基于AD9856的通信信号源实现方法研究

摘要:用AD9856 正交数字上变频器件,通过软件控制进行数字信号处理得到两路正交信号作为AD9856 的输入信号进行调制,处理操作过程借助于软件来实现,因此程序操作简单可控、性能优越。

关键词:AD9856 ;DDS(直接数字频率合成器) ;基带信号;设计

1 　引言

实际通信中采用基带信号对载波波形的某些参量(如振幅、频率、相位等) 进行控制,随之而变化。随着现代电子技术的飞速发展,器件工艺越来越先进,器件功能越来越强,实现信号调制的方法也越来越多,实现信号调制的稳定度和可靠性都在不断提高。本文主要采用AD9856 等集成器件完成了各种调制信号源的产生,并介绍了一种新的采用正交调制方式产生调制信号的方法,并对话音信号进行了采集和回放,效果比较理想。

2 　设计方案的选择及其依据

2. 1 AD9856 介绍
AD9856 是集成了一个高速的DDS、一个高性能、高速的12 位的数模转换器、倍频时钟电路、数字滤波器和其它的数字信号处理功能集成块,能够完成正交数字的上变频处理。并可对两路数字正交信号进行正交调制,实现信号的上变频处理。

2. 2 信号调制原理图
模拟调制通过乘法器和载波产生电路来实现,而数字调制主要通过直接数字频率合成器来实现。在通信信号设计中,调幅、双边带、单边带、调频、ASK、FSK、PSK信号实现原理框图一般分别如图1 - 7 所示:




在选择设计方案时,用DDS 来产生各种载频信号,然后利用乘法器和压控振荡器产生需要的信号波形,再通过控制电路来产生各种调制信号。

3 　设计方案

采用数字化技术,把调制解调功能的实现从基于硬件方式转向基于软件方式,就可以使一台通信机具备产生多种通信信号的功能,并能够方便灵活地扩展新的通信方式。

采用ADI公司的AD9856 正交数字上变频器件,通过软件控制进行数字信号处理得到两路正交信号作为AD9856 的输入信号进行调制。利用AD9856 数字上变频器与计算机结合,构成一个通用的全数字化模式软件无线电发信机调制器硬件平台,如图8 所示。通过相应的软件模块对AD9856 进行相应的控制, 可实现AM、FM、ASK、FSK、PSK等多种调制方式。其控制完全通过计算机来实现。


图8 　软件无线电发信机调制器硬件平台

对模拟信号由AD 采样后送入计算机,由计算机对送来的数据进行处理,把采集的数据,进行相应的变换,转换成已调信号的正交变换分量。然后再将同相分量和正交分量送到AD9856 进行数字正交上变频调制,最后从AD9856 的输出口就得到了模拟的已调信号。

4 　信号产生方法

数字信号可由计算机直接读入,经过必要的变换送到AD9856 来产生需要的信号。
对模拟信号而言,首先经过A/D 变换,变成数字信号,再由计算机对采集的信号进行相关处理—根据相应的调制方式采用相应的算法得到对应的数据,送入到AD9856 输入端,输出端就是对应的已调信号。由随机信号处理可知,当已调信号的带宽远小于调制载波频率时,对于任意已调信号来说,可以用式(1) 表示:
s ( t) = R ( t) cos[ω_c +θ( t) ] (1)
其中幅度和相位体现了基带信号的全部特征。将式(1) 展开后有:
s ( t) = R ( t) cosθ( t) cosω_ct - R ( t)sinθ( t) sinω_ct
= I ( t) cosω_ct - Q ( t) sinω_ct (2)
(2) 式中, I ( t) = R ( t) cosθ( t) 、Q ( t) = R ( t) sinθ( t) 分别为同相分量和正交分理。由上式可以看出,只要根据要实现的调制方式, 求得同相分量I ( t) 和正交分量Q ( t) 并送入正交上变频器进行正交调制,就能形成任意的调制信号。对于调幅信号可用式(3) 来表达:
s ( t) = A [ m ( t) + B ]cos (ω_ct + θ0) = A [ m ( t) + B ]cosθ0cosω_ct - A [ m ( t) + B ]sinθ0sinω_ct (3)
其中A , B ,θ₀ 为常数, m ( t) 为模拟基带信号。
对AM 信号来说, I ( t) = A [ m ( t) +B ]cosθ₀ , Q ( t) = A [ m ( t) + B ]sinθ₀ 。

调制过程:模拟基带信号m( t) 经A /D转换送入计算机, 数据流经过加法运算再分别进行cosθ₀和sinθ₀的乘法加权后即得到I( t)项和Q( t)项,由AD9856完成正交上变频, 实现幅度调制过程,输出AM信号。对于调频信号可用式(4) 来表示: s ( t) = A cos[ω_ct + Kf∫m ( t) dt ]
= A cos[ Kf∫m ( t) dt ]cosω_ct - A sin[ Kf∫m ( t) dt ]sinω_ct (4)
式中A , Kf 为常数, m ( t) 为模拟基带信号。对FM 信号来说: I ( t) = Acos[ Kf∫m ( t) dt ] , Q( t) = Asin[ Kf∫m ( t) dt ]。
调制过程:模拟基带信号m(t) 经A/ D 转换送入计算机,数据流在计算机中经过积分处理再求得余弦和正弦, 分别得到I ( t ) 项和Q ( t ) 项, 由AD9856 完成正交上变频,实现频率调制过程,输出FM信号。

单边带信号及双边带信号以同样方法采用相应的算法得到调制信号。

5 　设计的准备工作

由于该设计要求输入到AD9856 的数据为数字正交信息,因此若想对话音信号进行调制,必须先把话音信号进行采集变换为数字信号。因此这里对话音信号进行了A/D 采集,并利用D/A 变换对所采集数据进行了验证。该设计采用了12 位的高速D/A MAX197 ;MAX197 的工作带宽可达5MHz ,数据传输速率可达100kbps。通过编程可以选择内外时钟、8+4并行接口、内部+ 4. 096V 或外部参考。

MAX197 带有一个标准的微处理器接口。一个三态数据输入输出端口用来与8 位数据总线相连工作,数据通道及总线释放时序特性和常用的微处理器兼容。所有的逻辑输入输出均与TTL 、CMOS 兼容。MAX197 是一个多范围、容错的A/D 转换器,利用内部输入跟踪保持电路,把模拟输入信号转换成12 位数字信号输出。

MAX530 是一种低功耗、12 位电压输出数模转换器,可由单一+ 5V 或双极性±5V 供电。该芯片自带电压参考及一个输出电压缓冲器。单一+5V 供电时工作电流仅为250μA ,因而是便携式电池供电应用的理想芯片。内部增益预置电阻可以用来把D/ A 转换器的输出电压范围定义在0V ±2. 048V 、0V ±4. 096V 或0V ±2. 048V。MAX530 写周期时序如图9 。

图9 　MAX530 写周期时序

功能电路配置如图10 (a) 、(b) 、(c) 、(d) 。在实际电路中采用了双电源双极性配置,电压范围为从- 2. 048V 到+ 2. 048V。对话音进行了A/D 采集,然后进行数字存储处理,再进行D/ A 转换,通过扬声器对话音信息进行播放,效果比较理想。


6 　结束语

随着现代元器件水平的不断提高,信号源电路采用的电子器件也越来越集成化、小型化,本文采用的设计方案与采用非集成电路的方案相比,其功能较完备,操作简单,布线简明,价格便宜。并在频率精确度和稳定度上前者都高出后者一个或数个数量级。

采用现代数字信号处理技术实现的调制方法,各种信号的产生依靠软件操作来确定,对同一信号经过数字化后,可由不同的软件模块来实现各种调制功能。这使得硬件电路更加简单,操作更加方便,稳定度更高,可靠性更强。而且结合相应的数字信号处理软件及控制软件可以加载新的调制方式,形成一个通用的数字调制器,能够方便灵活地进行通信调制方式扩展。