基于AD9854 的MSK 調制信號的產生

周 泓， 李德榮

（西安郵電大學 陜西 西安710061）

MSK 是一種在無線移動通信中很有吸引力的數字調制方式，可以看成是調制系數為0.5 的連續相位的FSK 信號[1]。相對于傳統的FSK 調制方式具有兩個主要優點： 一是MSK信號在帶外產生的干擾非常小，這正是限帶工作情況下所希望有的寶貴特點；二是信號包絡是恒定的、相位是連續的，系統可以使用廉價高效的非線性器件[2]。

傳統的MSK 調制方式與FSK 調制方式類似，即用數字調制加DAC 的方法實現信號頻帶從零頻到中頻的搬移[3]。但在具體的硬件實現中，具有一定的難度。 首先，在數字調制的過程中，我們要花費一定的代價來保證輸出MSK 信號的相位連續性；其次，如果產生的調制信號為高中頻信號，那么要保證信號的指標是很有難度的， 要在電路PCB 設計上考慮高速走線的干擾、衰減、反饋以及電磁兼容性等一系列問題。

ADI 公司推出的集成DDS 芯片AD9854 能夠將數字基帶信號直接調制和上變頻，而且還能夠在芯片內部實現相位連續[4]，不但大大地降低了信號調制難度，還有效地保證了信號的良好指標。 因此，與傳統的MSK 調制方式相比，具有一定的優勢。

1 AD9854 簡介及應用

AD9854 是ADI 公司推出的一款高性能DDS 芯片[5-6]，采用先進的DDS 技術， 內部耦合兩組高速高性能正交D/A 轉換器和一組高精度比較器。 只要外部提供穩定高質量的時鐘源，AD9854 就會產生高穩定性的幅度、頻率以及相位可編程的正弦和余弦輸出信號。 AD9854 提供48 位的可編程頻率字寄存器，支持1 MHz 的頻率步進、17 位的可編程相位字寄存器確保了極佳的SFDR 性能。 AD9854 支持靈活的時鐘系統，可以允許單端或差分的時鐘輸入， 支持可編程的4 倍到20倍的內部時鐘倍頻器，芯片內部可產生的最高時鐘頻率可以達到300 MHz。 芯片采用0.35 μm 的CMOS 工藝，支持單端3.3 V 供電。

由于AD9854 支持FSK 調制方式，實際上我們所需要的MSK 信號就是一種特殊的正交FSK 信號， 其特殊性在于其兩組頻率之間的差值是滿足這兩組頻率正交性的最小頻差。值得注意的是，MSK 信號的相位是連續的， 在調制的過程中我們為了保證產生的MSK 信號的相位連續性需要加入相位常量，這將增加MSK 調制系統的復雜性。 而AD9854 芯片的優勢之一就是芯片輸出信號的相位是連續的。 因此， 采用AD9854 來產生MSK 信號將大大地降低系統的復雜性。

1.1 FPGA 配置

在實際運用中， 需要AD9854 產生符合要求的MSK 信號，則要采用FPGA 對AD9854 進行配置。 FPGA 與AD9854硬件連接如圖1 所示，圖中管腳定義如表1 所示。

圖1 FPGA 與AD9854 硬件連接圖Fig. 1 The connection diagramof FPGA and AD9854

表1 FPGA 配置AD9854 管腳介紹Tab. 1 The introduction ofFPGA configuration pins

當把硬件電路搭建完畢之后，就可以使用FPGA 去配置AD9854 中的寄存器以實現AD9854 的相應功能， 以使AD9854 產生MSK 信號。

對于MSK 信號，其兩組頻率相互正交，其頻差Δf=f2-f1=1/2Tb[7]，即調制指數h 為：

MSK 信號表達式為：

式中，ak為發送序列比特，Tb為比特長度，fc為輸出中頻，xk是為了保證t=kTb時相位連續而加入的相位常量。 令

為了保持相位連續，在時應有下式成立：

將（4）代入（3）得到：

由式（5）可以看出，為了保證相位的連續性，在本比特區間所加的相位常量不僅與本比特區間的輸入有關，還與前一個比特區間內的輸入及相位常數有關， 這將大大增加了非AD9854 方法產生MSK 信號的難度。 但是在第1 節提到AD9854 芯片本身就可以保證輸出信號相位的連續性， 因此在本系統設計中，不需要考慮MSK 信號的相位連續問題。

本系統中AD9854 產生的MSK 信號的參數如表2 所示。

表2 本文中MSK 信號參數Tab. 2 The parameters ofMSK signal

根據式（3），得到MSK 信號的兩組頻率為：

由 表2 參 數， 得 到f1和f2分 別 為：f1=300.05 kHz，f2=29.95 kHz。

AD9854 的頻率字FTW 計算式為：

式 中， fout為AD9854 欲 輸 出 信 號 頻 率，SYSCLK 為AD9854 的全局時鐘，在系統中AD9854 的時鐘為30 MHz。將式（6）代入式（7）有：

1.2 AD9854 寄存器

AD9854 擁有很高的可操作性，它擁有39 個可配置寄存器，可以根據用戶要求對頻率、相位、幅度、時鐘等參數進行配。 AD9854 所有需要配置的寄存器如表3 所示。

表3 AD9854 寄存器配置表Tab. 3 The configuration of AD9854 register

2 實驗結果

根據本文提出的MSK 信號生成方法生成MSK 信號，用示波器觀測生成信號如圖2 所示，用頻譜分析儀觀測生成信號頻譜如圖3 所示。

圖2 示波器觀測的時域MSK 波形Fig. 2 Time-domain waveformof MSK signal observed by oscilloscope

圖3 頻譜儀觀測的MSK 信號頻譜Fig. 3 Spectrum of MSK signal observed by spectrometer

系統中MSK 信號兩組頻率的頻差只有100 Hz， 因此，MSK 的時域波形類似于正弦波如圖2 所示。從示波器中的波形可以看出該法生成的MSK 信號包絡恒定、相位連續，穩定無抖動。

用頻譜儀觀測的MSK 信號頻譜， 可得輸出中心頻率為300KHz，輸出電平為-14dBm，無雜散動態范圍達到60dB，滿足指標要求。

3 結 論

文中我們利用FPGA 來配置AD9854 產生MSK 信號，并在軟件和硬件的層面給出了設計方案。 實驗結果證明采用本文方法產生的MSK 信號指標優良，效果良好。 因此，文中為現代數字通信系統中的MSK 數字調制提供了一種新穎、有效的方法。

[1] Theodore S. Rappaport.， 無線通信原理與應用[M]. 北京：電子工業出版社，2006.

[2] 胡敏. MSK數字化調制解調技術研究[D]. 長沙：中南大學，2007.

[3] 裴少俊，胥嘉佳，黃克平. 一種基于AD9854 的BPSK 信號產生設計[J]. 電子科技，2013（26）:74－76.

[4] CMOS 300 MSPS Quadrature DDS AD9854.C00636-0-7/07（E）.ADI公司官方技術文檔[S]. Official Technical Document of ADI；

[5] 張玉梅，陳健，傅豐林. 用DSP控制AD9854 實現跳頻通信[J]. 世界電子元器件，2003（9）:64－65.

[6] 詹艷艷. 基于DDS的波形信號發生器的設計[J]. 沈陽理工大學學報，2008，27（3）:52－56.

[7] 李建東，郭梯云，鄔國揚. 移動通信[M]. 4版. 西安：西安電子科技大學出版社，2006.