摘要：本文以DDS（直接數(shù)字頻率合成）理論為基礎,采用Altera公司推出的DSP Builder軟件工具,介紹了一種基于軟件無線">無線電的可調中頻調制器的設計方法,使其在硬件平臺上通過撥碼開關控制實現(xiàn)FSK、PSK、ASK三種調制方式。文中討論了調制的一般理論,并將推導出的相關理論結果運用到仿真調試中,最后在FPGA芯片上驗證了調制器的系統(tǒng)功能。
關鍵詞：直接數(shù)字合成;軟件無線">無線電;調制;DSP Builder
1.引言：
　　軟件無線">無線電（software defined radio）是無線">無線電系統(tǒng)從模擬到數(shù)字再向前發(fā)展的新階段。其目標是在可編程的硬件平臺上通過注入不同的軟件,實現(xiàn)對工作頻段、調制解調方式、信道多址方式等無線">無線功能的改變。在軟件無線">無線電的研究過程中,調制解調技術是無線">無線通信系統(tǒng)的重要組成部分。目前對于軟件無線">無線電調制技術的實現(xiàn)多是采用具有調制功能的專用芯片（其中應用較為廣泛的是AD公司的AD985X系列）[1]或是采用可編程器件結合專用芯片方法實現(xiàn)[2]。然而在某些場合,調制方式和控制方式會與系統(tǒng)的要求差距很大。因而,完全采用高性能的FPGA器件設計出符合要求的調制電路就是一個很好的解決方法[3],此方法提供了一個良好的數(shù)字無線">無線通訊系統(tǒng)的驗證環(huán)境,可將多種調制算法在實驗平臺上實現(xiàn),并通過平臺提供的基本控制對系統(tǒng)進行驗證仿真。并且用這種軟件化硬件的設計方法,可以產(chǎn)生多種模式的數(shù)字調試方式,具有集成度高、易于升級等優(yōu)點。
　　本文基于DDS（直接數(shù)字頻率合成）的技術原理,采用Altera公司推出的在FPGA上進行DSP開發(fā)的開發(fā)工具DSP Builder軟件,設計了一種適合與軟件無線">無線電使用的可調中頻數(shù)字調制器,實現(xiàn)FSK、PSK、ASK三種調制方式,并通過FPGA芯片進行系統(tǒng)驗證。
2.DDS的基本原理
　　DDS(Direct Digital Synthesize)即直接數(shù)字合成,是一種新型的頻率合成技術,圖1為DDS的基本實現(xiàn)原理結構圖。


DDS以數(shù)控振蕩器的方式,產(chǎn)生頻率、相位和幅度可控的正弦波[5]。電路包括相位累加器、相位調制器、正弦ROM查找表、基準時鐘源、D/A轉換器等組成。其中前三者是DDS結構中的數(shù)字部分,具有數(shù)控頻率合成的功能。DDS是基于查找表方法,將一個正弦波周期的N個均勻采樣點存儲在存儲器中,以均勻速率將這些采樣點輸送到DAC,即可得到一個單頻正弦波,如果每隔K個采樣點輸出一個數(shù)據(jù),則會得到K倍頻的正弦波。但是,系統(tǒng)會存在一個上限頻率,這取決于N的選擇和系統(tǒng)的采樣頻率。設一正弦波為：
s(t)=sin(w0t)=sin(2∏f0t)(1)
對其以采樣頻率fs進行采樣,得到：
s(n)=sin(2∏f0tTs)(2)
這樣可以得到此正弦信號的相位增量為：
△φ＝2∏f0Ts＝2∏f0/fs(3)
將一個周期的正弦波均勻分為N份,取N為2的整數(shù)冪。則每一份的相位的大小是：

δ＝2∏/N （4）
如果每隔K個點輸出一個采樣值,則相位增量就是Kδ,輸出頻率為：
f=Kδ/2∏Ts=Kfs/N (5)
根據(jù)采樣定理,K應該滿足K≤N/2�？梢酝ㄟ^增加一個周期的采樣點N,也就是增加采樣頻率得到更高的輸出頻率。這是計算中頻調制參數(shù)的依據(jù)。
{{分頁}}
DDS與傳統(tǒng)的頻率合成技術相比,具有頻率穩(wěn)定度高,頻率轉換速度快,輸出相對帶寬寬,頻率分辨率高等特點,將DDS的這些功能應用于軟件無線">無線電中,可以部分降低CPU的處理負擔,使整個系統(tǒng)的性能達到較好的程度[6]。

3.
FSK、PSK、ASK調制原理
在數(shù)字通信系統(tǒng)中,數(shù)字基帶信號通常要經(jīng)過數(shù)字調制后再傳輸。常見的調制方式有頻移鍵控（FSK）、相移鍵控（PSK）、幅移鍵控（ASK）等。
以基帶數(shù)字波形序列來表示{ak},通常二進制數(shù)字基帶信號表示為：
m(t)=∑akg(t-kTb)
其中,ak為二元碼符號,1或0;g（）為單極性不歸0波形,歸一化幅度;Tb為二元序列碼元間隔。
則頻移鍵控（FSK）信號為：
sFSK(t)= A0∑[akg1(t-kTb)cos(w1t+θ1)+(1-ak) g2(t-kTb)cos(w2t+θ2)]
其中w1為傳號載頻;w2為空號載頻;θ1和θ2分別為傳號與空號載波的初相,在[-∏, ∏]均勻分布;w0=(w1+ w2)/2為載波頻率;kTb≤t≤(k+1) Tb。
相移鍵控（PSK）信號為：
sPSK(t)=A0∑[akg1(t-kTb)cos(w1t+θ1)+(1-ak) g2(t-kTb)cos(w1t+θ2+∏)]
幅移鍵控（ASK）信號為：
sASK(t)= m(t) c(t)= m(t)A0cos(w0t+θ0)= A0∑akg(t-kTb)cos(w0t+θ0)
實現(xiàn)上述調制的方式有多種,采用DDS技術做正交調制,能夠克服解調輸出的嚴重失真,提高抗噪聲性能。對此正交調制表現(xiàn)在已調信號（傳號與空號）各自的相關系數(shù)——正交關系。FSK和ASK相關系數(shù)均為ρ12＝0,PSK的相關系數(shù)為ρ12＝－1。一般的,要滿足此條件,應考慮到載波頻率f0是碼元頻率Rb＝1/Tb整數(shù)倍,即f0＝mRb,或1bit間隔包括整數(shù)個載波周期,即Tb＝mT0,這將作為在DSP Builder中優(yōu)化系統(tǒng)時的依據(jù)。
4.
基于DSP Builder的可調中頻調制模塊設計
DSP Builder是Altera公司推出的一個面向DSP開發(fā)的系統(tǒng)級工具,它提供了Quartus II 軟件和Matlab/Simulink工具之間的接口。DSP Builder允許系統(tǒng)、算法和硬件設計去共享一個通用的開發(fā)平臺,DSP Builder設計流程如圖2[7]。


根據(jù)DDS基本原理,基于Matlab/Simulink/Altera DSP Builder建立適合軟件無線">無線電應用的中頻調制器模型如圖3。電路全部采用有符號數(shù),其中頻率字為32位,幅度字為18位,分別控制載波的頻率值及載波幅度值。系統(tǒng)由兩個控制按鍵（key1和key2）,一個信號輸入端,三個初值輸入端（key3、key4和key5）組成。其中key1和key2控制調制方式,key3和key4是載波的頻率控制字輸入口,key5是載波幅度控制字的輸入端。


整個系統(tǒng)主要由一個DDS構成,包括兩個查表ROM及其他控制電路。當key1、key2為11、01、00時,分別實現(xiàn)FSK、PSK、ASK調制;當key1、key2為10時無信號輸出。在信號的輸入端接收被調制的信號。由AltBus、Parallel Adder Substractor、Delay構成DDS的核心部分——相位累加器。正弦查找表模塊LUT的計算式為：
255*sin( 10*[0:1*pi/(2^10):10*pi] ) +256
受存儲器容量和成本限制,正弦查找表模塊LUT容量有限,這里設置為10位,為了獲得較高的頻率分辨率,DDS模塊的頻率字設置為32位,也即相位累加器字長位32位,DDS將獲得fclk/232。
要達到軟件無線">無線電傳輸標準的調制器設計,能夠通過計算推算出頻率字的取值。設基帶碼元速率為1kHz,系統(tǒng)采樣頻率為32MHz,即對每個碼元采樣32k個點,要達到一個中頻載頻取中頻載頻為：f1＝600k,f2＝1M,取N＝232,根據(jù)式（5）,可得其頻率控制字分別為：
Key1＝80530637;key2＝134217728;取幅度控制字key5＝128。對此系統(tǒng)進行仿真驗證。
5.
系統(tǒng)仿真及硬件實現(xiàn)。
按照圖3所示的調制器結構在Simulink中完成仿真系統(tǒng)的搭建,并對其進行系統(tǒng)級仿真,施加合適的激勵,添加合適的觀察區(qū)間,在模型窗口選擇“Simulink”菜單,再選Start項仿真。雙擊Scope模塊,分別得到FSK、PSK、ASK仿真波形,如圖3。


通過Simulink系統(tǒng)級仿真后對模塊進行編譯,這在Simulink中自動完成后續(xù)的綜合,時序分析等操作。通過SignalComplier（如圖4）把Simulink的模塊文件（.mdl）轉換成通過的硬件描述語言VHDL文件,選定Cyclone系列芯片,并由Quartus II進行綜合、適配、時序分析,最終得到可供下載使用的.sof文件。



打開Quartus II,進行Cyclone系列的EP1C6Q240C8芯片,進行重新編譯,仿真,下載到芯片在示波器中驗證了系統(tǒng)的調制功能。
6.
結論
該設計避免了編寫繁瑣的硬件描述程序,同時避免了向ROM中填寫大量的波形數(shù)據(jù)。充分利用了Matlab中Simulink的DSP Builder工具箱的圖形化界面建模、系統(tǒng)仿真功能,同時又區(qū)別與完全圖形化的方法。采用DDS技術,具有分辨率高、頻率變化快、頻率可控等優(yōu)點,很好的實現(xiàn)了調制功能。實驗證明,采用文中的方法設計的基于軟件無線">無線電的調制器具有較好的功能,基本滿足一般應用的需求。而對于如何控制調制器的頻率是下一步研究的內容。
參考文獻
1.
劉芳,直接數(shù)字頻率合成器AD9852及應用[J],國外電子元器件,2001（3）：40－43
2.
單亞嫻,王華,匡鏡明,一種基于軟件無線">無線電的通用調制器的設計和實現(xiàn)[J],電子技術應用,2004（2）：43－45
3.
Kuo-Huang Lin, Hsin-Sheng Lee, Implementation of Embedded Controller using SOPC Technology[J], Robotics, Automation and Mechatronics, Dec. 2006 page(s):1-6
4.
潘松,黃繼業(yè),王國棟,現(xiàn)代DSP技術[M],西安電子科技大學出版社,2003：57
5.
wellborn, M.L, Direct digital synthesis for software radios[J], Wireless Communications and Networking Conference, Sept. 1999 page(s):211-215
6.