摘  要： 設(shè)計(jì)了能夠傳輸英文字母、漢字及圖像信息的數(shù)字調(diào)制－解調(diào)無(wú)線通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、單點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的異步單工通信。發(fā)射機(jī)由控制器、調(diào)制電路、高頻功率放大器、天線、顯示電路及電源部分組成。發(fā)射機(jī)采用計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)PS/2鍵盤錄入信息，并用拼音輸入法實(shí)現(xiàn)漢字的錄入。接收機(jī)由解調(diào)電路、數(shù)據(jù)處理器、顯示電路及電源部分組成。整機(jī)實(shí)現(xiàn)了在30.0 MHz低載波頻率下的高速數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸速率可設(shè)為1.2 kb/s、9.6 kb/s、57.6 kb/s、115.2 kb/s。
關(guān)鍵詞： DDS；FSK；無(wú)線通信

    DDS技術(shù)是近幾年來(lái)迅速發(fā)展的頻率合成技術(shù)，它采用全數(shù)字化的技術(shù)，具有集成度高、體積小、相對(duì)帶寬寬、頻率分辨率高、跳頻時(shí)間短、相位連續(xù)性好、可以寬帶正交輸出、可以外加調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)，并方便與控制器接口構(gòu)成智能化的頻率源。由于基準(zhǔn)時(shí)鐘的頻率一般固定，因此相位累加器的位數(shù)決定了頻率分辨率，位數(shù)越多，分辨率越高?；贒DS諸多優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)采用DDS技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)制功能[1-2]，充分發(fā)揮DDS的優(yōu)勢(shì)，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大。
1 硬件實(shí)現(xiàn)及工作原理
    本系統(tǒng)為一套無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，硬件電路分為發(fā)射機(jī)電路和接收機(jī)電路兩部分[3-5]。
1.1 發(fā)射機(jī)電路
    如圖1所示，發(fā)射機(jī)硬件電路主要由控制器、調(diào)制電路、高頻功率放大器、天線、顯示電路與電源部分組成。

    控制器以TI公司高性能混合信號(hào)處理器MSP430F169為核心，完成對(duì)DDS、鍵盤、LCD顯示器的控制和信息處理的功能。MSP430F169為16 bit具有精簡(jiǎn)指令集的超低功耗混合信號(hào)處理器(Mixed Signal Processor)，采用1.8 V~3.6 V電源電壓，在1 MHz的時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí)，芯片的電流在200 μA~400 μA，時(shí)鐘關(guān)斷模式的最低功耗只有0.2 μA，在8 MHz晶體驅(qū)動(dòng)下指令周期為125 ns。且MSP430F169具有豐富的片上外圍模塊，如看門狗、模擬比較器、定時(shí)器、串口、硬件乘法器等。在本系統(tǒng)中，MSP430F169工作在3.3 V電壓、8 MHz主頻下。
    調(diào)制電路以ADI公司單片DDS芯片AD9854為核心。該芯片最高系統(tǒng)時(shí)鐘為300 MHz，理論輸出信號(hào)頻率范圍為直流到150 MHz，最高并行編程速率為100 MHz，采用3.3 V單電源供電，與上述控制器芯片匹配，無(wú)需加電平轉(zhuǎn)換電路，從而實(shí)現(xiàn)控制器與調(diào)制器的無(wú)縫接口。AD9854支持10 MHz串行通信方式和100 MHz并行通信方式，本系統(tǒng)采用串行數(shù)據(jù)輸入方式。AD9854內(nèi)置4～20倍頻的PLL，外部較低頻率的參考時(shí)鐘可通過倍頻后得到300 MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘，這樣就避免了設(shè)計(jì)高頻參考時(shí)鐘的難度，降低了高頻時(shí)鐘干擾。AD9854參考時(shí)鐘的輸入有單端輸入和差分輸入兩種方式，為了使電路簡(jiǎn)單，本設(shè)計(jì)選用單端輸入方式。外部20 MHz有源晶振輸出經(jīng)PLL電路15倍頻到300 MHz后作為系統(tǒng)時(shí)鐘。濾波器采用由3個(gè)電感和7個(gè)電容構(gòu)成的七階橢圓濾波器，因?yàn)锳D9854的最高工作頻率為300 MHz，而DDS輸出最高頻率為系統(tǒng)工作頻率的40%左右，所以本方案中濾波器的截止頻率設(shè)計(jì)為120 MHz，有效濾除了高頻干擾，使輸出信號(hào)較為平滑。
    高頻功率放大器工作在丙類方式，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的效率。顯示器采用LCM128 128×64點(diǎn)字符點(diǎn)陣液晶顯示器，用來(lái)完成人機(jī)交互界面和信息的顯示功能。電源部分采用LM2576-3.3三端穩(wěn)壓片，能夠提供最高3 A的電流輸出，完全滿足本系統(tǒng)的要求。同時(shí)為了防止AD9854工作時(shí)對(duì)電源造成干擾，電路設(shè)計(jì)采用了大量的濾波電容，且對(duì)數(shù)字電源和模擬電源作了很好的隔離，以防止數(shù)字電源對(duì)模擬電源的串?dāng)_。
1.2 接收機(jī)電路
    接收機(jī)硬件電路由解調(diào)電路、數(shù)據(jù)處理器、顯示電路及電源部分組成，接收機(jī)框圖如圖2所示。

    解調(diào)器以飛利浦專用FSK解調(diào)芯SA639DH為核心部件。它具有靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大、傳輸速率快、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。天線接收到的信號(hào)經(jīng)輸入回路取出的2FSK信號(hào)與本振信號(hào)同時(shí)送入乘法器進(jìn)行混頻，再經(jīng)一級(jí)帶通濾波器濾除高頻分量取其下變頻到中頻，然后進(jìn)行中頻放大后經(jīng)二級(jí)帶通濾波送入限幅放大器進(jìn)行限幅放大。限幅放大后的信號(hào)被分成兩路，一路直接送入乘法器，另一路經(jīng)移相網(wǎng)絡(luò)移相90°產(chǎn)生調(diào)相調(diào)頻波再送乘法器，兩路信號(hào)進(jìn)行相位比較，乘法器輸出的信號(hào)經(jīng)低通濾波器取出原調(diào)制信號(hào)，然后再把該信號(hào)送入比較器進(jìn)行整形后送信號(hào)處理器進(jìn)行處理。
    接收機(jī)數(shù)據(jù)處理器同樣采用MSP430F169，顯示器采用與發(fā)射機(jī)相同的LCM12864。由于接收機(jī)部分與發(fā)射機(jī)相比功耗低，故接收機(jī)電源部分采用兩節(jié)5號(hào)干電池串聯(lián)供電。
2 系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)
2.1 發(fā)射機(jī)的軟件設(shè)計(jì)
    發(fā)射機(jī)上電后，首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括對(duì)控制器本身的端口配置、片內(nèi)外設(shè)的配置，以及外部的AD9854[6]、PS2鍵盤和顯示器等部件的初始化。初始化結(jié)束后系統(tǒng)進(jìn)入休眠模式，直到被外部鍵盤產(chǎn)生的中斷喚醒。然后根據(jù)得到的按鍵鍵碼進(jìn)行相應(yīng)處理。為了讓AD9854產(chǎn)生2FSK信號(hào)，需進(jìn)行如下的初始化過程：S/P SELECT置1或置0以決定輸入數(shù)據(jù)是并行還是串行。1為并行，0為串行；本系統(tǒng)采用串行接口，在SCLK信號(hào)控制下從并行輸入口D0～D1寫入48 bit并行寄存器，或在SCLK控制下從串行輸入口SDATA寫入48 bit串行寄存器。發(fā)射機(jī)的軟件流程圖如圖3所示（注：在發(fā)射機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)有3幅圖片）。

2.2 接收機(jī)的軟件設(shè)計(jì)
    接收機(jī)不需要區(qū)分接收到的是英文字符還是漢字，故軟件設(shè)計(jì)相對(duì)發(fā)射機(jī)來(lái)說(shuō)較容易。同樣，開始對(duì)信號(hào)處理器以及外設(shè)進(jìn)行初始化，使其工作在等待信息接收狀態(tài)，此時(shí)，只有接收機(jī)射頻部分電路工作，其他部件處于休眠模式。當(dāng)接收機(jī)檢查到有信息到來(lái)時(shí)，通過中斷喚醒控制器，控制器再喚醒其他外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)接收和處理。接收到的信息經(jīng)信號(hào)處理器判斷，如果為字符（包括英文字符和漢字），則控制LCD進(jìn)入字符模式，進(jìn)行字符的顯示；如果為圖片，則控制LCD進(jìn)入圖片模式，進(jìn)行圖片顯示。接收機(jī)的軟件流程如圖4所示。

    (3)發(fā)射功率：在發(fā)射功率級(jí)末端接50 Ω假負(fù)載，用100 MHz數(shù)字示波器測(cè)得發(fā)射信號(hào)的輸出電壓峰峰值VP-P，據(jù)公式P=V2P-P/8RL，得到發(fā)射功率值，實(shí)驗(yàn)測(cè)得VP-P=2.98 V，P=V2P-P/8RL=22.2 mW。
    (4)傳輸速率：發(fā)射機(jī)、接收機(jī)在通信距離為10 m的情況下，分別以1.2 kb/s、9.6 kb/s、57.6 kb/s、115.2 kb/s的波特率傳送5次20個(gè)漢字，漢字錯(cuò)誤率均為零。
    (5)圖形傳送功能：發(fā)射機(jī)、接收機(jī)。發(fā)射機(jī)調(diào)用機(jī)內(nèi)自帶的三幅圖形（分別為公雞、小兔及西工大?；眨┮渣c(diǎn)陣的形式傳送，接收機(jī)能夠不失真接收，說(shuō)明本系統(tǒng)具有圖形的點(diǎn)陣傳送功能。
    本系統(tǒng)可以簡(jiǎn)單高效地進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，是實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信的一種簡(jiǎn)單可行的設(shè)計(jì)方案。經(jīng)過系統(tǒng)測(cè)試，系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)令人滿意，工作可靠。另外，由于本系統(tǒng)采用DDS來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)制，故可以比較容易地改變調(diào)制信號(hào)頻率，為實(shí)現(xiàn)跳頻通信提供了方便。
參考文獻(xiàn)
[1] 陳邦媛.射頻通信線路[M].北京：科學(xué)出版社，2002.
[2] 樊昌信，張甫翊，徐炳祥，等.通信原理(第5版)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2003.
[3] 劉暢生.新型集成電路簡(jiǎn)明手冊(cè)及典型應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2005.
[4] 李朝青.單片機(jī)&DSP外圍數(shù)字IC技術(shù)手冊(cè)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.
[5] 黃智偉.無(wú)線發(fā)射與接收電路設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.
[6] Analog Devices.CMOS 300 MSP Complete DDS AD9854[M]. Analog Devices Inc.2007.