終止地址并選擇工作模式。例如，在RAM地址256～511中寫入計算好的頻率值，主要操作過程如下：
1)允許RAM操作，清除CFR<30>；2)選擇模式5即連續(xù)循環(huán)模式；3)選擇RAM段1，PS0=1，PS1=0；4)指令字節(jié)為00001001；5)定義通信階段的通信周期數(shù)為256，把數(shù)據(jù)寫入RAM存儲器地址256～511中：6)改變I／O UPDATE啟動模式工作。本系統(tǒng)可由地址的變化速率來計算調(diào)制速度，地址變化速率RAM段控制寄存器中的地址變化率控制字決定，其值的范圍是1～65 535，定義的時間是SYNC_CLK的周期數(shù)。由于SYNC_CLK最大為100 MHz，從而決定了地址變化率控制字為1時能定義的最快速度為100 MHz，假設(shè)一個波形要采集256個點，那么調(diào)制速度為100 MHz／256=400 kHz；如果采樣點為100個，則調(diào)制速度可達100 MHz／100=1 MHz。由于AD9954產(chǎn)生的調(diào)制波形采樣點多，采樣時間精確，因此波形性能較好。
4 輸出信號介紹及設(shè)置AD9954中的寄存器
4．1 正弦信號
正弦波信號廣泛地應(yīng)用于通信系統(tǒng)中，它可以作為載波信號來進行數(shù)字系統(tǒng)的調(diào)制，這不僅僅是因為它容易產(chǎn)生，最主要的是它便于接收并且形式簡單。其數(shù)學(xué)表達式為：
平臺上的實現(xiàn)：AD9954首先通過關(guān)閉RAM模式和線性掃頻模式來實現(xiàn)單頻模式，然后設(shè)置頻率字設(shè)置寄存器1來實現(xiàn)要獲得的頻率。它的頻率計算公式如下：
4．2 線性調(diào)頻信號
線性調(diào)頻信號是一種發(fā)射脈沖信號在信息脈沖持續(xù)時間T內(nèi)作線性變化，其瞬時頻率隨時間線性變化。這種信號的產(chǎn)生可以由一個鋸齒波控制壓控振蕩器實現(xiàn)，振蕩頻率隨鋸齒波而變化，因此脈沖信號的載頻從原來單一頻率展寬為一個頻帶?？梢杂靡韵卤磉_式來說明這個過程：
式中ω0為載波頻率的初始值，u為一個常數(shù)，因此線性調(diào)頻信號的瞬時相位聲φ(t)和線性調(diào)頻信號在信息脈沖持續(xù)時間T內(nèi)的表達式s(t)分別為：
平臺上的實現(xiàn)：在AD9954中通過設(shè)置控制寄存器CFR1的21位為1來實現(xiàn)這一功能，分別向兩個頻率字設(shè)置寄存器FTW1和FTW2寫入掃頻的起始頻率和結(jié)束頻率，指定頻差。對線性掃頻每次的步長通過線性掃頻控制字來設(shè)定，同時值得指出的是，可以選擇從低頻率到高頻率的掃頻，也可以選擇從高頻率到低頻率的掃頻。
4．3 FSK調(diào)制信號
FSK信號也可以分為2FSK信號和多進制數(shù)字頻率調(diào)制。2FSK信號是由信息源符號1和0對應(yīng)于不同的兩個載頻來實現(xiàn)調(diào)制的一種方式。其數(shù)學(xué)表達式為：
其中，g(t)為單個矩形脈沖，脈寬為Ts，
由于AD9954具有4個不同的RAM區(qū)，因此也可以實現(xiàn)四進制的頻率調(diào)制，其實現(xiàn)方式與相位調(diào)制類似。
4．4 BPSK,QPSK調(diào)制信號
BPSK，QPSK信號是載波相位按照基帶脈沖而改變的一種數(shù)字調(diào)制方式。BPSK和QPSK信號的表達式分別為：
g(t)是脈沖為L的單個矩形脈沖，其中：ak=cosψk，bk=sinψk(ψk為受調(diào)相位)
在這里實現(xiàn)的只是絕對移相方式，對于BPSK而言，是按照1對應(yīng)相位π，0對應(yīng)相位0的方式來實現(xiàn)的；對于QPSK信號，則是由2 bit脈沖信號的4種不同狀態(tài)來選擇4種不同的相位，4種相位有2組形式，可選擇0，π／2，3π／2，7π／2和π／4，3π／4，5π／4，7π／4中的任意一組作為參考相位。
要實現(xiàn)上述調(diào)制信號，必須使AD9954工作在RAM模式下，通過設(shè)置控制寄存器CFR1的21位為0，同時配合外部片選信號PS0，PS1來實現(xiàn)4個RAM區(qū)的轉(zhuǎn)換。每個RAM區(qū)的首地址中存儲的是相位信息。在這種模式下，RAM中存儲的數(shù)據(jù)就會作為相位累加器的相位輸入。選擇不同的RAM區(qū)，就會選擇不同的初始參考相位，從而達到相位調(diào)制的目的。
5 軟件系統(tǒng)設(shè)計
5．1 單片機編程
采用中斷的方式對AD9954寫入控制字，在每寫完一個控制字命令周期后，主機向AD9954發(fā)送一個更新信號，進入下一個控制命令字周期的寫入。在每寫完8 bit數(shù)據(jù)后就進行一次中斷，每中斷一次后設(shè)置標(biāo)志位，等待下一次中斷。主程序根據(jù)鍵盤選擇調(diào)制方式，按確定后選擇需要的調(diào)制信號，流程圖如圖3所示。
5．2 FPGA的編程設(shè)計
首先利用FPGA制作1個ROM表，該表中存入的是一組相位信息或者頻率信息，然后通過時鐘的分頻及譯碼電路獲得信息表的地址，將對應(yīng)地址的內(nèi)容作為輸出，最后通過1個判決電路(二選一電路)來控制輸出模式。ROM表中的地址內(nèi)容可以控制AD9954對實際相位值或?qū)嶋H頻率值的選擇。
由于FPGA的內(nèi)部時鐘存在一定的不穩(wěn)定性，因此在這里選用外部穩(wěn)定的晶振作為輸入，一方面提供了穩(wěn)定的時鐘輸入，另一方面又可以減小FPGA內(nèi)部寶貴資源的使用。
6 實驗輸出波形的時域和頻域分析圖
6．1 AM信號測試分析
AM系統(tǒng)頻域頻譜結(jié)構(gòu)和時域解調(diào)波形測試結(jié)果分別如圖5、圖6所示。
AM載波頻率設(shè)置為52．5 MHz，實際測得的中心頻率為52．500 663 MHz，頻率誤差為0．000 663／52．5=1．263x10-5，誤差在系統(tǒng)規(guī)定的范圍內(nèi)。
6．2 2FSK和4PSK信號測試分析
在該平臺下生成的FSK和QPSK頻譜如圖7、圖8所示。
2FSK信號是設(shè)置AD9954在Direct Switch模式下進行測試的，AD9954的系統(tǒng)時鐘為200 MHz，RAM0和RAM1設(shè)置的頻率值分別為9．7 MHz和9．9 MHz。設(shè)PS0=0，根據(jù)基帶信號0或1改變PS1的值為0或1即可產(chǎn)生2FSK信號。將2FSK信號波形數(shù)據(jù)采集并存儲后對其做FFT變換，畫出其頻譜圖如圖6所示，可見在9．69 MHz和9．88MHz有兩根譜線，證明采集到的為2FSK信號。
4PSK信號是設(shè)置AD9954在Direct Switch模式下進行測試的，AD9954的系統(tǒng)時鐘為200 MHz，RAM0、RAM1、RAM2和RAM3設(shè)置的頻率值分別為9．7 MHz、10．3 MHz、10MHz和10．9 MHz。根據(jù)基帶信號的0或1或2或3改變PS1和PS0的值即可產(chǎn)生4FSK信號。
7 結(jié)束語
本文介紹了采用先進DDS技術(shù)的AD9954性能特點和工作原理及過程，利用其可編程幅度、頻率、相位給出了AD9954在高速調(diào)制信號系統(tǒng)中的應(yīng)用方案，從而較方便地實現(xiàn)基于軟件無線電技術(shù)的各種調(diào)制信號。采用超高速、先進DDS技術(shù)的數(shù)字中頻處理技術(shù)的方法，構(gòu)建AD9954硬件實現(xiàn)平臺，結(jié)合相應(yīng)的數(shù)字處理軟件和控制軟件，可獲得調(diào)幅、噪聲調(diào)頻、FSK、PSK等多種調(diào)制信號。本文提出的硬件實現(xiàn)方案，為產(chǎn)生多模式信號提供了硬件平臺，具有較好的應(yīng)用價值。