基于AD9957的通用數字調制器

蓋鵬翱,鄭世剛

（山東航天電子技術研究所，山東 煙臺 264670）

目前我國再入遙測系統主要采用PCM/FM體制，現又有PCM/DSSS/BSPK等體制的要求，按照一般的做法，需要每種體制對應一種硬件電路。如果要增加一種新的信號調制方式，就需要重新設計，其缺點顯而易見。為了適應多種調制方式的要求,采用軟件無線電的設計思想，把硬件設計成一個通用數字調制器，對每種調制體制單獨設計一個軟件模塊，這樣只需要調用某一軟件模塊就可以產生相應的調制信號，使整個系統具備了很強的靈活性和開放性。

1 AD9957的結構、原理及使用方法

1.1 AD9957的概述

AD9957是ADI公司生產的正交數字上變頻器(QDUC)系列中的第三款產品,其芯片內部集成了高速的DDS內核、時鐘倍頻/分頻器、數字插值濾波器、高達1 GS/s的14 bit的數/模轉換器及其他功能模塊。在通信系統中，AD9957可以用作I/Q正交調制器或DDS或插值DAC，其內部結構如圖1所示[1]。

AD9957是繼AD9856、AD9857之后，ADI公司的第三款QDUC，其成本、尺寸、功耗和動態性能較前兩者有較大提高。該芯片的最高內部系統時鐘可達1 GS/s，其最大模擬輸出可達400 MHz,內部 DAC采樣速率可達1 GS/s；相位噪聲極低,在400 MHz載波處最大為-125dBc/Hz@1kHz。其主要功能如下[1]：

(1)輸入數據通道：交替輸入的18 bit并行基帶同相/正交數據；

(2)數據格式轉換器：將交替輸入的18 bit并行輸入數據分成同相、正交兩路分別沿著各自的數據通道進行傳輸；

(3)由AD9957產生、輸出的PDCLK時鐘信號可以用來同步輸入的基帶同相/正交數據。

AD9957的內部系統時鐘fSYSCLK是由時鐘倍頻得到的,可以通過對相應的CFR3寄存器中相關位的設置來控制。

1.2 AD9957的工作原理和工作模式

AD9957只能完成基帶同相/正交信號的正交上變頻功能，需要基帶I/Q信號在進入之前完成編碼、脈沖成型等信號處理過程。

AD9957的工作模式包括 QDUC模式(默認)、DAC插值模式和單頻調制模式,可通過設置CFR1寄存器中的相應位完成工作模式的選擇。當工作于正交調制模式時，DDS核提供給正交調制器一個正交載波，先與I/Q通道數據相乘，再將相乘后的信號相加或相減，將數據正交調制到所需要的頻率。本設計中，采用AD9957的正交調制模式，實現一個通用的數字調制器。

1.3 AD9957的使用方法

對AD9957的參數控制是通過一個同步串行接口(SCLK最大為70 MHz)實現的，可以控制的參數包括串口狀態設置、工作寄存器設定、工作模式設置、載波頻率設置、系統時鐘設置、內部內插倍數等。該同步串口可與Intel系列、Motorola系列等微處理器和FPGA相連。AD9957的同步串行接口包括 SCLK、CS、SDIO、SDO等信號，該接口可進行讀/寫操作，訪問芯片內部所有的配置寄存器。AD9957的通信周期分為兩個階段，第一個階段是指令階段，第二階段是數據的讀取或寫入階段。串口讀寫時序如圖 2、圖 3所示[1]。

本設計中，對AD9957的控制由FPGA來完成，二者之間的主要接口信號如圖4所示。AD9957的各種可編程功能都由芯片內部的配置寄存器進行控制，由FPGA根據系統要求，通過同步串行接口（SCLK、SDIO、CS）編程修改相應寄存器的值分別完成對工作模式、幅度控制字、相位控制字(PW)、頻率控制字(FTW)等參數的設置。設置好工作參數后，FPGA輸出經過編碼、成型濾波等信號處理后的基帶I/Q數據，通過高速并行數據輸入通道注入到AD9957中，完成正交調制(上變頻)功能。

圖5為QDUC模式下，AD9957數據輸入通道的時序圖。圖中，在每個PDCLK的上升沿，AD9957捕捉一個18 bit數據，比如第 1個PDCLK捕捉一個 18 bit基帶 I數據，第 2個 PDCLK則捕捉一個 18 bit基帶 Q數據，如此交替下去。因此,每個基帶I/Q數據對（即1個復信號I+jQ）需要兩個PDCLK周期。

2 多模式調制算法分析

在軟件無線電中，多模式調制的思想是從信號空間映射的角度來定義信號調制，它是通過信號空間和矢量表示來表征信源信息 (調制信號)與已調信號之間的關系，作為一種統一結構，適合于各種調制方式。

載波調制信號是一種帶通信號，可以表示為[2]：

式 中 ，A(t)、wc、θ(t)分 別 表 示 信 號 瞬 時 幅 度 、 載 波 頻 率 和瞬時相位。選擇正交基函數集{cos(wct)，sin(wct)}對 S(t)進行正交展開，得到：

即已調信號 S(t)可以用同相 I(t)和正交Q(t)兩個矢量來表示。設m(t)為調制信號，信號調制分為兩個過程：(1)基 帶 調 制 ，m(t)轉 化 為{I(t),Q(t)}；(2)正 交 調 制 ：{I(t),Q(t)}轉化為S(t)。調制的方法是先根據調制方式求出I(t)、Q(t)、S(t)，然后分別與兩個正交本振 cos(wct)、sin(wct)相乘并求和，即可得到調制信號S(t)[2-3]。

圖6為信號調制數學模型，同相I(t)信號和正交Q(t)信號的采樣率與輸出信號的采樣率是一樣的，而根據奈奎斯特定理，輸出信號的采樣率要求至少大于本振信號的兩倍以上。實際上I(t)和Q(t)的有用信號帶寬遠遠小于本振信號，即 I(t)和 Q(t)并不需要很高的采樣率，只需要采用大于2倍有用信號帶寬的采樣率即可。為了使產生的基帶I(t)和Q(t)信號與后面的采樣率相匹配，在進行正交調制(與兩個正交本振混頻)前必須通過內插把低采樣率的基帶信號提升到高的采樣率上，整個實現過程如圖7所示[2-3]。本文設計的通用數字調制器正是基于上述多模式調制基本理論。

圖6 信號調制數學模型

圖7 基于內插的信號調制數學模型

3 調制算法分析

3.1 PCM/FM調制方式

調頻（FM）是使載波在某一固定載頻 ωc條件下，以調制信號m(t)去控制載波頻率。在ωc基礎上的增減“頻偏”與信號m(t)成正比變化，其一般表達式為[3]：

其中，KFM為調制指數，wc為載波頻率,P為信號功率。

在數字域表示形式為：

積分形式可由求和近似處理為(復化求積方式)：

遙測中頻信號在數字域的完整表示為：

根據式(8)，在實現FM時，先對調制信號進行積分，然后對積分后的信號分別通過查表求取正弦和余弦即可，最后通過AD9957實現正交調制,即：

遙測PCM-FM中頻調制的原理框圖如圖8所示。

圖8 PCM/FM調制原理框圖

3.2 PCM/DSSS/BPSK調制方式

BPSK調制方式(即二進制移相鍵控調制)，是受鍵控的載波相位按基帶脈沖序列的規律而改變的一種數字調制方式，其信號形式為[4]：

其中，A為信號幅度,m(t)是脈寬為Ts的單個矩形脈沖，而an的統計特性為：

直接序列擴頻（DSSS）具有抗干擾能力強、截獲率低、多址能力強、抗多徑、保密性好等優點，PCM/DSSS/BPSK系統由時鐘產生器、偽碼發生器、成型濾波器、擴頻調制等模塊組成，如圖9所示。時鐘模塊用來提供各模塊的定時，偽碼產生器用于生成偽隨機序列（本設計中為Gold平衡碼），將它與編碼后的數據進行模2加運算，完成數據的擴頻。

圖9 PCM/DSSS/BPSK調制

圖10 數字通用調制器原理框圖

4 AD9957在數字通用調制器中的應用

4.1 AD9957的應用框架

根據AD9957的原理及通用調制器的具體要求，設計了一個基于AD9957的數字通用調制器硬件平臺，如圖10所示。

圖10中，PCM遙測數據通過RS422接口、數字隔離后送入FPGA；FPGA內部完成編碼、擴頻調制、積分、成型濾波、I/Q通道分離等步驟，再送至AD9957完成數字上變頻，輸出70 MHz中頻調制信號,最后送入功放設備。對AD9957的串行配置由FPGA完成,接口如圖4所示。FPGA芯片選用了Xilinx公司SRAM型芯片XC2V3000，配置芯片選用 XCF16PVOG48C，它們之間通過Master SelectMAP方式配置。

4.2 實驗結果

圖11是PCM/FM調制方式下的頻譜圖，數據速率為 10 Mb/s,調制指數為 0.7；圖 12是 PCM/DSSS/BPSK調制方式下的頻譜圖,數據速率16 kb/s，PN碼速率為10.23 MC/s。

AD9957提供了基于軟件無線電思想的數字正交上變頻功能，具有很強的通用性、靈活性，非常適合應用在軟件無線電中。

[1]Analog Devices,Inc.AD9957數據手冊[EB/OL].(2010-09-xx)[2012-10-27].http://www.analog.com.

[2]徐先超.復雜電磁環境中標準信號生成系統的研究與實現[D].長沙：國防科學技術大學,2008.

[3]THTTLEBEE W.軟件無線電技術與實現[M].楊小牛，譯.北京:電子工業出版社,2004.

[4]樊昌信,張甫翊，徐炳祥,等.通信原理(第 5版)[M].北京:國防工業出版社,2001.