基于 AD9959 的 FM 及以下波段軟件無(wú)線電發(fā)射系統(tǒng)

0 引 言

軟件無(wú)線電系統(tǒng)基于軟件定義無(wú)線電通信協(xié)議，而非使用硬件連線 [1]，打破了設(shè)備通信功能的實(shí)現(xiàn)僅僅依賴于硬件發(fā)展的格局 [2]。近些年，軟件無(wú)線電已成為一個(gè)重要的研究課題 [3]。基于 ARM 和 DDS 搭建的軟件無(wú)線電發(fā)射系統(tǒng)能夠發(fā)揮 ARM 在嵌入式領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì) [4]，實(shí)現(xiàn)軟件無(wú)線電通用性、靈活性、便于互聯(lián)和升級(jí)的優(yōu)勢(shì) [5]。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用圖 1 所示的 A/D-ARM-DDS 硬件架構(gòu)，模塊化設(shè)計(jì)，通過(guò)使用 DDS 保證輸出信號(hào)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。系統(tǒng)各模塊間采用高速通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)使用DMA 讀取 STM32 內(nèi)置 ADC 的數(shù)據(jù)，通過(guò) SPI 總線將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至AD9959。模塊間的通信在定時(shí)器中斷中進(jìn)行。

2 系統(tǒng)模塊簡(jiǎn)介

2.1 信號(hào)采集

信號(hào)采集部分由STM32內(nèi)置ADC和外圍偏置電路組成，系統(tǒng)對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行單聲道采樣，采樣頻率為 25 kHz，滿足調(diào)頻廣播 22 kHz 的要求 [6]。圖 2 所示的偏置電路在信號(hào)輸出端連接兩個(gè)等值電阻 R1 和 R2，用于將輸入的帶有正負(fù)電壓的音頻信號(hào)偏置到 0 ～ 3.3 V。電阻阻值不宜過(guò)高，以免影響信號(hào)拾取 ；不宜過(guò)低，導(dǎo)致電阻電流過(guò)大，影響系統(tǒng)安全。

2.2 信號(hào)處理

STM32F103 內(nèi)置 12 位逐次逼近型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，采樣分辨率為 12 bit，采樣頻率最高可達(dá) 1 MHz。系統(tǒng)通過(guò)STM32 內(nèi)置定時(shí)器實(shí)現(xiàn) 25 kHz 的定時(shí)采樣，即每隔 4 μs 采樣一次，采樣數(shù)據(jù)經(jīng) DMA 傳輸至 STM32 內(nèi)存。AD9959 的串行 I/O 口提供了一個(gè) SPI 操作模式，端口 SCLK 的最大速度為 200 MHz。本系統(tǒng)中，STM32 通過(guò)硬件 SPI 與 AD9959通信。配置硬件 SPI 工作在 2 分頻狀態(tài)，STM32F103 主頻為72 MHz，可得 SPI 時(shí)鐘頻率為 36 MHz。每次更新 AD9959頻率需傳輸 7 B 數(shù)據(jù)，由于

即系統(tǒng)可在 4 μs 的定時(shí)器中斷間隙完成數(shù)據(jù)傳輸。

2.3 信號(hào)發(fā)射

信號(hào)發(fā)射部分由 AD9959 芯片和低通濾波電路組成。AD9959 由美國(guó) ADI 公司生產(chǎn)，采用先進(jìn)的 DDS 技術(shù)，可生成最高 200 MHz 的正弦波。其集成了四個(gè)高速 10 位 DAC，500 MSPS，具有優(yōu)良的寬帶和窄帶 SFDR。每個(gè)通道有一個(gè)專門(mén)的 32 位頻率調(diào)諧字，14 位相位偏移和一個(gè) 10 位幅度輸出調(diào)節(jié)。AD9959 通道的輸出頻率（fout）可由式（1）得出 ：

式 中：fs 為系統(tǒng)時(shí)鐘頻率；FTW 為頻率調(diào)諧字， 且0 ≤ FTW ≤ 231，相位累加器容量為 232。通過(guò)在 AD9959 的信號(hào)輸出端連接 200 MHz 的低通濾波器將 DAC 輸出信號(hào)中的部分高次諧波濾除，實(shí)現(xiàn) FM 信號(hào)的生成。低通濾波器電路如圖 3 所示。

2.4 調(diào)制參數(shù)計(jì)算

FM 調(diào)制是一種角度調(diào)制，其將基帶信號(hào)的電壓與調(diào)制信號(hào)的頻率相對(duì)應(yīng) [7]。由于 AD9959 可以實(shí)現(xiàn)頻率單獨(dú)可控，且單獨(dú)改變頻率時(shí)信號(hào)的相位連續(xù)，所以在信號(hào)處理部分，系統(tǒng)通過(guò)公式（2）將輸入電壓轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)頻率并由DDS生成，即可將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化為可被解調(diào)的 FM 信號(hào)。

式中：fFM為AD9959在當(dāng)次ADC采樣后需生成的正弦波頻率； VADC 為 ADC 采樣值。fFM，f 頻偏和 f 載波的單位為 Hz。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后開(kāi)始工作，將輸入信號(hào)調(diào)制到預(yù)定參數(shù)并發(fā)射。系統(tǒng)上電后首先通過(guò)公式（2）計(jì)算出 ADC 各量化值對(duì)應(yīng)的調(diào)制后頻率，并建立對(duì)應(yīng)查詢表。在完成初始化后，系統(tǒng)以 25 kHz 的頻率進(jìn)入定時(shí)器中斷。在每次中斷時(shí) STM32通過(guò)查表將 ADC 轉(zhuǎn)化為頻率值，并通過(guò) SPI 總線發(fā)送至AD9959 頻率調(diào)諧寄存器，給 AD9959 對(duì)應(yīng)引腳發(fā)送更新數(shù)據(jù)指令，AD9959 隨即將發(fā)送的正弦波更新為相應(yīng)頻率，系統(tǒng)的載波頻率可通過(guò)按鍵更改。系統(tǒng)流程如圖 4 所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)采用 5 V/1 A 單電源供電，保證射頻信號(hào)的功率處于安全范圍內(nèi)。將語(yǔ)音采集、信號(hào)處理、信號(hào)產(chǎn)生模塊進(jìn)行拼接，設(shè)置載波頻率為 85.4 MHz，頻偏為 75 kHz。系統(tǒng)工作后即可通過(guò) FM 收音機(jī)在一定距離內(nèi)收聽(tīng)到發(fā)射的音頻。采用 TEA5767 芯片組成的 FM 收音機(jī)模塊進(jìn)行信號(hào)接收和解調(diào)，以驗(yàn)證無(wú)線電發(fā)射系統(tǒng)的性能。在信號(hào)輸入端輸入音頻信號(hào)，對(duì)比原始信號(hào)和經(jīng) FM 調(diào)制并解調(diào)后的信號(hào)，可看到音頻信號(hào)能夠被較好地還原，即系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)音頻信號(hào)的 FM 調(diào)制。調(diào)制前和解調(diào)后的音頻信號(hào)波形如圖 5 所示。

之后，在系統(tǒng)的信號(hào)輸入端加上不同頻率的正弦信號(hào)，觀察其解調(diào)后的波形。測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表 1 所列。

系統(tǒng)的音頻采樣頻率為 25 kHz，理論上可達(dá)到無(wú)線電廣播的聲音品質(zhì)。在實(shí)際測(cè)試中，系統(tǒng)能穩(wěn)定傳輸語(yǔ)音信號(hào)，對(duì)于高于 3 kHz 的信號(hào)誤差相對(duì)增加，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，本系統(tǒng)可以采集 12.5 kHz 以下的音頻信號(hào)。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文主要介紹了利用 STM32+AD9959 的 FM 及其以下波段的簡(jiǎn)易軟件無(wú)線電發(fā)射系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)測(cè)試表明本系統(tǒng)可以適用于 150 MHz 及以下頻段的信號(hào)調(diào)制發(fā)射，獲得良好的效果。