基于DDS的模拟调制信号源设计与实现

2016-01-05许国宏宋征徐林峰

电脑知识与技术 2015年29期

许国宏++宋征++徐林峰

摘要：设计实现了一种以AD9959为核心的模拟调制信号源，该信号源采用CPCI+FPGA+DDS架构，可将数字采样信号调制到射频工作频率，用数字的方法实现了模拟信号的幅度调制和频率调制。该文从DDS工作原理入手，提出了基于DDS的模拟调制信号源总体框架，并着重阐述了AM和FM数字调制信号转换为DDS控制字的过程。该信号源已应用于工程实践上，实际结果表明，该信号源产生的模拟调制信号频率稳定度高、幅相一致性好、抗干扰能力强，完全满足广播通信领域的功能要求。

关键词：AD9959；信号源；DDS；AM；FM

中图分类号：TN911 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）29-0035-03

Design and Implementation of Analog Modulation Generator Based on DDS

XU Guo-hong， SONG Zheng， XU Lin-feng

（China Research Institude of Radio Wave Propagation，Qingdao 266107，China）

Abstract： A kind of Analog Modulation generator based on AD9959 is designed，The generator use CPCI+FPGA+DDS architecture，the digital sample signals could be modulated into RF directly，AM and FM with digital methods is achieved.The article starting with DDS working principle，System framework of analog modulation generator Based on DDS is gived，and mainly introduces the conversion of digital modulation signals into DDS instruction words.The generator have been applied in engineering practice， and the experimental results showed that the generator had several advantages such as high frequency stability、high precise of Phase amplitude consistency、strong anti-jamming，which fully meet the function requirements in the Field of Broadcasting-Communication.

Key words： AD9959； generator； DDS； AM； FM

传统的模拟调制信号源多采用模拟乘法器、压控振荡器等模拟电路实现AM、FM信号，其信号质量不高，存在着频率不稳定，参数设定不可量化、精度低、可控性差、抗干扰能力弱等缺点[[1]]。本文设计采用了高精度的DDS和高性能的FPGA，将数字音频信号通过DDS芯片直接调制到射频工作频率上，达到模拟调制的目的，克服了传统模拟调制信号源的缺点，其频响失真、信噪比、立体声分离度等指标，也大大优于传统模拟调制信号源。

1 DDS原理

DDS包含相位累加器、波形存储器、数模转换器、低通滤波器和参考时钟五部分。在参考时钟的控制下，相位累加器对频率控制字线性累加，得到的相位码Φ（n）对波形存储器寻址，使之输出相应的幅度码，经过数模转换器得到相对应的阶梯波，最后经低通滤波器得到连续变换的所需频率的波形。

为了说明DDS相位量化的工作原理，可将正弦波一个完整周期内相位0～2π的变化用相位圆表示，其相位与幅度一一对应，即相位圆上的每一点均对应输出一个特定的幅度值，如图1所示。一个N位的相位累加器对应相位圆上2N个相位点，其最低相位分辩率为[Φmin]=ΔΦ=2π/2N。在图中N=4，则共有[24]=16种相位值与16种幅度值相对应。该幅度值存储于波形存储器中，在频率控制字K的作用下，相位累加器给出不同的相位码（用其高位作地址码）去对波形存储器寻址，完成相位—幅度变换，经数模转换器变成阶梯正弦波信号[[2]]。

图1 相位码与幅度码的对应关系

波形存储器主要完成信号的相位序列Φ（n）到幅度序列之间的转化。DDS输出信号的频率与时钟频率以及频率控制字之间的关系如下式所示

[Fout=K?fc2N]

式中，[Fout]为DDS输出信号的频率，K为频率控制字，[fc]为时钟频率，N为相位累加器的位数。

2 信号源设计

2.1 方案设计

基于DDS的模拟调制信号源主要由总线通信模块、时钟同步模块、数字调制模块和射频处理模块组成，系统框图如图2所示。信号源采用CPCI+FPGA+DDS架构，模拟音频信号经采样量化成数字信号，由上位控制机进行幅度调整、频率转换等数据处理，将音频信号转换成幅度控制字或频率控制字。上位控制机通过总线通信模块将数据传输至数字调制模块的存储器SRAM上。存储器SRAM采用“乒乓”结构，在信号源开始工作后，数字调制模块的FPGA从存取器SRAM-1中读取调制数据，通过SPI总线对DDS芯片进行配置，不断刷新DDS的幅度控制字或频率控制字，从而将数字信号调制成射频模拟信号，再经过低通滤波器输出到功放部分。当SRAM-1数据读取结束时，FPGA自动切换至从SRAM-2中读取调制数据，并给上位机发中断，由上位机响应中断并重新加载SRAM-1的调制数据，如此往复。

按照设计要求，基于DDS的模拟调制信号源须同时输出多路模拟调制信号，故而DDS芯片选用AD9959。AD9959是ADI公司推出的首款多通道DDS芯片，它内部集成了四个DDS核，可对每个通道的频率、相位和幅度进行独立控制，所有通道共享一个公共的系统时钟，内部具有固有的同步性[[3]]，可以满足系统要求。

2.2 AM调制设计

幅度调制是载波信号的幅度随调制信号作线性变化的过程，本文设计的信号源输出的幅度调制信号为标准调幅（AM），AM是高频通信中的一种比较常用的信号调制方式。设载波信号[v0t=V0cosω0t]，调制信号[vΩt=VΩcosΩt]，则标准调幅信号的振幅[[4]]：

[Vt=V0+KdVΩcosΩt=V01+KdVΩV0cosΩt=V01+macosΩt]

标准调幅信号的数学表达式：

[vt=V01+macosΩtcosω0t]，式中[ma=KdVΩV0=ΔVV0]称为调制度，是标准调幅的主要参数，它表征着已调波的调制深度，[0

DDS芯片AD9959的幅度控制器ACR数值范围“0x000H-0x3FFH”，设输出的中心幅度控制字为ACR中心值，即为0x3FF/2，则最小值幅度控制字可表达为[[5]]：

[Vmin=0x03FF2-ma0x03FF2]

DDS调制幅度是离散序列，假设为[VΩn]，若调制信号量化位数为M位，则[VΩn]取值范围为[0..2M-1]；幅度调制幅度控制字数学表达式为：

[V=Vmin+VΩn?ma0x03FF22M-1]

图3 幅度调制示意图

2.3 FM调制设计

频率调制（FM），是瞬时频率偏移随调制信号成比例变化的调制，它所形成的信号频谱不再保持原来调制信号频谱结构，为非线性调制。使用DDS实现频率调制，设计的难点在于如何将离散的调制信号幅度转换为DDS电路的频率控制字，转换过程如下。