基于DDS的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉生淵，徐建城，李 鵬

（西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710129）

基于DDS的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉生淵，徐建城，李 鵬

（西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710129）

設(shè)計(jì)了能夠傳輸英文字母、漢字及圖像信息的數(shù)字調(diào)制－解調(diào)無線通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、單點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的異步單工通信。發(fā)射機(jī)由控制器、調(diào)制電路、高頻功率放大器、天線、顯示電路及電源部分組成。發(fā)射機(jī)采用計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)PS/2鍵盤錄入信息，并用拼音輸入法實(shí)現(xiàn)漢字的錄入。接收機(jī)由解調(diào)電路、數(shù)據(jù)處理器、顯示電路及電源部分組成。整機(jī)實(shí)現(xiàn)了在30.0 MHz低載波頻率下的高速數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸速率可設(shè)為 1.2 kb/s、9.6 kb/s、57.6 kb/s、115.2 kb/s。

DDS；FSK；無線通信

DDS技術(shù)是近幾年來迅速發(fā)展的頻率合成技術(shù)，它采用全數(shù)字化的技術(shù)，具有集成度高、體積小、相對(duì)帶寬寬、頻率分辨率高、跳頻時(shí)間短、相位連續(xù)性好、可以寬帶正交輸出、可以外加調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)，并方便與控制器接口構(gòu)成智能化的頻率源。由于基準(zhǔn)時(shí)鐘的頻率一般固定，因此相位累加器的位數(shù)決定了頻率分辨率，位數(shù)越多，分辨率越高。基于DDS諸多優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)采用DDS技術(shù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)制功能[1-2]，充分發(fā)揮DDS的優(yōu)勢(shì)，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、功能強(qiáng)大。

1 硬件實(shí)現(xiàn)及工作原理

本系統(tǒng)為一套無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，硬件電路分為發(fā)射機(jī)電路和接收機(jī)電路兩部分[3-5]。

1.1 發(fā)射機(jī)電路

如圖1所示，發(fā)射機(jī)硬件電路主要由控制器、調(diào)制電路、高頻功率放大器、天線、顯示電路與電源部分組成。

圖1 發(fā)射機(jī)組成圖

控制器以TI公司高性能混合信號(hào)處理器MSP430F169為核心，完成對(duì) DDS、鍵盤、LCD顯示器的控制和信息處理的功能。MSP430F169為16 bit具有精簡指令集的超低功耗混合信號(hào)處理器（Mixed Signal Processor），采用1.8 V～3.6 V電源電壓，在1 MHz的時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí)，芯片的電流在 200 μA～400 μA，時(shí)鐘關(guān)斷模式的最低功耗只有0.2 μA，在8 MHz晶體驅(qū)動(dòng)下指令周期為125 ns。且MSP430F169具有豐富的片上外圍模塊，如看門狗、模擬比較器、定時(shí)器、串口、硬件乘法器等。在本系統(tǒng)中，MSP430F169工作在3.3 V電壓、8 MHz主頻下。

調(diào)制電路以ADI公司單片DDS芯片AD9854為核心。該芯片最高系統(tǒng)時(shí)鐘為300 MHz，理論輸出信號(hào)頻率范圍為直流到150 MHz，最高并行編程速率為100 MHz，采用3.3 V單電源供電，與上述控制器芯片匹配，無需加電平轉(zhuǎn)換電路，從而實(shí)現(xiàn)控制器與調(diào)制器的無縫接口。AD9854支持10 MHz串行通信方式和100 MHz并行通信方式，本系統(tǒng)采用串行數(shù)據(jù)輸入方式。AD9854內(nèi)置4～20倍頻的PLL，外部較低頻率的參考時(shí)鐘可通過倍頻后得到300 MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘，這樣就避免了設(shè)計(jì)高頻參考時(shí)鐘的難度，降低了高頻時(shí)鐘干擾。AD9854參考時(shí)鐘的輸入有單端輸入和差分輸入兩種方式，為了使電路簡單，本設(shè)計(jì)選用單端輸入方式。外部20 MHz有源晶振輸出經(jīng)PLL電路15倍頻到300 MHz后作為系統(tǒng)時(shí)鐘。濾波器采用由3個(gè)電感和7個(gè)電容構(gòu)成的七階橢圓濾波器，因?yàn)锳D9854的最高工作頻率為 300 MHz，而 DDS輸出最高頻率為系統(tǒng)工作頻率的40%左右，所以本方案中濾波器的截止頻率設(shè)計(jì)為120 MHz，有效濾除了高頻干擾，使輸出信號(hào)較為平滑。

高頻功率放大器工作在丙類方式，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的效率。顯示器采用LCM128 128×64點(diǎn)字符點(diǎn)陣液晶顯示器，用來完成人機(jī)交互界面和信息的顯示功能。電源部分采用LM2576-3.3三端穩(wěn)壓片，能夠提供最高3 A的電流輸出，完全滿足本系統(tǒng)的要求。同時(shí)為了防止AD9854工作時(shí)對(duì)電源造成干擾，電路設(shè)計(jì)采用了大量的濾波電容，且對(duì)數(shù)字電源和模擬電源作了很好的隔離，以防止數(shù)字電源對(duì)模擬電源的串?dāng)_。

1.2 接收機(jī)電路

接收機(jī)硬件電路由解調(diào)電路、數(shù)據(jù)處理器、顯示電路及電源部分組成，接收機(jī)框圖如圖2所示。

圖2 接收機(jī)組成圖

解調(diào)器以飛利浦專用FSK解調(diào)芯SA639DH為核心部件。它具有靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大、傳輸速率快、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。天線接收到的信號(hào)經(jīng)輸入回路取出的2FSK信號(hào)與本振信號(hào)同時(shí)送入乘法器進(jìn)行混頻，再經(jīng)一級(jí)帶通濾波器濾除高頻分量取其下變頻到中頻，然后進(jìn)行中頻放大后經(jīng)二級(jí)帶通濾波送入限幅放大器進(jìn)行限幅放大。限幅放大后的信號(hào)被分成兩路，一路直接送入乘法器，另一路經(jīng)移相網(wǎng)絡(luò)移相90°產(chǎn)生調(diào)相調(diào)頻波再送乘法器，兩路信號(hào)進(jìn)行相位比較，乘法器輸出的信號(hào)經(jīng)低通濾波器取出原調(diào)制信號(hào)，然后再把該信號(hào)送入比較器進(jìn)行整形后送信號(hào)處理器進(jìn)行處理。

接收機(jī)數(shù)據(jù)處理器同樣采用MSP430F169，顯示器采用與發(fā)射機(jī)相同的LCM12864。由于接收機(jī)部分與發(fā)射機(jī)相比功耗低，故接收機(jī)電源部分采用兩節(jié)5號(hào)干電池串聯(lián)供電。

2 系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)

2.1 發(fā)射機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

發(fā)射機(jī)上電后，首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括對(duì)控制器本身的端口配置、片內(nèi)外設(shè)的配置，以及外部的AD9854[6]、PS2鍵盤和顯示器等部件的初始化。初始化結(jié)束后系統(tǒng)進(jìn)入休眠模式，直到被外部鍵盤產(chǎn)生的中斷喚醒。然后根據(jù)得到的按鍵鍵碼進(jìn)行相應(yīng)處理。為了讓AD9854產(chǎn)生2FSK信號(hào)，需進(jìn)行如下的初始化過程：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；本系統(tǒng)采用串行接口，在SCLK信號(hào)控制下從并行輸入口D0～D1寫入48 bit并行寄存器，或在SCLK控制下從串行輸入口SDATA寫入48 bit串行寄存器。發(fā)射機(jī)的軟件流程圖如圖3所示（注：在發(fā)射機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)有3幅圖片）。

圖3 發(fā)射機(jī)流程圖

2.2 接收機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

接收機(jī)不需要區(qū)分接收到的是英文字符還是漢字，故軟件設(shè)計(jì)相對(duì)發(fā)射機(jī)來說較容易。同樣，開始對(duì)信號(hào)處理器以及外設(shè)進(jìn)行初始化，使其工作在等待信息接收狀態(tài)，此時(shí)，只有接收機(jī)射頻部分電路工作，其他部件處于休眠模式。當(dāng)接收機(jī)檢查到有信息到來時(shí)，通過中斷喚醒控制器，控制器再喚醒其他外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)接收和處理。接收到的信息經(jīng)信號(hào)處理器判斷，如果為字符（包括英文字符和漢字），則控制LCD進(jìn)入字符模式，進(jìn)行字符的顯示；如果為圖片，則控制LCD進(jìn)入圖片模式，進(jìn)行圖片顯示。接收機(jī)的軟件流程如圖4所示。

圖4 接收機(jī)流程圖

3 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

（1）載波中心頻率：發(fā)射機(jī)在2FSK模式時(shí)，1和0所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)頻率分別為fH=30.003 000 MHz和fL=29.997 000 MHz，系統(tǒng)在空閑時(shí)發(fā)射頻率為30.000 000 MHz，故選取頻率為30.000 000 MHz為中心頻率。

（2）頻率穩(wěn)定度：在單片機(jī)復(fù)位的前提下，用頻率計(jì)每隔2 min測(cè)一次AD9854的輸出頻率，共測(cè)5次，如表1所示。根據(jù)測(cè)試結(jié)果計(jì)算：

頻率穩(wěn)定度＝最大頻率偏差/中心頻率

＝（30.000 068-29.999 981）÷30.000 024

＝0.000 087÷30.000 024

＝2.9×10-6

（3）發(fā)射功率：在發(fā)射功率級(jí)末端接 50 Ω假負(fù)載，用100 MHz數(shù)字示波器測(cè)得發(fā)射信號(hào)的輸出電壓峰峰值 VP-P，據(jù)公式 P=V2P-P/8RL，得到發(fā)射功率值，實(shí)驗(yàn)測(cè)得VP-P=2.98 V，P=V2P-P/8RL=22.2 mW。

表1 AD9854輸出頻率測(cè)量值

（4）傳輸速率：發(fā)射機(jī)、接收機(jī)在通信距離為10 m的情況下，分別以 1.2 kb/s、9.6 kb/s、57.6 kb/s、115.2 kb/s的波特率傳送5次20個(gè)漢字，漢字錯(cuò)誤率均為零。

（5）圖形傳送功能：發(fā)射機(jī)、接收機(jī)。發(fā)射機(jī)調(diào)用機(jī)內(nèi)自帶的三幅圖形（分別為公雞、小兔及西工大校徽）以點(diǎn)陣的形式傳送，接收機(jī)能夠不失真接收，說明本系統(tǒng)具有圖形的點(diǎn)陣傳送功能。

本系統(tǒng)可以簡單高效地進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，是實(shí)現(xiàn)無線通信的一種簡單可行的設(shè)計(jì)方案。經(jīng)過系統(tǒng)測(cè)試，系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)令人滿意，工作可靠。另外，由于本系統(tǒng)采用DDS來實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)制，故可以比較容易地改變調(diào)制信號(hào)頻率，為實(shí)現(xiàn)跳頻通信提供了方便。

[1]陳邦媛.射頻通信線路[M].北京：科學(xué)出版社，2002.

[2]樊昌信，張甫翊，徐炳祥，等.通信原理（第 5版）[M].北京：國防工業(yè)出版社，2003.

[3]劉暢生.新型集成電路簡明手冊(cè)及典型應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2005.

[4]李朝青.單片機(jī)&DSP外圍數(shù)字 IC技術(shù)手冊(cè)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

[5]黃智偉.無線發(fā)射與接收電路設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[6]Analog Devices.CMOS 300 MSP Complete DDS AD9854[M].Analog Devices Inc.2007.

Wireless data transceiver system based on DDS

Liu Shengyuan，Xu Jiancheng，Li Peng

（College of Electronic Information，Northwestern Polytechnical University,Xi′an 710129，China）

This system is a communication system of digital modulation and demodulation which can transmit signals of chinese characters,pictures and english words through asynchronous simplex of point to point and single point to multiple points.The transmitter consists of control unit,modulation module，displaying module，power amp，antenna and power source parts.There is a standard PS/2 keyboard port attached to the transmitter system and the system realize chinese characters entering by utilizing pinyin input method.The receiver consists of demodulation module,data decoding and displaying modules.The system accomplish high speed data transmission at the low frequency of 30.0 MHz.The data rata can be set at 1.2 kb/s，9.6 kb/s，57.6 kb/s and 115.2 kb/s.

DDS；FSK；wireless communication

TP274+.2

B

1674-7720（2011）02-0065-03

2010-08-20）

劉生淵，男，1984年生，在讀碩士研究生，主要研究方向：電路與系統(tǒng)。