采用DDS技術(shù)實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的數(shù)字調(diào)制功能設(shè)計(jì)

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、相對帶寬寬、頻率分辨率高、跳頻時間短、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?；贒DS 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， 充分發(fā)揮DDS 的優(yōu)勢， 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。

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處理器MSP430F169為核心， 完成對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處理器（Mixed Signal Processor） ， 采用1.8 V~3.6 V 電源電壓， 在1 MHz 的時鐘條件下運(yùn)行時，芯片的電流在200 μA~400 μA， 時鐘關(guān)斷模式的最低功耗只有0.2 μA，在8 MHz 晶體驅(qū)動下指令周期為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)時鐘為300 MHz ， 理論輸出信號頻率范圍為直流到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鐘可通過倍頻后得到300 MHz 的系統(tǒng)時鐘， 這樣就避免了設(shè)計(jì)高頻參考時鐘的難度， 降低了高頻時鐘干擾。AD9854 參考時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)時鐘。

濾波器采用由3 個電感和7 個電容構(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。同時為了防止AD9854工作時對電源造成干擾， 電路設(shè)計(jì)采用了大量的濾波電容， 且對數(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)。天線接收到的信號經(jīng)輸入回路取出的2FSK信號與本振信號同時送入乘法器進(jìn)行混頻， 再經(jīng)一級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， 兩路信號進(jìn)行相位比較， 乘法器輸出的信號經(jīng)低通濾波器取出原調(diào)制信號， 然后再把該信號送入比較器進(jìn)行整形后送信號處理器進(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， 首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化， 包括對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， 需進(jìn)行如下的初始化過程：S/PSELECT 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)相對發(fā)射機(jī)來說較容易。同樣， 開始對信號處理器以及外設(shè)進(jìn)行初始化， 使其工作在等待信息接收狀態(tài)， 此時， 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， 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)測試結(jié)果

（1） 載波中心頻率：發(fā)射機(jī)在2FSK 模式時，1 和0 所對應(yīng)的兩個頻率分別為fH=30.003 000 MHz 和fL=29.997 000 MHz，系統(tǒng)在空閑時發(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 測一次AD9854 的輸出頻率，共測5 次，如表1所示。根據(jù)測試結(jié)果計(jì)算：

表1 AD9854 輸出頻率測量值

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

（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 個漢字， 漢字錯誤率均為零。

（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?；眨?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)信號調(diào)制， 故可以比較容易地改變調(diào)制信號頻率， 為實(shí)現(xiàn)跳頻通信提供了方便。