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(jì)

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(diǎn)，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(diǎn)，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(jì)了高性能數(shù)字短波發(fā)射機(jī)的方案。本設(shè)計(jì)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(jì)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(wú)線電波。短波的波長(zhǎng)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(shí)，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(guò)一次反射可以得到100 km～4 000 km的跳躍距離。經(jīng)過(guò)電離層和大地的幾次連續(xù)反射，傳播的距離更遠(yuǎn)。無(wú)線廣播中的短波（SW）頻率范圍我國(guó)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無(wú)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(yǔ)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(gè)或幾個(gè)參考頻率通過(guò)一些轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)頻率信號(hào)的過(guò)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(hào)產(chǎn)生方法相比，DDS具有許多明顯的優(yōu)點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)理想的正交輸出，系統(tǒng)參數(shù)和輸出頻率不隨著時(shí)間改變，同時(shí)可以通過(guò)軟件和硬件對(duì)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(hào)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(shí)鐘是一個(gè)穩(wěn)定的晶體振蕩器，用它來(lái)同步整個(gè)合成器的各個(gè)組成部分，相位累加器類似于一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)數(shù)器，在每個(gè)時(shí)鐘脈沖輸入時(shí)，它的輸出就增加一個(gè)步長(zhǎng)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(lái)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(gè)可編程只讀存儲(chǔ)器（PROM），存有一個(gè)或多個(gè)完整周期的正弦波數(shù)據(jù)。在時(shí)鐘fc驅(qū)動(dòng)下，地址計(jì)數(shù)器逐步經(jīng)過(guò)PROM存儲(chǔ)器的地址，地址中相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)輸出到N位DAC的輸入端，由DAC轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。當(dāng)用這樣的數(shù)據(jù)尋址時(shí)，正弦查表就把存儲(chǔ)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(hào)，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(gè)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(gè)N位字長(zhǎng)的二進(jìn)制加法器和一個(gè)由時(shí)鐘fc取樣的N位相位寄存器組成，作用是對(duì)頻率控制字K進(jìn)行線性累加。波形存儲(chǔ)器中所存儲(chǔ)的是一張函數(shù)波形查詢表，對(duì)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(shí)，相位累加器輸出的相位序列對(duì)波形存儲(chǔ)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(duì)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(jì)

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于直接頻率合成（DDS）技術(shù)，通過(guò)單片機(jī)AT89C52控制AD9852，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的頻移鍵控（FSK）和相移鍵控（PSK）調(diào)制。AD9854輸出的調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波器的平滑作用，濾除雜波分量，再經(jīng)過(guò)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(shí)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(shí)鐘倍頻器，可以降低對(duì)晶振的要求。

故用AD9854為核心構(gòu)成頻率源時(shí)，只需一個(gè)精確的參考時(shí)鐘，輔以必要的數(shù)字控制，其就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高穩(wěn)定度、頻率相位幅度均可編程的正弦信號(hào)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(shí)現(xiàn)短波通信發(fā)射機(jī)。

AD9854的參考時(shí)鐘頻率fc為300 MHz，輸出信號(hào)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(yùn)算放大器的開(kāi)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(chǎng)合。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的AD9854的工作時(shí)鐘頻率高達(dá)300 MHz，輸出最高頻率為150 MHz，因此，采用無(wú)源低通濾波器。

如下頁(yè)圖4，本次設(shè)計(jì)采用橢圓型低通濾波器實(shí)現(xiàn)濾除DDS的大量諧波分量和系統(tǒng)時(shí)鐘干擾，使信號(hào)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(dòng)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?cè)鲆娣糯笃?，它由一個(gè)8位串行數(shù)據(jù)在36 dB（256增益級(jí)）范圍內(nèi)決定所需輸出增益，且為線性的對(duì)應(yīng)關(guān)系。AD8320由一個(gè)數(shù)字控制的變化范圍為0 dB～-36 dB的衰減器，一個(gè)低噪聲固定增益緩沖器和一個(gè)低失真的功率放大器組成。它具有一個(gè)輸入阻抗為220 Ω的單端輸入以及一個(gè)額定驅(qū)動(dòng)為75 Ω的輸出，可以驅(qū)動(dòng)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(jì)

3.1 軟件功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)思想，在總體設(shè)計(jì)中采用“自頂而下”的方法，在程序設(shè)計(jì)中采用模塊化編程。自頂而下的設(shè)計(jì)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(gè)個(gè)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(shí)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(wú)論整個(gè)儀器的功能多么復(fù)雜，都可以分成若干個(gè)易解決的模塊。對(duì)每個(gè)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(lái)后，就構(gòu)成了整體程序流程圖。

3.2 AD9854初始化設(shè)計(jì)

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(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期；

（2）選擇參考信號(hào)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(gè)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(gè)DDS參考時(shí)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(hào)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(duì)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(hào)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(shí)鐘。也可以不用內(nèi)部振蕩電路而直接引入外部時(shí)鐘信號(hào)。外部時(shí)鐘信號(hào)可以是單端信號(hào)或差分信號(hào)，并且可以通過(guò)配置相應(yīng)的控制寄存器和控制信號(hào)，得到不同的時(shí)鐘模式。本電路采用單端輸入。外部時(shí)鐘由50 MHz的晶振提供，通過(guò)內(nèi)部的倍頻器產(chǎn)生200 MHz的時(shí)鐘。

3.3 信號(hào)FM調(diào)制設(shè)計(jì)

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(guó)家自然科學(xué)基金（61375028）；南京工程學(xué)院科研基金資助項(xiàng)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)。