AD9856在短波信號發(fā)生中的應(yīng)用

1 引言
    通信信號是研制通信設(shè)備和模擬通信電磁環(huán)境的重要環(huán)節(jié)。短波通信是一種目前廣泛應(yīng)用的通信方式。短波信號也是信號發(fā)生器設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。AD9856是美國模擬器件公司生產(chǎn)的一款DDS調(diào)制器，其內(nèi)部集成高速DDS、12 bitD／A轉(zhuǎn)換器、時鐘倍頻、數(shù)字濾波等功能，適用于通信信號的上變頻應(yīng)用。這里給出利用AD9856設(shè)計的基于正交調(diào)制方法的短波信號發(fā)生系統(tǒng)，從而為通信信號的設(shè)計提供參考。

2 短波信號簡介
    短波通信是無線電通信的一種。波長介于50-10 m，頻率范圍為6~30 MHz。發(fā)射電波要經(jīng)電離層的反射才能到達(dá)接收設(shè)備，其通信距離較遠(yuǎn)，因此，短波通信是遠(yuǎn)程通信的主要手段。由于電離層的高度和密度易受晝夜、季節(jié)、氣候等因素影響，所以短波通信的穩(wěn)定性較差，噪聲較大。
    短波是唯一不受網(wǎng)絡(luò)樞鈕和有源中繼體制制約的遠(yuǎn)程通信手段，一旦發(fā)生戰(zhàn)爭或災(zāi)害，各種通信網(wǎng)絡(luò)甚至衛(wèi)星都可能受到破壞和攻擊。無論哪種通信方式，其抗毀能力和自主通信能力都無法與短波相比；特別是在山區(qū)、戈壁、海洋等地區(qū)．超短波無法覆蓋，主要依靠短波；與衛(wèi)星通信相比，短波通信不用支付話費，運行成本低。因此，盡管當(dāng)前新型無線電通信系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，但短波通信仍然受到普遍關(guān)注，不僅沒有淘汰，而且還在快速發(fā)展。
    近年來，短波通信技術(shù)獲得長足發(fā)展。它可廣泛應(yīng)用于電報、電話、低速傳真通信和廣播等方面。因此，短波信號是構(gòu)建短波通信環(huán)境的基礎(chǔ)，對短波通信設(shè)備的研制和電磁環(huán)境的模擬具有重要意義。

3 短波信號發(fā)生模塊的工作原理
    傳統(tǒng)的短波信號發(fā)生是基帶信號通過上變頻方式調(diào)制中頻,再調(diào)制到射頻。在每一級調(diào)制后還要有相應(yīng)的濾波網(wǎng)絡(luò)．從中篩選出需要發(fā)生的射頻。但是此方法，往往硬件設(shè)計復(fù)雜，涉及的濾波網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大，投入成本也較大。而另一種改進(jìn)的短波信號發(fā)生方法是利用正交調(diào)制的原理。對于任意調(diào)制窄帶通信信號_引，都可以表示為：

   
    式中：幅度r(t)和相位θ(t)表征基帶信號的特征。
    將式(1)展開可得

   
    令l(t)=r(t)cosθ(t)，Q(t)=r(t)sinθ分量和載頻信號正交相乘，就可生成任意調(diào)制信號。因此，將計算機生成的話音、數(shù)據(jù)、圖像、視頻等基帶信號經(jīng)計算機運算后，產(chǎn)生基帶信號的I、Q分量，I、Q分量再與外部DDS產(chǎn)生的短波載頻信號正交相乘，產(chǎn)生短波通信信號。利用該思想設(shè)計的短波信號發(fā)生模塊原理圖如圖1所示。

4 AD9856簡介
    AD9856是美國模擬器件公司生產(chǎn)的一款DDS調(diào)制器，其內(nèi)部集成有高速DDS模塊、高速高性能12 bit D／A轉(zhuǎn)換器模塊、時鐘倍頻電路、數(shù)字濾波和其他DSP功能，可用于通用I／Q調(diào)制器和耗散、動態(tài)特性、價格、尺寸等要求較嚴(yán)格的上變頻通信應(yīng)用。
    AD9856的功能框圖如圖2所示。從功能上，AD9856可分為去復(fù)用和串并轉(zhuǎn)換、4×到8×可選內(nèi)插半帶濾波、2×到63×可選內(nèi)插濾波、4×到20×可編程倍頻、DDS和控制電路、正交調(diào)制器、反正弦濾波、12 bit D／A轉(zhuǎn)換器等模塊構(gòu)成。其中，去復(fù)用和串并轉(zhuǎn)換模塊是將輸入的復(fù)用數(shù)據(jù)分解，把I、Q串行數(shù)據(jù)變換為I、Q并行的數(shù)據(jù)組。DDS和控制功能模塊接收器件的控制字，在控制字的作用下產(chǎn)生相應(yīng)的頻率數(shù)據(jù)．并將頻率數(shù)據(jù)以正弦、余弦兩種形式傳輸給正交調(diào)制器。正交調(diào)制器將經(jīng)內(nèi)插處理的I、Q數(shù)據(jù)分別和DDS產(chǎn)生的兩個相差90°的正交載頻數(shù)據(jù)相乘，然后相加合成，產(chǎn)生輸出信號的數(shù)據(jù)。12 bit D／A轉(zhuǎn)換器模塊將輸出信號的數(shù)據(jù)經(jīng)反正弦濾波處理后轉(zhuǎn)換為輸出的模擬信號。其他的4×到8×可選內(nèi)插半帶濾波、2×到63×可選內(nèi)插濾波、反正弦濾波相應(yīng)地起到提高D／A轉(zhuǎn)換精度和波形變換作用。

5 利用AD9856設(shè)計短波信號發(fā)生系統(tǒng)
    利用AD9856設(shè)計的短波信號發(fā)生系統(tǒng)的部分電路如圖3所示。由于AD9856內(nèi)部集成較多的DDS發(fā)生、數(shù)模轉(zhuǎn)換及控制、正交調(diào)制等功能，因此利用AD9856設(shè)計的短波信號發(fā)生系統(tǒng)硬件電路較為簡單。圖3中，計算機運算得到的基帶I、Q分量以串行組的方式經(jīng)緩沖器輸入至AD9856的數(shù)據(jù)輸入端組。AD9856在TxENABLE控制信號的作用下，將I、Q分量串行組分離，生成I路數(shù)據(jù)和Q路數(shù)據(jù)分別送人相應(yīng)的內(nèi)插半帶濾波。輸入的數(shù)據(jù)通過編程設(shè)定為12 bit模式。輸入的兩路數(shù)據(jù)經(jīng)內(nèi)插半帶濾波后與DDS送來的載頻數(shù)據(jù)正交相乘，并相加合成為短波通信信號數(shù)據(jù)，再經(jīng)反正弦濾波提高信號的滾降特性。最后，經(jīng)處理的數(shù)據(jù)經(jīng)12 bitD／A轉(zhuǎn)換器生成所需的短波通信信號。

    AD9856輸人數(shù)據(jù)的格式可設(shè)定為12 bit、6 bit和3 bit 3種模式。設(shè)計中，為保證生成信號的精度，設(shè)定為12 bit。時鐘頻率也可編程設(shè)定?？紤]到數(shù)據(jù)同步，AD9856參考時鐘與輸入數(shù)據(jù)時鐘應(yīng)是同一時鐘源。內(nèi)部參考時鐘倍頻器可由編程設(shè)定為4~20倍參考時鐘頻率，也可由控制總線取消倍頻。內(nèi)部參考時鐘倍頻器的輸出作為內(nèi)部系統(tǒng)時鐘用于DDS和D／A轉(zhuǎn)換器模塊。
    上述設(shè)定都由AD9856寄存器的控制字設(shè)置。串行控制總線寄存器部分定義如表l所示。該系統(tǒng)產(chǎn)生的頻率范圍，可南直流到80 MHz，覆蓋整個短波頻段。
    以AD9856為核心的短波信號發(fā)生系統(tǒng)可在器件允許范圍內(nèi)產(chǎn)生短波波段的常規(guī)通信信號。同時，AD9856的輸出波段覆蓋部分超短波的波段范圍，因此當(dāng)需要產(chǎn)生較低頻段的超短波時，也可以該器件為核心設(shè)計相應(yīng)的信號發(fā)生系統(tǒng)。
    由于AD985D是模擬和數(shù)字混合電路器件，因此在電路板布局中．應(yīng)注意模擬電路地線和數(shù)字電路地線的設(shè)置與連接。一般情況下，模擬電路地線和數(shù)字電路地線應(yīng)盡可能短并設(shè)置為一點，避免引入不必要的噪聲．從而影響模擬電路工作，降低系統(tǒng)性能。
    以AD9856為核心設(shè)計短波信號發(fā)生系統(tǒng)產(chǎn)生短波波段常規(guī)的窄帶通信信號。如果要產(chǎn)生擴(kuò)頻等寬帶通信信號，應(yīng)在該電路后引入信道編碼擴(kuò)展系統(tǒng)功能。

6 結(jié)語
    短波通信技術(shù)廣泛應(yīng)用于電報、電話、低速傳真通信和廣播等方面。因此，短波信號是構(gòu)建短波通信環(huán)境的基礎(chǔ)，也是研制短波波段通信設(shè)備和性能測試的基礎(chǔ)。利用AD9856設(shè)計的短波信號發(fā)生系統(tǒng)大大簡化系統(tǒng)，減少投入，提高性能，從而為研究短波通信和模擬電磁環(huán)境提供借鑒，對信號發(fā)生器的設(shè)計具有參考價值。