基于AD9854的數(shù)字短波通信發(fā)射機(jī)設(shè)計

宋宇飛

（南京工程學(xué)院通信工程學(xué)院，南京211167）

基于AD9854的數(shù)字短波通信發(fā)射機(jī)設(shè)計

宋宇飛

（南京工程學(xué)院通信工程學(xué)院，南京211167）

現(xiàn)代數(shù)字通信技術(shù)發(fā)展迅速，短波通信仍有其特有優(yōu)點，在軍事通信中使用廣泛。根據(jù)短波通信的發(fā)展?fàn)顩r和性能特點，分析了常用短波發(fā)射機(jī)的功能要求，基于DDS芯片AD9854設(shè)計了高性能數(shù)字短波發(fā)射機(jī)的方案。本設(shè)計給出了系統(tǒng)原理圖及主要模塊電路，包括橢圓濾波模塊、功率放大模塊，并設(shè)計了軟件控制部分，最后展望了數(shù)字短波通信發(fā)射機(jī)的改進(jìn)方向。

短波通信，發(fā)射機(jī)，直接數(shù)字頻率合成，AD9854

0 引言

短波是指頻率為3 MHz～30 MHz的無線電波。短波的波長短，沿地球表面?zhèn)鞑サ牡夭ɡ@射能力差，傳播的有效距離短。短波以天波形式傳播時，在電離層中所受到的吸收作用小，有利于電離層的反射。經(jīng)過一次反射可以得到100 km～4 000 km的跳躍距離。經(jīng)過電離層和大地的幾次連續(xù)反射，傳播的距離更遠(yuǎn)。無線廣播中的短波（SW）頻率范圍我國規(guī)定為2 MHz～24 MHz。

短波通信也稱高頻HF（HighFrequeney）通信，由于其不依靠人工中繼，僅靠電離層傳輸，就可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離無線通信，故被認(rèn)為是有效而經(jīng)濟(jì)的軍事及應(yīng)急通信手段，廣泛地用以傳送語言、文字、圖像、數(shù)據(jù)等信息，其現(xiàn)在是高空飛行和海上航行的必備通信方式，尤其在軍事部門，其始終是軍事指揮通信的重要手段之一。

1 DDS原理

頻率合成的概念就是由一個或幾個參考頻率通過一些轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生一個或多個頻率信號的過程。在經(jīng)歷了直接頻率合成（DS），鎖相環(huán)（PLL）等發(fā)展階段后，如今廣泛使用的是直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)。

與傳統(tǒng)信號產(chǎn)生方法相比，DDS具有許多明顯的優(yōu)點，能夠數(shù)字可控地精確設(shè)定輸出頻率，提高頻率分辨率，最高可達(dá)到1 μHz以上，而且具有頻率穩(wěn)定度高，相位噪聲低，變頻相位連續(xù)，可實現(xiàn)理想的正交輸出，系統(tǒng)參數(shù)和輸出頻率不隨著時間改變，同時可以通過軟件和硬件對系統(tǒng)進(jìn)行各種補(bǔ)償。因此，它是當(dāng)前使用最廣泛的性能較好的信號生成方式。

圖1 DDS原理圖

如圖1所示，DDS由相位累加器、正弦查詢表、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）和低通濾波器組成。參考時鐘是一個穩(wěn)定的晶體振蕩器，用它來同步整個合成器的各個組成部分，相位累加器類似于一個簡單的計數(shù)器，在每個時鐘脈沖輸入時，它的輸出就增加一個步長的相位增量值。相位累加器把頻率控制字K的數(shù)據(jù)變成相位抽樣來確定輸出頻率的大小。相位增量的大小隨外部指令K的不同而不同，一旦給定了相位增量，輸出頻率也就確定了。正弦查詢表是一個可編程只讀存儲器（PROM），存有一個或多個完整周期的正弦波數(shù)據(jù)。在時鐘fc驅(qū)動下，地址計數(shù)器逐步經(jīng)過PROM存儲器的地址，地址中相應(yīng)的數(shù)字信號輸出到N位DAC的輸入端，由DAC轉(zhuǎn)換成模擬信號。當(dāng)用這樣的數(shù)據(jù)尋址時，正弦查表就把存儲在相位累加器中的抽樣值轉(zhuǎn)換成正弦波幅度的數(shù)字量函數(shù)。數(shù)/模轉(zhuǎn)換器把數(shù)字量變成模擬量，低通濾波器（LPF）進(jìn)一步平滑并濾掉帶外雜散信號，得到所需正弦波波形。

圖2 頻率、相位、幅度可編程DDS結(jié)構(gòu)圖

一個頻率、相位、幅度可編程DDS結(jié)構(gòu)如圖2所示。DDS系統(tǒng)的核心是相位累加器，它由一個N位字長的二進(jìn)制加法器和一個由時鐘fc取樣的N位相位寄存器組成，作用是對頻率控制字K進(jìn)行線性累加。波形存儲器中所存儲的是一張函數(shù)波形查詢表，對應(yīng)不同的相位碼址輸出不同的幅度編碼。當(dāng)相位控制字為0，幅度控制字為1時，相位累加器輸出的相位序列對波形存儲器尋址，得到一系列離散的幅度編碼。該幅度編碼經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后得到對應(yīng)的階梯波，最后經(jīng)低通濾波器平滑后可得到所需的模擬波形。

2 硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計

系統(tǒng)的設(shè)計基于直接頻率合成（DDS）技術(shù)，通過單片機(jī)AT89C52控制AD9852，實現(xiàn)數(shù)字信號的頻移鍵控（FSK）和相移鍵控（PSK）調(diào)制。AD9854輸出的調(diào)制信號經(jīng)過濾波器的平滑作用，濾除雜波分量，再經(jīng)過功率放大電路后從天線發(fā)射出去。系統(tǒng)總框圖如圖3所示。

圖3 短波通信發(fā)射機(jī)系統(tǒng)框圖

2.2 AD9854模塊

Analog Device公司AD9854是一款功能很強(qiáng)的DDS芯片，其時鐘頻率為300 MHz，內(nèi)部集成了12位DAC，頻率控制位48位，相位累加器的位數(shù)為14位，幅度控制位12位，頻率分辨率可為1 μHz，并且具有PSK、FSK、ASK等數(shù)字調(diào)制功能。另外，AD9854內(nèi)含4倍～20倍可編程時鐘倍頻器，可以降低對晶振的要求。

故用AD9854為核心構(gòu)成頻率源時，只需一個精確的參考時鐘，輔以必要的數(shù)字控制，其就會產(chǎn)生一個高穩(wěn)定度、頻率相位幅度均可編程的正弦信號輸出。由于AD9854的輸出頻率最高可達(dá)140 M，這樣系統(tǒng)不需變頻就能覆蓋短波全波段，方便實現(xiàn)短波通信發(fā)射機(jī)。

AD9854的參考時鐘頻率fc為300 MHz，輸出信號的頻率fo為3 MHz～100 MHz，輸出的最大頻率為fmax為100 MHz。

2.3 濾波模塊

由于有源濾波器中大多數(shù)運算放大器的開環(huán)增益不夠和頻帶的限制，有源濾波器主要應(yīng)用于低頻場合。系統(tǒng)設(shè)計采用的AD9854的工作時鐘頻率高達(dá)300 MHz，輸出最高頻率為150 MHz，因此，采用無源低通濾波器。

如下頁圖4，本次設(shè)計采用橢圓型低通濾波器實現(xiàn)濾除DDS的大量諧波分量和系統(tǒng)時鐘干擾，使信號平滑，其主要技術(shù)指標(biāo)是：輸入阻抗和輸出阻抗均為50 Ω；3 dB截止頻率為30 MHz；最低阻帶截止頻率為50 MHz，此處的最小阻帶衰減為80 dB；通帶內(nèi)電平波動小于0.2 dB。

圖47 階橢圓濾波器及其特征

2.4 功率放大模塊

AD8320是一款數(shù)字控制的可變增益放大器，它由一個8位串行數(shù)據(jù)在36 dB（256增益級）范圍內(nèi)決定所需輸出增益，且為線性的對應(yīng)關(guān)系。AD8320由一個數(shù)字控制的變化范圍為0 dB～-36 dB的衰減器，一個低噪聲固定增益緩沖器和一個低失真的功率放大器組成。它具有一個輸入阻抗為220 Ω的單端輸入以及一個額定驅(qū)動為75 Ω的輸出，可以驅(qū)動同軸電纜等負(fù)載，而且在加電和掉電模式保持75 Ω輸出阻抗不變。AD8320與單片機(jī)連接如圖5所示。

圖5 功率放大模塊

3 軟件設(shè)計

3.1 軟件功能設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計思想，在總體設(shè)計中采用“自頂而下”的方法，在程序設(shè)計中采用模塊化編程。自頂而下的設(shè)計方法就是先考慮整體目標(biāo)，明確整體任務(wù)，然后把整體任務(wù)分成一個個子任務(wù)，子任務(wù)再分成子子任務(wù)，這樣逐層細(xì)分，同時分析各層次間及同一層次各任務(wù)間的關(guān)系，最后擬定各任務(wù)的細(xì)節(jié)。這樣，無論整個儀器的功能多么復(fù)雜，都可以分成若干個易解決的模塊。對每個程序模塊都規(guī)定了它的功能，明確了輸入和輸出。將這些程序模塊連接起來后，就構(gòu)成了整體程序流程圖。

3.2 AD9854初始化設(shè)計

AD9854初始化流程：

圖6 軟件系統(tǒng)功能框圖

（1）要保證上電后復(fù)位，Master RESET高有效，最少持續(xù)10個系統(tǒng)時鐘周期；

（2）選擇參考信號輸入方式，若采用單端輸入方式，REFCLKB應(yīng)電源或接地。若采用多片AD9854產(chǎn)生多個相位相互關(guān)聯(lián)的正弦波，應(yīng)選用差分模式，以減少各個DDS參考時鐘的相位誤差，我們采用的是單端輸入模式；

（3）數(shù)據(jù)在WR信號控制下從并行輸入口D0～D7寫入48位并行寄存器，或在SCLK控制下從串行輸入口SDATA寫入48位串行寄存器；

（4）對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，我采用的是并行；

（5）在W/R和UPDATE信號控制下從并行輸入口寫入48位并行寄存器；

（6）AD9854內(nèi)含振蕩電路，因此，外加一晶體就可產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘。也可以不用內(nèi)部振蕩電路而直接引入外部時鐘信號。外部時鐘信號可以是單端信號或差分信號，并且可以通過配置相應(yīng)的控制寄存器和控制信號，得到不同的時鐘模式。本電路采用單端輸入。外部時鐘由50 MHz的晶振提供，通過內(nèi)部的倍頻器產(chǎn)生200 MHz的時鐘。

3.3 信號FM調(diào)制設(shè)計

Design of Digital Short-wave Communication Transmitter Based on DDS AD9854

SONG Yu-fei
（School of Communication Engineering，Nanjing Institute of Technology，Nanjing 211167，China）

Themoderndigitalcommunicationtechnologyisdevelopingrapidly，shortwave communication has its unique advantages，and it is widely used in military communications.Describes the development of short-wave communication and performance characteristics，analysis of the functional requirements of commonly used short-wave transmitters based on DDS chip AD9854，the completion of a high-performance digital shortwave transmitter design，gives the system diagram and the main module circuit，Including elliptic filter module，power amplifier module，Designing the software control section，in the end prospect of improved system direction.

Short-wave communications，transmitter，DDS，AD9854

U285.16

A

1002-0640（2015）12-0133-03

2014-11-18

2015-01-30

國家自然科學(xué)基金（61375028）；南京工程學(xué)院科研基金資助項目（QKXJ201406）

宋宇飛（1979-），男，河北宣化人，碩士。研究方向：電子與通信技術(shù)。