基于DDS芯片AD9852的数字短波通信发射机设计

基于DDS芯片AD9852的数字短波通信发射机 : 1009 , 2552( 2012) 05 , 0069 , 03: TP311: A文章编号中图分类号文献标识码 DDSAD9852基于芯片的数字短波通信发射机设计 ，，宋宇飞李小平周正 ( )，211167南京工程学院通信工程学院南京 : ，，摘 要介绍了短波通信的发展状况和性能特点分析了常用短波发射机的功能要求完成了 ，，高性能数字短波发射机的#设计#给出了系统原理图及主要模块电路并展望了系统的改进 。方向 AD9852: ; ; ;关键词短波通信发射机直接数字频率合成 Design of digital shotwave communication tansmitte r-rr based on DDS AD9852 SONG Yu-fei，LI Xiao-ping，ZHOU Zheng ( School of Communication Engineering，Nanjing Institute of Technology，Nanjing 211167，China) Abstact: Ths paper descrbes the deveopment ofshort-wave cmmouncaton and performanceriiliicharacteristics，analyses the functional requirements of commonly used short-wave t ransmitters，the completion of a high-performance digital shortwavet ransmitter design，gives out the systemd iagram andthe main module circuit，and the prospectof improved system direction, Key words: short-wave cmmounications; transmitter; DDS; AD9852 。，过一些转换产生一个或多个频率信号的过程在 0 引言( DS) ，( PLL) 经历了直接频率合成锁相环等发展阶 :3 0MHz 。 3MHz 短波是指频率为 的无线电波，( DDS) 段后如今广泛使用的是直接数字频率合成，， 短波的波长短沿地球表面传播的地波绕射能力差。技术 。，传播的有效距离短短波以天波形式传播时在电 ，DDS 与传统信号产生方法相比具有许多明显 ，。 离层中所受到的吸收作用小有利于电离层的反射，，的优点能够数字可控的精确设定输出频率提高频 :400 0km 100km 经过一次反射可以得到 的跳跃距 ，1Hz ，率分辨率最高可达到 μ以上而且具有频率稳 。，离经过电离层和大地的几次连续反射传播的距 ，，，定度高相位噪声低变频相位连续可实现理想的 。( SW) 离更远无线广播中的短波频率范围我国规 ，，正交输出系统参数和输出频率不随着时间改变同 2MHz : 24MHz。定为 。时可以通过软件和硬件对系统进行各种补偿因此 HF( High Frequeney) ， 短波通信也称高频 通信。它是当前用的最广泛的性能较好的信号生成方式 ，，由于其不依靠人工中继仅靠电离层传输就可实现 ，远距离无线通信故被认为是有效而经济的军事及 ，、、、应急通信手段广泛地用以传送语言文字图像数 ，据等信息其现在是高空飞行和海上航行的必备通 ，，信方式尤其在军事部门其始终是军事指挥通信的 图 1 DDS 原理 。重要手段之一 , 11 , 182011 :收稿日期( KXJ08067; KXJ07005 ) ; 南京工程学院科研基金江苏省 基金项目:( 10KJB510005; 8KJD510013) 宋宇高校自然科学基金项目 1 DDS 原理( 1979 ,) ，，，，男硕士研究生讲师研究方向为电 子飞 :作者简介。 频率合成的概念就是由一个或几个参考频率通 通信系统设计与数字信号处理 — 69 — 、、 1 ，DDS 如图 所示由相位累加器正弦查询表。3 统总框图如图 所示 ( DAC) 。数模转换器和低通滤波器组成参考时钟 ，是一个稳定的晶体振荡器用它来同步整个合成器 ，的各个组成部分相位累加器类似于一个简单的计 ，，数器在每个时钟脉冲输入时它的输出就增加一个 。K 步长的相位增量值相位累加器把频率控制字 。的数据变成相位抽样来确定输出频率的大小相位 K ，增量的大小随外部指令 的不同而不同一旦给定 ，。了相位增量输出频率也就确定了正弦查询表是 图 3 短波通信发射机系统( PROM) ，一个可编程只读存储器存有一个或多个 , 22。fc AD9852 ，完整周期的正弦波数据在时钟 驱动下地址计 模块 naog Devce AD9852 Ali公司 是一款功能很强的 PROM ，数器逐步经过 存储器的地址地址中相应的 DDS ，300MHz，12 芯片其时钟频率为 内部集成了 N DAC ，DAC 数字信号输出到 位 的输入端由 转换 DAC，48 ，14 位 频率控制位 位相位累加器的位数为 。，成模拟信号当用这样的数据寻址时正弦查表就 ，12 ，1Hz，位幅度控制位 位频率分辨率可为 μ并且 把存储在相位累加器中的抽样值转换成正弦波幅度 。/ ， 的数字量函数数 模转换器把数字量变成模拟量 PSK、FSK、ASK。 ，等 数 字 调 制 功 能另 外具有( LPF) 低通滤波器进一步平滑并滤掉带外杂散信 AD9852 4 : 20 ，内含 倍可编程时钟倍频器可以降低，。号得到所需正弦波波形 。对晶振的要求 、、DDS 2 一个频率相位幅度可编程 结构如图 AD9852 ，故用 为核心构成频率源时只需一个 DDS ，。N 所示系统的核心是相位累加器它由一个 ，，精确的参考时钟辅以必要的数字控制其就会产生 fc N 位字长的二进制加法器和一个由时钟 取样的 、一个高稳定度频率相位幅度均可编程的正弦信号 ，K 位相位寄存器组成作用是对频率控制字 进行线 M，。AD9852 120输出由于 的输出频率最高可达 这 。性累加波形存储器中所存储的是一张函数波形查 ，样系统不需变频就能覆盖短波全波段方便实现短 ，。 询表对应不同的相位码址输出不同的幅度编码 。波通信发射机 0，1 ，当相位控制字为 幅度控制字为 时相位累加器 AD9852 fMHz，100的参考时钟频率 为 输出信 c ，输出的相位序列对波形存储器寻址得到一系列离 f:3 0z，3MHz MH号的频率 为 输出的最大频率为 o 。/ A D 散的幅度编码该幅度编码经 转换后得到对 fMHz。50为 max ，应的阶梯波最后经低通滤波器平滑后可得到所需 。的模拟波形 2, 3滤波模块 由于有源滤波器中大多数运算放大器的开环增 ，益不够和频带的限制有源滤波器主要应用于低频 。AD9852 场合系统设计采用的 的工作时钟频率高 100MHz，30MHz，达 输出最高频率为 因此采用无源 。低通滤波器 4 ，如图 所示本次设计采用椭圆型低通滤波器 DDS ，实现滤除 的大量谐波分量和系统时钟干扰使 ，: 信号平滑其主要技术指标是输入阻抗和输出阻抗 50; 3dB 30z; MH均为 Ω截止频率为 最低阻带截止频 50MHz，80dB; 率为 此处的最小阻带衰减为 通带内 0, 2dB。电平波动小于 图 2 频率、相位、幅度可编程 DDS 结构 2, 4 功率放大模块2 硬件设计 AD8320 ， 是一款数字控制的可变增益放大器2, 1 系统整体设计 8 36dB ( 256 ) 它由一个 位串行数据在 增益级范围 ( DDS) ，系统的设计基于直接频率合成技术通 ，。内 决定所需输出增 益且为线性的对应关 系 AT89C52 AD9852，过单片机 控制 实现数字信号的 ( FS) ( PS) AD9852 KK。频移键控和相移键控调制 :,3 6dBAD8320 0 由一个数字控制的变化范围为 ，输出的调制信号经过滤波器的平滑作用滤除杂波 ，的衰减器一个低噪声固定增益缓冲器和一个低失，。分量再经过功率放大电路后从天线发射出去系 。真的功率 放 大 器 组 成它具有一个输入阻抗为 — 70 — :D 748 ，SCLK D0 22075 写入 位并行寄存器或在 控制下Ω 的单端输入以及一个额定驱动为 Ω 的输 SDATA 48 。从串行输入口 写入 位串行寄存器 ，，出可以驱动同轴电缆等负载而且在加电和掉电模 75AD8320 。式保持 Ω 输出阻抗不变与单片机连接 5 。如图 所示 图 47 阶椭圆滤波器及其特性 6 图软件系统功能框图 ( 4) S / P SELECT 1 0 对 置 或置 以决定输入数 。1 ，0 ，据是并行还是串行为并行为串行本文采用 。的是并行 图 5功率放大模块 ( 5) W / R UPDATE 在 和 信号控制下从并行输 3 软件设计48 。入口写入 位并行寄存器 3, 1软件功能设计( 6) AD9952 ，内含振荡电路因此外加一晶体就 ，系统的软件设计采用结构化程序设计思想在 。可产生系统时钟也可以不用内部振荡电路而直接 “”，总体设计中采用自顶而下的方法在程序设计中。引入外部时钟信号外部时钟信号可以是单端信号 。采用模块化编程自顶而下的设计方法就是先考虑 ，或差分信号并且可以通过配置相应的控制寄存器 ，，整体目标明确整体任务然后把整体任务分成一个 ，。和控制信号得到不同的时钟模式本电路采用单 ，，， 个子任务子任务再分成子子任务这样逐层细分 。50MHz ，端输入外部时钟由 的晶振提供通过内部 ，同时分析各层次间及同一层次各任务间的关系最后 。，200MHz 。拟定各任务的细节这样无论整个仪器的功能多么 的倍频器产生 的时钟 ，。复杂都可以分成若干个易解决的模块对每个程序 3, 3 FM 信号 调制设计 ，。模块都规定了它的功能明确了输入和输出将这些 f=DDS AD9852 ，根据 芯片 的调制计算公式 o，，程序模块连接起来后就构成了整体程序图如 f ckf= k ，k，通过改变频率控制字 可以迅速改变6 。图 所示 o min N 2 。M ，F输出信号的频率因此信号的产生和前面的 , 23AD9852 初始化设计AM ，，信号产生相似按照调制信号幅度的变化实时 :AD9852 初始化流程改变频率控制字使输出的频率随调制信号的幅度变 ( 1) ，Master RESET ， 要保证上电后复位高有效AD9852 ，。，化特别地通过改变工作模式可以产生线 10 。最少持续 个系统时钟周期 ( chirp) ，( 性调频信号通过改变时间步进量斜率计数 ( 2) ，) ( ) ，选择参考信号输入方式若采用单端输入 器和频率步进量频率字来产生不同斜率从而实 。FM 7 。现非线性扫频信号产生原理如图 所示 ，REFCLKB 。方 式应 电 源 或 接 地若 采 用 多 片 AD9852 ，产生多个相位相互关联的正弦波应选用 ，DDS ， 差分模式以减少各个 参考时钟的相位误差 。本文采用的是单端输入模式 7 AD9852 FM 图 的 信号产生原理 ( )76 下转第 页 ( 3) WR数 据 在 信 号 控制下从并行输入口 — 71 — 表 1 各种无模糊跟踪法的性能对比 ( 12 )( )( )相关器情况逼近偏差反映线性程度噪声增加倍数反映噪声性能 Ronald L, Fante 提出的同步算法0, 03162, 504 一般 BOC 与 PRN 的互相关伪峰消除法0, 1764, 174 基于函数逼近的互相关伪峰消除法0, 01492, 071 延时间隔可变0, 01352, 172 ( 16 )( )( )相关器情况逼近偏差反映线性程度噪声增加倍数反映噪声性能 Ronald L, Fante 提出的同步算法0, 02243, 476 一般 BOC 与 PRN 的互相关伪峰消除法0, 1454, 936 基于函数逼近的互相关伪峰消除法0, 01322, 968 延时间隔可变0, 01043, 208 Interface Control Document,S,, 2009, 4结束语,2, Grelier，Avila ,R odriguez，Wallner, Compass signal structurea nd BOC ，针对 偏移调制的结构特点文中给出了一 first measurements,J,, ION Proceedings of ION 20th International 。 种基于函数逼近的延时间隔可变的伪消除同步法Technca Meetng of the Satete Dvson, Fort Worth，Texas : ililliiii 。ION，2007, 并且详细给出了求解其误差函数公式的方法该方 ,3, Barker，Betz，Clark，et al, Overview of the GPS Mode Signal，， 法考虑到了误差函数的线性区间不稳定的收敛点 ,J,,M ITRE Technical Papers Archive，2004, 。以及其带来的信噪比恶化采用该方法抑制了裂谱 ,4, Pavel，Frantisek，Libor，Petr, Galileo Receiver Core Technologies ，。信号的自相关伪峰完成了无模糊跟踪且消除了 J, Journ of Gob Postonn Systems2005, ,,allaliiig，，，发散区间降低了对捕获精度的需求加大了环路的 ,5, , BOC ,D,,杨力基于 调制的导航信号同步接收关键技术研究 。稳定性此外该方法构造的误差函数其线性区间可 2009,，博士学位论文 ，。调可以针对特殊应用进行改进在使用相同相关 ,6, Betz J W, The offsetc arrier: modulation for GPS modemization J,n ternton of Nvton NT, Cforn1999, ,,IaialaigaiMaliia，，器数目的条件下该方法相对之前的方法有更好的 7 rtnLebondGuoteet , BOC ( xy ) sn cquston ,,Mai，l，illl，al，igalaiii，。鉴相线性区间较少的性能恶化 technques and Performances,J,, ONGPS / GNSS2003，2003, iI，、但是针对该方法就需要间隔可变的能生成多 ,8, Ronald L Fante, Unambiguous Tracker for GPS Binary ,O ffset , ，种伪码的成对相关器进行支持所以实际使用该方 Carrer Sgnas,J,, The MTRE Corporaton，2003, iilIi。法需要的考虑到与实际硬件支持 ,9, Julien，Cannon, A new unambiguous BOC ( n，n ) s ignal tracking 今后进一步的工作将包括如何从理论上分配相 technique,C,, Proc of the GNSS Conf，2004, ,10, Zheng Yao, Unambiguous Sine ,P hased Binary Offset Carrier Mod ，关间隔的权值使得求出的误差权值的绝对值之和 ulated Signal Acquisition Technique,J,, IEEE transactions on wire- ，。要尽可能小以便有最小的噪声引入此外还需要 less communication，2010, 。考虑线性区间长度的选择问题 ,11,Yao Yanxin，Yang Dongkai，DingFan, A Multipath ,r esistant Pre- :参 考 文 献 cise Tracking Method for BOC Signal,J,, IEEE，2009, ,1, European Space Agency, GALILEO Open Service Signal In Space : 责任编辑么丽苹 櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀 ( )71 上接第 页 :参 考 文 献 ,1, ANALOG DEVCES, The technoogy of AD9852,EB / OL,, Whte Pa- Ili 4结束语per，Sep, 28，2000, DDS 。DDS 是非常实用的电路模块本文以 为 ,2, A Technical Tutorial on Digital Signal Synthesis,S,, Analog Device Inc, ，1999, ，核心设计了短波通信发射机并进行了综合系统测 ,3, , M,, 2006,,，黄智伟射频电路设计电子工业出版社 。、，，试实验证明此设计方案具有设计方便功能完 ,4, , ,M,, 黄智伟射频集成电路芯片原理与应用电路设计电子工业 、，善性能良好等特点对于数字短波发射机的设计开 2004, ，出版社。发具有普遍的参考意义发射机的改进方向是如何 ,5, , ,M,, 黄智伟无线发射与接收电路设计北京航天航空大学出版 。进一步数字集成并方便调节控制 2007,: ，社责任编辑张禹 — 76 —