基于DSP+DDS的数字调制技术研究

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直接数字频率合成（DDS）技术在合成信号时，具有超宽的相对带宽、超高的捷变速度、超细的分辨率、连续的相位特性、可以输出宽带的正交信号等诸多优越性能。DDS全数字结构的相位控制功能，使它具备多种数字调制能力，如相位调制、频率调制、幅度调制以及I/Q正交调制等。将高性能数字信号处理器(DSP)应用到DDS调制电路中，能充分发挥DDS调制的优点和灵活性，方便地实现多频段、多模式、高精度数字调制。DSP和DDS相结合的数字调制电路硬件平台具有极大的实用性、通用性和开放性，通过在DSP中加载不同的应用程序便可完成不同的调制功能，它在无线电台、数字广播、通信仪器、雷达波形合成等领域逐渐得到广泛的应用。
1        DDS的调制机理
DDS可以理解为数字信号处理理论的一种延伸[2]，它以Nyquist采样定律为准则，利用全数字的方法以恒定的速率产生对应于不同频率的正弦信号的线性相位取样序列，并以之为基础完成相位到幅度的转换，从而得到所需的特定频率的正弦信号。
DDS的数字化结构决定了DDS在合成信号时，信号的频率F、相位Φ和幅度A都可以进行数字化设置。若根据某一个时变信号的参数对DDS的频率控制码、相位控制码和幅度控制码进行实时地动态设置和更新，便可以完成基本的AM、FM、PM调制功能。如果采取一些技术手段，还可以实现其它的调制功能。
2    基于DSP+DDS的数字调制电路
DDS结合DSP实现数字调制的电路结构如图2.1所示，它是一种全数字化体制，电路结构简单。
与传统的I/Q调制电路相比，这种结构体制具有更大的灵活性和通用性，它可以通过DSP编程来设置其调制方式和工作频段。DDS可以同时实施幅度、频率和相位三个维度上的数字调制，其调制方式丰富多样。DDS具有很宽的输出信号带宽，使得这种结构的调制电路的中频载波频率的设置从可以直流到几百兆赫兹[2]，覆盖长波、中波、短波和超短波等多个频段。DDS的超宽的相对带宽也使得电路可以设置很宽的调制带宽。

图2.1  基于DSP＋DDS的数字调制电路结构

在调制电路中，DSP的引入不仅可以方便地设置和选择调制方式，还可以高效地完成各种数字信号处理功能，如基带信号数据的编码、加密、插值和数字滤波等。而且，DSP的高速数据处理能力使电路适合于对高速数据信号进行调制。
这种结构体制的调制电路同信号处理和调制全部由DSP来完成的软件无线电中频调制电路相比，其灵活性要差一些，但是，它将NCO调制模块从DSP中解放出来，由片外的DDS来实现，这样既可以减轻DSP的负担，使DSP可以集中去完成基带数字信号的运算和处理，便于对高速数据信号进行调制，又可以充分利用集成的DDS芯片的高速度和高精度的特点，很方便地实现基带信号在几百兆赫兹载波上的一次性直接调制，同时还保证了数字调制的调制精度。
3    一种基于DSP+DDS的语音信号数字调制电路平台
电路平台主要由音频放大器、ADC、DSP模块、DDS模块、CPLD模块及滤波和放大电路等组成，其组成框图如图3.1所示。

                图3.1  基于DSP＋DDS的
语音数字调制平台的电路组成框图

语音信号输入接口设置模拟和数字（并行8位）两种。音频放大器的噪声系数为3.9nv/ ，它将输入的模拟语音信号放大到合适的电平范围。数模转换器的最高转换速率为1MHz，差分输入，转换位数为14位。
DSP为16位定点型，具有一个程序总线，三个数据总线，四个地址总线。运算速度可达100MIPS。系统工作时，DSP对输入的语音数据信号进行运算和处理，转换成各种控制码，对DDS的控制寄存器进行设置和刷新，从而实现对语音信号的各种调制。
CPLD芯片是系统的主控模块，它接收并识别外部控制接口输入的调制模式选择信号，控制DSP运行相应的程序完成预定的调制功能。CPLD还完成外部数据信号的接入和系统总线的控制。
DDS含有48位可编程频率寄存器，14位可编程相位寄存器，12位可编程幅度控制寄存器和12位D/A转换器，系统时钟频率高达300MHz。DDS是系统的主要功能芯片，它接收DSP输入的频率、相位、幅度、工作模式等控制码，完成信号的各种调制功能。
4    测试结果
4．1多种调制方式的实现
模拟音频输入信号频率范围在20Hz~3.6KHz，ADC的采样速率设置为400KHz；数字音频输入为44.1KHz采样、8bit量化的PCM语音信号；设置DDS的系统工作时钟为300MHz。设置各种调制模式的中频载波频率为70MHz（唯有MSK调制时载波频率为50MHz）。在上述的语音数字调制平台上，实现的调制方式及实现方法如下：
数字AM：用语音信号的幅度采样值刷新DDS的幅度寄存器；在DSP中将语音的幅度值进行归一化处理，并加上适当的直流偏置值可实现不同的调制度。
数字FM：在DSP中将语音幅度采样数据进行运算和处理，转化成频率控制码，刷新DDS的频率控制寄存器。
FSK和PSK：DDS配备了专用的FSK/PSK调制端口，在DSP中将并行语音幅度采样数据转换成串行数据流，输入到DDS芯片的FSK/PSK数据调制端口。
MSK：MSK是调制度为0.5的FSK调制形式[3]，在DSP中根据信号速率设置合适的载波频率和调制带宽，并作FSK调制，得到MSK调制形式。

4PSK：在DSP中将并行输入的语音幅度数据转换成2bit并行数据流，进行差分编码，再进行格雷编码，然后根据码字用相位选择法对DDS的相位偏置寄存器进行设置。

4．2 优良的调制精度
模拟语音信号经过放大器(带宽4.25MHz，噪声系数3.9nv/ )时，放大器耦合的噪声为：

放大后的信号经ADC(14位转换位数、差分输入、输入信号电平范围0～5V)采样量化时，带来的量化误差为[4]：

采样后的14bit并行语音数据经过DSP进行运算和处理时，由于DSP具有长达16位数总线，所以不会降低数据信号的精度。当进行数字AM调制时，DDS的幅度控制字为14位，在调制中不会再降低数据信号的精度；当进行数字FM时，DDS的频率控制字为48位，在调制中也不会再降低数据信号的精度；进行PSK/FSK、MSK及QPSK调制时，由于是用串行数据直接进行调制，更不会带来信噪比的恶化。所以，这种调制电路平台具有很高的调制精度，调制输出信号的信噪比为[4]：

图4.1是用3kHz的正弦信号作为输入，对数字AM调制作信能测试得到的调制输出信号的频谱。

图4.1  3KHz的正弦信号进行

数字AM调制时调制输出信号的频谱

4．3 宽阔的载波频段和调制带宽
DDS的时钟频率设置为300MHz时，其输出信号的最高频率可达120MHz，电路在进行调制时，载波频率的选择可从直流到120MHz。
电路很重要的一个特点是能进行高速数据调制并设置很宽的调制带宽。在调制平台上实现MSK调制来进行验证：设置载频为50MHz，数据速率3.125MHz，调制带宽6.25MHz，调制数据为DSP产生的14位M序列，其生成多项式为 。图4.2是MSK调制输出信号的频谱图。

图4.2  M序列作MSK调制的调制输出信号的频谱图

(图中频谱仪的Span设置为10.00MHz)

4．4 方便的数字信号处理功能——线性插值
外部的数字音频输入信号是采样率44.1KHz、8bit量化的话音信号，根据Nyquist采样理论可知，采样后的信号频谱将会周期延拓，频域的周期长度正好是44.1KHz。而数字化语音信号在DDS中进行调制时，从频谱角度看是进行混频，混频后的信号频谱应该还是周期的，周期长度也为44.1KHz。而调制输出后级的滤波器很难在70Mhz的高频段上做到通带带宽低至100KHz，于是，在滤波器带内有杂波存在。为了解决这个问题，采用了线性插值技术：44.1K×8bit/s的语音数据流在DSP中进行16倍线性插值，得到705.6K×8bit/s的数据率。这相当于将音频信号的采样率近似提高到705.6KHz,再在调制输出后级配置声表面波滤波器（3dB带宽220KHz，±400KHz处衰减50dB）,使调制输出信号的杂波抑制达到60dB。在调制平台上，对3KHz正弦信号、经44.1KHz采样的数字信号进行数字FM调制，同将数字信号进行16倍线性插值后得到的数字信号进行数字FM调制进行对比，其调制输出信号的频谱分别如图4.3a和图4.3b所示。

     
图4.3a  未进行插值的调制信号频谱    图4.3b  经过线性值后再调制的调制信号频谱

                        (图中，调制带宽20KHz，Span为300KHz)

5 结束语
理论和实践都表明，DSP与DDS相结合的数字信号调制技术具有极大的优越性和广泛的应用价值。