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(kuò)展的、結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)的硬件為通用平臺(tái)，把盡可能多的功能用可升級(jí)、可替換的軟件來實(shí)現(xiàn)。軟件無線電的出現(xiàn)大大減小了硬件對(duì)通信系統(tǒng)的束縛，通過加載軟件就可以實(shí)現(xiàn)各種無線通信功能。
    如何產(chǎn)生多種調(diào)制信號(hào)，一直是大家討論和關(guān)注的熱點(diǎn)。本文提出的方案就是基于超高速、先進(jìn)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(gè)硬件平臺(tái)，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(hào)。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(chǔ)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(jí)聯(lián)構(gòu)成。每來一個(gè)時(shí)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(gè)時(shí)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(gè)時(shí)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(shí)鐘作用下，不斷對(duì)頻率控制字進(jìn)行線性相位累加。由此可以看出，相位累加器在每一個(gè)時(shí)鐘脈沖輸入時(shí)，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(hào)的相位，相位累加器的溢出頻率就是DDS輸出的信號(hào)頻率。
    用相位累加器輸出的數(shù)據(jù)作為波形存儲(chǔ)(ROM)的相位取樣地址，這樣就可把存儲(chǔ)在波形存儲(chǔ)器內(nèi)的波形抽樣值(二進(jìn)制編碼)經(jīng)查找表查出，完成相位到幅值轉(zhuǎn)換。波形存儲(chǔ)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(hào)。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(hào)。
    若相位累加器的位數(shù)為N．改變頻率控制字FTW或參考時(shí)鐘fs，就可以改變輸出頻率fo：
    
     DDS在相對(duì)帶寬、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)頻率合成技術(shù)所能達(dá)到的水平，為系統(tǒng)提供了優(yōu)于模擬信號(hào)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(dá)400 MSPS；2)內(nèi)置14位DAC；3)32位相位累加器；4)波特率達(dá)25 M的SPI接口；5)內(nèi)置1 024x32位RAM，可實(shí)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(dòng)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(jìn)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(gè)時(shí)鐘達(dá)到400 MHz，合成技術(shù)高達(dá)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(jì)者采用DDS在功率敏感的應(yīng)用中在更高頻率輸出進(jìn)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(shí)現(xiàn)高速調(diào)制，并支持幾種快速掃頻模式和精細(xì)的調(diào)諧分辨率(32位頻率調(diào)諧字)?？商峁┳远x的線性掃頻操作模式，采用自動(dòng)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(shí)現(xiàn)多片同步。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖
    多種調(diào)制信號(hào)平臺(tái)由TI的430單片機(jī)、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(jī)界面對(duì)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(hào)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(hào)經(jīng)功率放大后再進(jìn)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(jì)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(chǔ)器地址256～511中：6)改變I／O UPDATE啟動(dòng)模式工作。本系統(tǒng)可由地址的變化速率來計(jì)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(shí)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(shí)能定義的最快速度為100 MHz，假設(shè)一個(gè)波形要采集256個(gè)點(diǎn)，那么調(diào)制速度為100 MHz／256=400 kHz；如果采樣點(diǎn)為100個(gè)，則調(diào)制速度可達(dá)100 MHz／100=1 MHz。由于AD9954產(chǎn)生的調(diào)制波形采樣點(diǎn)多，采樣時(shí)間精確，因此波形性能較好。

4 輸出信號(hào)介紹及設(shè)置AD9954中的寄存器
4．1 正弦信號(hào)
    正弦波信號(hào)廣泛地應(yīng)用于通信系統(tǒng)中，它可以作為載波信號(hào)來進(jìn)行數(shù)字系統(tǒng)的調(diào)制，這不僅僅是因?yàn)樗菀桩a(chǎn)生，最主要的是它便于接收并且形式簡(jiǎn)單。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
   
    平臺(tái)上的實(shí)現(xiàn)：AD9954首先通過關(guān)閉RAM模式和線性掃頻模式來實(shí)現(xiàn)單頻模式，然后設(shè)置頻率字設(shè)置寄存器1來實(shí)現(xiàn)要獲得的頻率。它的頻率計(jì)算公式如下：
   
4．2 線性調(diào)頻信號(hào)
    線性調(diào)頻信號(hào)是一種發(fā)射脈沖信號(hào)在信息脈沖持續(xù)時(shí)間T內(nèi)作線性變化，其瞬時(shí)頻率隨時(shí)間線性變化。這種信號(hào)的產(chǎn)生可以由一個(gè)鋸齒波控制壓控振蕩器實(shí)現(xiàn)，振蕩頻率隨鋸齒波而變化，因此脈沖信號(hào)的載頻從原來單一頻率展寬為一個(gè)頻帶。可以用以下表達(dá)式來說明這個(gè)過程：
   
    式中ω0為載波頻率的初始值，u為一個(gè)常數(shù)，因此線性調(diào)頻信號(hào)的瞬時(shí)相位聲φ(t)和線性調(diào)頻信號(hào)在信息脈沖持續(xù)時(shí)間T內(nèi)的表達(dá)式s(t)分別為：
   
    平臺(tái)上的實(shí)現(xiàn)：在AD9954中通過設(shè)置控制寄存器CFR1的21位為1來實(shí)現(xiàn)這一功能，分別向兩個(gè)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(duì)線性掃頻每次的步長(zhǎng)通過線性掃頻控制字來設(shè)定，同時(shí)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(hào)
    FSK信號(hào)也可以分為2FSK信號(hào)和多進(jìn)制數(shù)字頻率調(diào)制。2FSK信號(hào)是由信息源符號(hào)1和0對(duì)應(yīng)于不同的兩個(gè)載頻來實(shí)現(xiàn)調(diào)制的一種方式。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
   
    其中，g(t)為單個(gè)矩形脈沖，脈寬為Ts，
   
    由于AD9954具有4個(gè)不同的RAM區(qū)，因此也可以實(shí)現(xiàn)四進(jìn)制的頻率調(diào)制，其實(shí)現(xiàn)方式與相位調(diào)制類似。
4．4 BPSK,QPSK調(diào)制信號(hào)
    BPSK，QPSK信號(hào)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(hào)的表達(dá)式分別為：
   
    g(t)是脈沖為L(zhǎng)的單個(gè)矩形脈沖，其中：ak=cosψk，bk=sinψk(ψk為受調(diào)相位)
    在這里實(shí)現(xiàn)的只是絕對(duì)移相方式，對(duì)于BPSK而言，是按照1對(duì)應(yīng)相位π，0對(duì)應(yīng)相位0的方式來實(shí)現(xiàn)的；對(duì)于QPSK信號(hào)，則是由2 bit脈沖信號(hào)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(shí)現(xiàn)上述調(diào)制信號(hào)，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(shí)配合外部片選信號(hào)PS0，PS1來實(shí)現(xiàn)4個(gè)RAM區(qū)的轉(zhuǎn)換。每個(gè)RAM區(qū)的首地址中存儲(chǔ)的是相位信息。在這種模式下，RAM中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)就會(huì)作為相位累加器的相位輸入。選擇不同的RAM區(qū)，就會(huì)選擇不同的初始參考相位，從而達(dá)到相位調(diào)制的目的。

5 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
5．1 單片機(jī)編程
    采用中斷的方式對(duì)AD9954寫入控制字，在每寫完一個(gè)控制字命令周期后，主機(jī)向AD9954發(fā)送一個(gè)更新信號(hào)，進(jìn)入下一個(gè)控制命令字周期的寫入。在每寫完8 bit數(shù)據(jù)后就進(jìn)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(hào)，流程圖如圖3所示。

5．2 FPGA的編程設(shè)計(jì)
    首先利用FPGA制作1個(gè)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(shí)鐘的分頻及譯碼電路獲得信息表的地址，將對(duì)應(yīng)地址的內(nèi)容作為輸出，最后通過1個(gè)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(duì)實(shí)際相位值或?qū)嶋H頻率值的選擇。

    由于FPGA的內(nèi)部時(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)輸出波形的時(shí)域和頻域分析圖
6．1 AM信號(hào)測(cè)試分析
    AM系統(tǒng)頻域頻譜結(jié)構(gòu)和時(shí)域解調(diào)波形測(cè)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(shí)際測(cè)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(hào)測(cè)試分析
    在該平臺(tái)下生成的FSK和QPSK頻譜如圖7、圖8所示。

    2FSK信號(hào)是設(shè)置AD9954在Direct Switch模式下進(jìn)行測(cè)試的，AD9954的系統(tǒng)時(shí)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(hào)0或1改變PS1的值為0或1即可產(chǎn)生2FSK信號(hào)。將2FSK信號(hào)波形數(shù)據(jù)采集并存儲(chǔ)后對(duì)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(hào)。
    4PSK信號(hào)是設(shè)置AD9954在Direct Switch模式下進(jìn)行測(cè)試的，AD9954的系統(tǒng)時(shí)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(hào)的0或1或2或3改變PS1和PS0的值即可產(chǎn)生4FSK信號(hào)。

7 結(jié)束語
    本文介紹了采用先進(jìn)DDS技術(shù)的AD9954性能特點(diǎn)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(hào)系統(tǒng)中的應(yīng)用方案，從而較方便地實(shí)現(xiàn)基于軟件無線電技術(shù)的各種調(diào)制信號(hào)。采用超高速、先進(jìn)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(shí)現(xiàn)平臺(tái)，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(hào)。本文提出的硬件實(shí)現(xiàn)方案，為產(chǎn)生多模式信號(hào)提供了硬件平臺(tái)，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。