基于AD9854 的MSK 調(diào)制信號的產(chǎn)生

周 泓， 李德榮

（西安郵電大學(xué) 陜西 西安710061）

MSK 是一種在無線移動通信中很有吸引力的數(shù)字調(diào)制方式，可以看成是調(diào)制系數(shù)為0.5 的連續(xù)相位的FSK 信號[1]。相對于傳統(tǒng)的FSK 調(diào)制方式具有兩個主要優(yōu)點(diǎn)： 一是MSK信號在帶外產(chǎn)生的干擾非常小，這正是限帶工作情況下所希望有的寶貴特點(diǎn)；二是信號包絡(luò)是恒定的、相位是連續(xù)的，系統(tǒng)可以使用廉價高效的非線性器件[2]。

傳統(tǒng)的MSK 調(diào)制方式與FSK 調(diào)制方式類似，即用數(shù)字調(diào)制加DAC 的方法實(shí)現(xiàn)信號頻帶從零頻到中頻的搬移[3]。但在具體的硬件實(shí)現(xiàn)中，具有一定的難度。 首先，在數(shù)字調(diào)制的過程中，我們要花費(fèi)一定的代價來保證輸出MSK 信號的相位連續(xù)性；其次，如果產(chǎn)生的調(diào)制信號為高中頻信號，那么要保證信號的指標(biāo)是很有難度的， 要在電路PCB 設(shè)計上考慮高速走線的干擾、衰減、反饋以及電磁兼容性等一系列問題。

ADI 公司推出的集成DDS 芯片AD9854 能夠?qū)?shù)字基帶信號直接調(diào)制和上變頻，而且還能夠在芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)相位連續(xù)[4]，不但大大地降低了信號調(diào)制難度，還有效地保證了信號的良好指標(biāo)。 因此，與傳統(tǒng)的MSK 調(diào)制方式相比，具有一定的優(yōu)勢。

1 AD9854 簡介及應(yīng)用

AD9854 是ADI 公司推出的一款高性能DDS 芯片[5-6]，采用先進(jìn)的DDS 技術(shù)， 內(nèi)部耦合兩組高速高性能正交D/A 轉(zhuǎn)換器和一組高精度比較器。 只要外部提供穩(wěn)定高質(zhì)量的時鐘源，AD9854 就會產(chǎn)生高穩(wěn)定性的幅度、頻率以及相位可編程的正弦和余弦輸出信號。 AD9854 提供48 位的可編程頻率字寄存器，支持1 MHz 的頻率步進(jìn)、17 位的可編程相位字寄存器確保了極佳的SFDR 性能。 AD9854 支持靈活的時鐘系統(tǒng)，可以允許單端或差分的時鐘輸入， 支持可編程的4 倍到20倍的內(nèi)部時鐘倍頻器，芯片內(nèi)部可產(chǎn)生的最高時鐘頻率可以達(dá)到300 MHz。 芯片采用0.35 μm 的CMOS 工藝，支持單端3.3 V 供電。

由于AD9854 支持FSK 調(diào)制方式，實(shí)際上我們所需要的MSK 信號就是一種特殊的正交FSK 信號， 其特殊性在于其兩組頻率之間的差值是滿足這兩組頻率正交性的最小頻差。值得注意的是，MSK 信號的相位是連續(xù)的， 在調(diào)制的過程中我們?yōu)榱吮ＷC產(chǎn)生的MSK 信號的相位連續(xù)性需要加入相位常量，這將增加MSK 調(diào)制系統(tǒng)的復(fù)雜性。 而AD9854 芯片的優(yōu)勢之一就是芯片輸出信號的相位是連續(xù)的。 因此， 采用AD9854 來產(chǎn)生MSK 信號將大大地降低系統(tǒng)的復(fù)雜性。

1.1 FPGA 配置

在實(shí)際運(yùn)用中， 需要AD9854 產(chǎn)生符合要求的MSK 信號，則要采用FPGA 對AD9854 進(jìn)行配置。 FPGA 與AD9854硬件連接如圖1 所示，圖中管腳定義如表1 所示。

圖1 FPGA 與AD9854 硬件連接圖Fig. 1 The connection diagramof FPGA and AD9854

表1 FPGA 配置AD9854 管腳介紹Tab. 1 The introduction ofFPGA configuration pins

當(dāng)把硬件電路搭建完畢之后，就可以使用FPGA 去配置AD9854 中的寄存器以實(shí)現(xiàn)AD9854 的相應(yīng)功能， 以使AD9854 產(chǎn)生MSK 信號。

對于MSK 信號，其兩組頻率相互正交，其頻差Δf=f2-f1=1/2Tb[7]，即調(diào)制指數(shù)h 為：

MSK 信號表達(dá)式為：

式中，ak為發(fā)送序列比特，Tb為比特長度，fc為輸出中頻，xk是為了保證t=kTb時相位連續(xù)而加入的相位常量。 令

為了保持相位連續(xù)，在時應(yīng)有下式成立：

將（4）代入（3）得到：

由式（5）可以看出，為了保證相位的連續(xù)性，在本比特區(qū)間所加的相位常量不僅與本比特區(qū)間的輸入有關(guān)，還與前一個比特區(qū)間內(nèi)的輸入及相位常數(shù)有關(guān)， 這將大大增加了非AD9854 方法產(chǎn)生MSK 信號的難度。 但是在第1 節(jié)提到AD9854 芯片本身就可以保證輸出信號相位的連續(xù)性， 因此在本系統(tǒng)設(shè)計中，不需要考慮MSK 信號的相位連續(xù)問題。

本系統(tǒng)中AD9854 產(chǎn)生的MSK 信號的參數(shù)如表2 所示。

表2 本文中MSK 信號參數(shù)Tab. 2 The parameters ofMSK signal

根據(jù)式（3），得到MSK 信號的兩組頻率為：

由 表2 參 數(shù)， 得 到f1和f2分 別 為：f1=300.05 kHz，f2=29.95 kHz。

AD9854 的頻率字FTW 計算式為：

式 中， fout為AD9854 欲 輸 出 信 號 頻 率，SYSCLK 為AD9854 的全局時鐘，在系統(tǒng)中AD9854 的時鐘為30 MHz。將式（6）代入式（7）有：

1.2 AD9854 寄存器

AD9854 擁有很高的可操作性，它擁有39 個可配置寄存器，可以根據(jù)用戶要求對頻率、相位、幅度、時鐘等參數(shù)進(jìn)行配。 AD9854 所有需要配置的寄存器如表3 所示。

表3 AD9854 寄存器配置表Tab. 3 The configuration of AD9854 register

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)本文提出的MSK 信號生成方法生成MSK 信號，用示波器觀測生成信號如圖2 所示，用頻譜分析儀觀測生成信號頻譜如圖3 所示。

圖2 示波器觀測的時域MSK 波形Fig. 2 Time-domain waveformof MSK signal observed by oscilloscope

圖3 頻譜儀觀測的MSK 信號頻譜Fig. 3 Spectrum of MSK signal observed by spectrometer

系統(tǒng)中MSK 信號兩組頻率的頻差只有100 Hz， 因此，MSK 的時域波形類似于正弦波如圖2 所示。從示波器中的波形可以看出該法生成的MSK 信號包絡(luò)恒定、相位連續(xù)，穩(wěn)定無抖動。

用頻譜儀觀測的MSK 信號頻譜， 可得輸出中心頻率為300KHz，輸出電平為-14dBm，無雜散動態(tài)范圍達(dá)到60dB，滿足指標(biāo)要求。

3 結(jié) 論

文中我們利用FPGA 來配置AD9854 產(chǎn)生MSK 信號，并在軟件和硬件的層面給出了設(shè)計方案。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明采用本文方法產(chǎn)生的MSK 信號指標(biāo)優(yōu)良，效果良好。 因此，文中為現(xiàn)代數(shù)字通信系統(tǒng)中的MSK 數(shù)字調(diào)制提供了一種新穎、有效的方法。

[1] Theodore S. Rappaport.， 無線通信原理與應(yīng)用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[2] 胡敏. MSK數(shù)字化調(diào)制解調(diào)技術(shù)研究[D]. 長沙：中南大學(xué)，2007.

[3] 裴少俊，胥嘉佳，黃克平. 一種基于AD9854 的BPSK 信號產(chǎn)生設(shè)計[J]. 電子科技，2013（26）:74－76.

[4] CMOS 300 MSPS Quadrature DDS AD9854.C00636-0-7/07（E）.ADI公司官方技術(shù)文檔[S]. Official Technical Document of ADI；

[5] 張玉梅，陳健，傅豐林. 用DSP控制AD9854 實(shí)現(xiàn)跳頻通信[J]. 世界電子元器件，2003（9）:64－65.

[6] 詹艷艷. 基于DDS的波形信號發(fā)生器的設(shè)計[J]. 沈陽理工大學(xué)學(xué)報，2008，27（3）:52－56.

[7] 李建東，郭梯云，鄔國揚(yáng). 移動通信[M]. 4版. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006.