基于AD9957的通用數(shù)字調(diào)制器

蓋鵬翱,鄭世剛

（山東航天電子技術(shù)研究所，山東 煙臺 264670）

目前我國再入遙測系統(tǒng)主要采用PCM/FM體制，現(xiàn)又有PCM/DSSS/BSPK等體制的要求，按照一般的做法，需要每種體制對應(yīng)一種硬件電路。如果要增加一種新的信號調(diào)制方式，就需要重新設(shè)計，其缺點顯而易見。為了適應(yīng)多種調(diào)制方式的要求,采用軟件無線電的設(shè)計思想，把硬件設(shè)計成一個通用數(shù)字調(diào)制器，對每種調(diào)制體制單獨設(shè)計一個軟件模塊，這樣只需要調(diào)用某一軟件模塊就可以產(chǎn)生相應(yīng)的調(diào)制信號，使整個系統(tǒng)具備了很強(qiáng)的靈活性和開放性。

1 AD9957的結(jié)構(gòu)、原理及使用方法

1.1 AD9957的概述

AD9957是ADI公司生產(chǎn)的正交數(shù)字上變頻器(QDUC)系列中的第三款產(chǎn)品,其芯片內(nèi)部集成了高速的DDS內(nèi)核、時鐘倍頻/分頻器、數(shù)字插值濾波器、高達(dá)1 GS/s的14 bit的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器及其他功能模塊。在通信系統(tǒng)中，AD9957可以用作I/Q正交調(diào)制器或DDS或插值DAC，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。

AD9957是繼AD9856、AD9857之后，ADI公司的第三款QDUC，其成本、尺寸、功耗和動態(tài)性能較前兩者有較大提高。該芯片的最高內(nèi)部系統(tǒng)時鐘可達(dá)1 GS/s，其最大模擬輸出可達(dá)400 MHz,內(nèi)部 DAC采樣速率可達(dá)1 GS/s；相位噪聲極低,在400 MHz載波處最大為-125dBc/Hz@1kHz。其主要功能如下[1]：

(1)輸入數(shù)據(jù)通道：交替輸入的18 bit并行基帶同相/正交數(shù)據(jù)；

(2)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換器：將交替輸入的18 bit并行輸入數(shù)據(jù)分成同相、正交兩路分別沿著各自的數(shù)據(jù)通道進(jìn)行傳輸；

(3)由AD9957產(chǎn)生、輸出的PDCLK時鐘信號可以用來同步輸入的基帶同相/正交數(shù)據(jù)。

AD9957的內(nèi)部系統(tǒng)時鐘fSYSCLK是由時鐘倍頻得到的,可以通過對相應(yīng)的CFR3寄存器中相關(guān)位的設(shè)置來控制。

1.2 AD9957的工作原理和工作模式

AD9957只能完成基帶同相/正交信號的正交上變頻功能，需要基帶I/Q信號在進(jìn)入之前完成編碼、脈沖成型等信號處理過程。

AD9957的工作模式包括 QDUC模式(默認(rèn))、DAC插值模式和單頻調(diào)制模式,可通過設(shè)置CFR1寄存器中的相應(yīng)位完成工作模式的選擇。當(dāng)工作于正交調(diào)制模式時，DDS核提供給正交調(diào)制器一個正交載波，先與I/Q通道數(shù)據(jù)相乘，再將相乘后的信號相加或相減，將數(shù)據(jù)正交調(diào)制到所需要的頻率。本設(shè)計中，采用AD9957的正交調(diào)制模式，實現(xiàn)一個通用的數(shù)字調(diào)制器。

1.3 AD9957的使用方法

對AD9957的參數(shù)控制是通過一個同步串行接口(SCLK最大為70 MHz)實現(xiàn)的，可以控制的參數(shù)包括串口狀態(tài)設(shè)置、工作寄存器設(shè)定、工作模式設(shè)置、載波頻率設(shè)置、系統(tǒng)時鐘設(shè)置、內(nèi)部內(nèi)插倍數(shù)等。該同步串口可與Intel系列、Motorola系列等微處理器和FPGA相連。AD9957的同步串行接口包括 SCLK、CS、SDIO、SDO等信號，該接口可進(jìn)行讀/寫操作，訪問芯片內(nèi)部所有的配置寄存器。AD9957的通信周期分為兩個階段，第一個階段是指令階段，第二階段是數(shù)據(jù)的讀取或?qū)懭腚A段。串口讀寫時序如圖 2、圖 3所示[1]。

本設(shè)計中，對AD9957的控制由FPGA來完成，二者之間的主要接口信號如圖4所示。AD9957的各種可編程功能都由芯片內(nèi)部的配置寄存器進(jìn)行控制，由FPGA根據(jù)系統(tǒng)要求，通過同步串行接口（SCLK、SDIO、CS）編程修改相應(yīng)寄存器的值分別完成對工作模式、幅度控制字、相位控制字(PW)、頻率控制字(FTW)等參數(shù)的設(shè)置。設(shè)置好工作參數(shù)后，F(xiàn)PGA輸出經(jīng)過編碼、成型濾波等信號處理后的基帶I/Q數(shù)據(jù)，通過高速并行數(shù)據(jù)輸入通道注入到AD9957中，完成正交調(diào)制(上變頻)功能。

圖5為QDUC模式下，AD9957數(shù)據(jù)輸入通道的時序圖。圖中，在每個PDCLK的上升沿，AD9957捕捉一個18 bit數(shù)據(jù)，比如第 1個PDCLK捕捉一個 18 bit基帶 I數(shù)據(jù)，第 2個 PDCLK則捕捉一個 18 bit基帶 Q數(shù)據(jù)，如此交替下去。因此,每個基帶I/Q數(shù)據(jù)對（即1個復(fù)信號I+jQ）需要兩個PDCLK周期。

2 多模式調(diào)制算法分析

在軟件無線電中，多模式調(diào)制的思想是從信號空間映射的角度來定義信號調(diào)制，它是通過信號空間和矢量表示來表征信源信息 (調(diào)制信號)與已調(diào)信號之間的關(guān)系，作為一種統(tǒng)一結(jié)構(gòu)，適合于各種調(diào)制方式。

載波調(diào)制信號是一種帶通信號，可以表示為[2]：

式 中 ，A(t)、wc、θ(t)分 別 表 示 信 號 瞬 時 幅 度 、 載 波 頻 率 和瞬時相位。選擇正交基函數(shù)集{cos(wct)，sin(wct)}對 S(t)進(jìn)行正交展開，得到：

即已調(diào)信號 S(t)可以用同相 I(t)和正交Q(t)兩個矢量來表示。設(shè)m(t)為調(diào)制信號，信號調(diào)制分為兩個過程：(1)基 帶 調(diào) 制 ，m(t)轉(zhuǎn) 化 為{I(t),Q(t)}；(2)正 交 調(diào) 制 ：{I(t),Q(t)}轉(zhuǎn)化為S(t)。調(diào)制的方法是先根據(jù)調(diào)制方式求出I(t)、Q(t)、S(t)，然后分別與兩個正交本振 cos(wct)、sin(wct)相乘并求和，即可得到調(diào)制信號S(t)[2-3]。

圖6為信號調(diào)制數(shù)學(xué)模型，同相I(t)信號和正交Q(t)信號的采樣率與輸出信號的采樣率是一樣的，而根據(jù)奈奎斯特定理，輸出信號的采樣率要求至少大于本振信號的兩倍以上。實際上I(t)和Q(t)的有用信號帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于本振信號，即 I(t)和 Q(t)并不需要很高的采樣率，只需要采用大于2倍有用信號帶寬的采樣率即可。為了使產(chǎn)生的基帶I(t)和Q(t)信號與后面的采樣率相匹配，在進(jìn)行正交調(diào)制(與兩個正交本振混頻)前必須通過內(nèi)插把低采樣率的基帶信號提升到高的采樣率上，整個實現(xiàn)過程如圖7所示[2-3]。本文設(shè)計的通用數(shù)字調(diào)制器正是基于上述多模式調(diào)制基本理論。

圖6 信號調(diào)制數(shù)學(xué)模型

圖7 基于內(nèi)插的信號調(diào)制數(shù)學(xué)模型

3 調(diào)制算法分析

3.1 PCM/FM調(diào)制方式

調(diào)頻（FM）是使載波在某一固定載頻 ωc條件下，以調(diào)制信號m(t)去控制載波頻率。在ωc基礎(chǔ)上的增減“頻偏”與信號m(t)成正比變化，其一般表達(dá)式為[3]：

其中，KFM為調(diào)制指數(shù)，wc為載波頻率,P為信號功率。

在數(shù)字域表示形式為：

積分形式可由求和近似處理為(復(fù)化求積方式)：

遙測中頻信號在數(shù)字域的完整表示為：

根據(jù)式(8)，在實現(xiàn)FM時，先對調(diào)制信號進(jìn)行積分，然后對積分后的信號分別通過查表求取正弦和余弦即可，最后通過AD9957實現(xiàn)正交調(diào)制,即：

遙測PCM-FM中頻調(diào)制的原理框圖如圖8所示。

圖8 PCM/FM調(diào)制原理框圖

3.2 PCM/DSSS/BPSK調(diào)制方式

BPSK調(diào)制方式(即二進(jìn)制移相鍵控調(diào)制)，是受鍵控的載波相位按基帶脈沖序列的規(guī)律而改變的一種數(shù)字調(diào)制方式，其信號形式為[4]：

其中，A為信號幅度,m(t)是脈寬為Ts的單個矩形脈沖，而an的統(tǒng)計特性為：

直接序列擴(kuò)頻（DSSS）具有抗干擾能力強(qiáng)、截獲率低、多址能力強(qiáng)、抗多徑、保密性好等優(yōu)點，PCM/DSSS/BPSK系統(tǒng)由時鐘產(chǎn)生器、偽碼發(fā)生器、成型濾波器、擴(kuò)頻調(diào)制等模塊組成，如圖9所示。時鐘模塊用來提供各模塊的定時，偽碼產(chǎn)生器用于生成偽隨機(jī)序列（本設(shè)計中為Gold平衡碼），將它與編碼后的數(shù)據(jù)進(jìn)行模2加運(yùn)算，完成數(shù)據(jù)的擴(kuò)頻。

圖9 PCM/DSSS/BPSK調(diào)制

圖10 數(shù)字通用調(diào)制器原理框圖

4 AD9957在數(shù)字通用調(diào)制器中的應(yīng)用

4.1 AD9957的應(yīng)用框架

根據(jù)AD9957的原理及通用調(diào)制器的具體要求，設(shè)計了一個基于AD9957的數(shù)字通用調(diào)制器硬件平臺，如圖10所示。

圖10中，PCM遙測數(shù)據(jù)通過RS422接口、數(shù)字隔離后送入FPGA；FPGA內(nèi)部完成編碼、擴(kuò)頻調(diào)制、積分、成型濾波、I/Q通道分離等步驟，再送至AD9957完成數(shù)字上變頻，輸出70 MHz中頻調(diào)制信號,最后送入功放設(shè)備。對AD9957的串行配置由FPGA完成,接口如圖4所示。FPGA芯片選用了Xilinx公司SRAM型芯片XC2V3000，配置芯片選用 XCF16PVOG48C，它們之間通過Master SelectMAP方式配置。

4.2 實驗結(jié)果

圖11是PCM/FM調(diào)制方式下的頻譜圖，數(shù)據(jù)速率為 10 Mb/s,調(diào)制指數(shù)為 0.7；圖 12是 PCM/DSSS/BPSK調(diào)制方式下的頻譜圖,數(shù)據(jù)速率16 kb/s，PN碼速率為10.23 MC/s。

AD9957提供了基于軟件無線電思想的數(shù)字正交上變頻功能，具有很強(qiáng)的通用性、靈活性，非常適合應(yīng)用在軟件無線電中。

[1]Analog Devices,Inc.AD9957數(shù)據(jù)手冊[EB/OL].(2010-09-xx)[2012-10-27].http://www.analog.com.

[2]徐先超.復(fù)雜電磁環(huán)境中標(biāo)準(zhǔn)信號生成系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2008.

[3]THTTLEBEE W.軟件無線電技術(shù)與實現(xiàn)[M].楊小牛，譯.北京:電子工業(yè)出版社,2004.

[4]樊昌信,張甫翊，徐炳祥,等.通信原理(第 5版)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2001.