程 欽，潘玲佼，任艷玲

(江蘇理工學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，江蘇 常州 213001)

1 偽隨機(jī)序列與2ASK數(shù)字調(diào)制

1.1 偽隨機(jī)序列

偽隨機(jī)序列[1]，也稱為PN序列，m序列，是一種能夠事先確定、可不斷重復(fù)，具有二進(jìn)制隨機(jī)序列統(tǒng)計(jì)特性，廣泛應(yīng)用于通信領(lǐng)域的數(shù)字碼序列。實(shí)現(xiàn)PN序列有多種方法，其中，用通用數(shù)字器件[2]構(gòu)成m序列，速度快，但硬件電路修改不便，產(chǎn)生序列單一。用軟件方式具有獲得任意級數(shù)的本原多項(xiàng)式系數(shù)的特點(diǎn)，但速度受限。使用FPGA電路開發(fā)[3]，能夠有效節(jié)約設(shè)計(jì)時間，減少PCB板占用，使系統(tǒng)變得可靠，并且能進(jìn)行靈活設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的通信電路。

1.2 2ASK調(diào)制與解調(diào)

二進(jìn)制振幅鍵控(2ASK)是一種利用載波幅度變化來傳遞數(shù)字信息的二進(jìn)制數(shù)字信號調(diào)制方式，它是研究其他數(shù)字調(diào)制技術(shù)的基礎(chǔ)。2ASK時域表達(dá)式為

2ASK調(diào)制波形如圖1所示，通過載波幅度變化作為控制信息，頻率和初始相位不變。載波的幅度變化對應(yīng)二進(jìn)制信息的符號“0”或“1”。產(chǎn)生2ASK信號的方法包括模擬法和鍵控法兩種，如圖2所示。

圖1 2ASK調(diào)制波形

圖2 2ASK調(diào)制方法

2ASK解調(diào)方法包括兩種:相干解調(diào)和非相干解調(diào)，接收系統(tǒng)如圖3所示。2ASK解調(diào)部分增加抽樣判決電路，有利于提高數(shù)字信號接收性能。

圖3 2ASK解調(diào)方法

2 偽隨機(jī)控制2ASK系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 DDS程序設(shè)計(jì)

載波信號源發(fā)生器采用直接數(shù)字式頻率合成器(DDS)，DDS采用全數(shù)字技術(shù)處理[4]，輸出頻率和相位和幅度能夠在微控制器控制下準(zhǔn)確快速變換。DDS設(shè)計(jì)程序流程圖如圖4所示，其中，26位累加器對輸出的頻率控制字進(jìn)行累加，取26位累加器的的第20到第26位作為ROM地址，在clk驅(qū)動下對存儲一個周期128點(diǎn)的正弦波ROM尋址。

圖4 DDS程序流程圖

圖5 m序列程序流程圖

DDS輸出正弦波時序仿真波形如圖6所示。第1個信號是50MHz系統(tǒng)時鐘clk，第2個信號是復(fù)位信號rst_n，第3個信號是輸出波形wave_out，是ROM 的10KHz輸出載波。

圖6 DDS輸出正弦波時序仿真波形

圖7 m序列仿真圖

2.2 偽隨機(jī)序列發(fā)生器設(shè)計(jì)

偽隨機(jī)序列發(fā)生器設(shè)計(jì)中，當(dāng)線性反饋邏輯的移位寄存器設(shè)置各級初始狀態(tài)之后，每次經(jīng)過時鐘信號，移存器的狀態(tài)隨之改變。到最后一級的輸出，通過下個時鐘周期產(chǎn)生一個新序列。設(shè)計(jì)采用了4級移位寄存器用于產(chǎn)生周期長度為15的m序列。線性反饋邏輯遵從式2的遞歸關(guān)系:

第1級與第2級輸出進(jìn)行模2運(yùn)算并將結(jié)果反饋到第4級。假設(shè)4級移位寄存器的初始狀態(tài)為0001，那么通過移位時鐘信號，移位寄存器各級狀態(tài)隨之改變，軟件設(shè)計(jì)流程見圖5。

如圖7為m偽隨機(jī)序列模塊波形圖，圖中第1個信號clk是50MHz系統(tǒng)時鐘信號，第2個信號rst_n是低電平復(fù)位信號，第3個信號m_random輸出周期為15位的m偽隨機(jī)序列“000100110101111”。

3 偽隨機(jī)控制2ASK電路設(shè)計(jì)

3.1 ASK系統(tǒng)調(diào)制電路

ASK調(diào)制框圖如圖8所示，包括產(chǎn)生10KHz正弦載波信號的DDS載波模塊，m隨機(jī)序列模塊，受控開關(guān)根據(jù)m序列控制載波輸出，再將輸出的數(shù)字波形經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換得到調(diào)制后的模擬波形，最后經(jīng)過低通濾波器，得到已調(diào)信號。

圖8 ASK實(shí)現(xiàn)框圖

圖9 ASK的仿真波形圖

圖10是ASK調(diào)制RTL級圖。圖中DDS_inst對應(yīng)DDS模塊，包括3個信號端口，clk為輸入50MHz系統(tǒng)時鐘，rst_n為系統(tǒng)低電平復(fù)位信號，wave_out為輸出波形的數(shù)字量，m_randomsquen_inst對應(yīng)m隨機(jī)序列產(chǎn)生模塊，也包括3個信號，clk和rst_n信號和DDS模塊相同，level1信號即輸出m隨機(jī)序列，MUX21對應(yīng)模擬開關(guān)，在SEL控制下選擇OUT0=DATAA(=8’h7F)或者OUT0=DATAB(DATAB連接wave_out)。調(diào)制信號經(jīng)過D觸發(fā)器鎖存輸出。

圖10 ASK的RTL級聯(lián)圖

調(diào)制仿真波形從圖9中可以看出，當(dāng)m隨機(jī)序列為1時調(diào)制后的輸出信號為10KHz的載波，當(dāng)m隨機(jī)序列為0時調(diào)制后的輸出信號為0。

3.2 ASK系統(tǒng)解調(diào)電路

通過D/A轉(zhuǎn)換芯片接收FPGA數(shù)據(jù)，再將產(chǎn)生的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，從而得出電壓模擬信號。電路中的高頻成分經(jīng)過低通濾波器去除得到純凈的低頻

信號。最后進(jìn)行包絡(luò)檢波并整形得到解調(diào)輸出波形。如圖11所示。

3.3 單元電路設(shè)計(jì)分析

圖11 解調(diào)系統(tǒng)框圖

數(shù)模轉(zhuǎn)換電路:FPGA進(jìn)行ASK調(diào)制后輸出數(shù)字波形，需要經(jīng)過DAC0832芯片轉(zhuǎn)換為模擬量，DAC0832芯片轉(zhuǎn)換結(jié)果采用電流形式輸出。為了得到模擬電壓信號，就要使用一個高輸入阻抗的線性運(yùn)算放大器來轉(zhuǎn)換。運(yùn)放的反饋電阻不僅能用RFB端引用片內(nèi)固有電阻還能夠使用外接。為了將DAC0832芯片變化得到的模擬電流值變?yōu)槟M的電壓值，在DAC0832芯片的輸出端接了由運(yùn)放NE5532構(gòu)成的電流轉(zhuǎn)電壓電路。

二階有源低通濾波器:采用運(yùn)放NE5532，其截止頻率設(shè)計(jì)為10KHz，載頻信號頻率是10KHz。二階有源低通濾波器如圖12所示。將R=200KΩ，C=30pF帶入式計(jì)算得f0=26.54KHz。

將f0=26.54KHz帶入式fp=0.37f0計(jì)算得二階低通濾波器的通帶截止頻率fp=9.82KHz。因?yàn)榻?jīng)過電流轉(zhuǎn)電壓電路圖，將DAC0832輸出的電流轉(zhuǎn)為的是負(fù)電壓，所以需要接個反向比例運(yùn)算電路將負(fù)電壓轉(zhuǎn)為正的，如圖13為由NE5532構(gòu)成的反相比例運(yùn)算電路，其比例為－1。

圖12 二階有源低通濾波器

圖13 反相比例電路

包絡(luò)檢波電路:由半波或全波整流器和低通濾波器構(gòu)成，屬于非相干解調(diào)，無需相干載波。包絡(luò)檢波電路電阻R和電容C應(yīng)該滿足式3的要求。

式中:fH是調(diào)制信號的最高頻率;fc是載波的頻率。設(shè)計(jì)中fH為5KHz，vc為10KHz，C為10nF，經(jīng)過計(jì)算得R的取值范圍為:10 KΩ＜＜R＜＜20 KΩ，即圖14中的RP2的調(diào)節(jié)范圍為10KΩ到20KΩ。

圖14 包絡(luò)解波電路

圖15 電壓比較器

為得到性能較好的解調(diào)波形，還在包絡(luò)檢波輸出加了個電壓比較器，如圖15所示。比較器采用LM 393芯片。圖14中RP4是100 KΩ的電位器。將包絡(luò)檢波輸出的Vc和RP4分得電壓做比較，使輸出的解調(diào)波形邊沿陡峭。

升壓電路和負(fù)電源電路:系統(tǒng)輸入電壓5V，因?yàn)樾枰?0V給運(yùn)放NE5532供電，所以需要將5V升壓到10V。設(shè)計(jì)中采用LM 2577－ADJ升壓芯片。由于NE5532需要提高正負(fù)電壓，所以要設(shè)計(jì)負(fù)電壓電路供電。選用UCL7660芯片。

4 結(jié)果測試及分析

分別測試ASK硬件電路m序列產(chǎn)生，ASK調(diào)制輸出和ASK解調(diào)輸出各點(diǎn)波形。圖16和圖17分別為輸入偽隨機(jī)序列與ASK已調(diào)信號，輸入偽隨機(jī)序列與解調(diào)輸出信號波形圖。從圖中可見調(diào)制波形能夠正確反映偽隨機(jī)序列的變換規(guī)律，解調(diào)結(jié)果與輸入偽隨機(jī)序列保持一致，驗(yàn)證了電路設(shè)計(jì)的可行性。下一步工作將在該電路基礎(chǔ)上，考慮采用混沌信號代替?zhèn)坞S機(jī)碼序列，從而能夠進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)的保密性，有利于ASK電路更廣泛的應(yīng)用。

圖16 m序列和調(diào)制信號波形

圖17 m序列和解調(diào)信號波形

[1]樊昌信，曹麗娜.通信原理[M].6版.北京:國防工業(yè)出版社，2008.

[2]朱幼蓮.數(shù)字電子技術(shù)[M]北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[3]潘松，黃繼業(yè).EDA 技術(shù)與 VHDL[M].2版.北京:清華大學(xué)出版社，2007.

[4]高銀，林其偉.DDS數(shù)字移相正弦信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)[J]，華僑大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2009，30(1):34－37.