高效FSK/PSK調制器利用多通道DDS實(shí)現零交越切換

頻移鍵控 (FSK)和相移鍵控 (PSK) 調制方案廣泛用于數字通信、雷達、RFID以及多種其他應用。最簡(jiǎn)單的FSK利用兩個(gè)離散頻率來(lái)傳輸二進(jìn)制信息，其中，邏輯1代表傳號頻率，邏輯0代表空號頻率。最簡(jiǎn)單的PSK為二進(jìn)制(BPSK)，采用兩個(gè)相隔180°的相位。圖1展示了這兩種調制方式。

圖1.二進(jìn)制FSK (a)和PSK (b)調制

直接數字頻率合成器(DDS)的調制輸出能以相位連續或相位相干方式實(shí)現頻率和/或相位切換，使DDS技術(shù)成為FSK和PSK兩種調制方式的理想選擇。

本文將介紹如何利用兩個(gè)同步DDS通道來(lái)實(shí)現零交越FSK或PSK調制器。在此，我們將利用AD9958雙通道、500 MSPS、純粹的DDS(見(jiàn)附錄)來(lái)實(shí)現零交越切換頻率或相位，但是任何雙通道同步解決方案應該都可以實(shí)現這一功能。在相位相干雷達系統中，零交越切換可以減少目標特征識別所需要的后期處理量，而且在零交越PSK可以減少頻譜散射。

盡管AD9958 DDS通道的兩個(gè)輸出相互獨立，但它們共用一個(gè)內部系統時(shí)鐘，并在同一硅片上，因此，當溫度和供電發(fā)生變化時(shí)，它們比同步的多個(gè)單通道器件的輸出具有更加可靠的通道間一致性。另外，不同器件間可能存在的工藝差異性也大于同一硅片上兩個(gè)通道之間的工藝差異性，由此使多通道DDS成為零交越FSK或PSK調制器的首選。

圖2.零交越FSK或PSK調制器的設置

任何DDS的一個(gè)關(guān)鍵元件是相位累加器，在本方案中，其位寬為32位。當累加器溢出時(shí)，會(huì )保留任何剩余值。當累加器溢出而無(wú)余數時(shí)(見(jiàn)圖3)，輸出正好為相位0，DDS引擎從時(shí)間0時(shí)的值開(kāi)始工作。零溢出的發(fā)生速率被稱(chēng)為DDS的完全重復率(GRR)。

圖3.累加器溢出的基本DDS

GRR由DDS頻率調諧字(FTW)最右側的非零位決定，其計算公式如下：

GRR = FS/2n

其中：FS是DDS的采樣頻率，n是FTW最右側的非零位。

例如，設一個(gè)采樣頻率為1 GHz的DDS采用32位傳號FTW和空號FTW，其二進(jìn)制值如下所示。此時(shí)，兩個(gè)FTW之一最右側的非零位是第19位，因此，GRR = 1 GHz/219，約合1907 Hz。

傳號 (CH0) 00101010 00100110 10100000 00000000

空號(CH0) 00111010 11110011 11000000 00000000

GRR (CH1) 00000000 00000000 00100000 00000000

DDS本身即以相位連續方式開(kāi)關(guān)頻率。這意味著(zhù)，當頻率調諧字變化時(shí)，不會(huì )出現瞬時(shí)相位變化。即是說(shuō)，當新的FTW有效時(shí)，累加器將從其當前所處相位開(kāi)始累加新的FTW。但是，相位相干卻要求瞬時(shí)轉換至新頻率的相位，就如新頻率始終存在一樣。因此，為了使標準DDS能實(shí)現相位相干的FSK頻率切換，從傳號頻率到空號頻率的變換必須在兩個(gè)頻率具有相同的絕對相位時(shí)進(jìn)行。為了以相位相干方式實(shí)現零交越切換，DDS必須在0度進(jìn)行頻率轉換(即當累加器的溢出剩余量為零時(shí))。因此，我們必須確定相位相干零交越發(fā)生的常數。如果已知傳號和空號FTW的GRR，則兩個(gè)GRR(若不同)中較小者為所需相位相干零交越點(diǎn)。

在實(shí)現相位相干零交越切換時(shí)必須遵循三條標準：

1. 必須能確定與圖2中CH0關(guān)聯(lián)的傳號和空號FTW二者中較小的GRR;

2. 必須將第二DDS通道(圖2中的CH1)同步至圖2的CH0，并使FTW中除對應于較小GRR的一位之外全部為零;

3. 必須能利用第二通道的翻轉來(lái)在圖2中CH0上觸發(fā)頻率變換。

不幸的是，在DDS累加器達到零時(shí)與輸出端出現零相位時(shí)二者之間的延遲會(huì )進(jìn)一步增加解決方案的復雜程度?？上驳氖?，該延遲是恒定不變的。對于理想解決方案，必須對輔助通道進(jìn)行相位調整，以補償該延遲。AD9958的兩個(gè)通道都有一個(gè)相位偏移字，可用其來(lái)解決這一問(wèn)題。

AD9958雙通道DDS產(chǎn)生如圖4、圖5和圖6所示的結果。圖4和圖5所示為相位連續FSK切換與零交越FSK切換之間的關(guān)系。圖5同時(shí)展示了相位連續切換和相位相干切換。圖6所示為在多個(gè)頻率之間切換的偽隨機序列(PRS)數據流的結果。

圖4.相位連續FSK轉換

圖5.零交越FSK轉換

圖6.零交越(多次FSK轉換)

AD9958雙通道DDS產(chǎn)生如圖7和圖8所示的結果。這些圖所示為相位連續BPSK切換與零交越BPSK切換之間的關(guān)系。

圖7.相位連續BPSK轉換

圖8.零交越BPSK轉換

附錄：

雙通道、10位、500 MSPS直接數字頻率合成器

AD9958雙通道直接數字頻率合成器(DDS)功能完善，內置兩個(gè)10位、500 MSPS電流輸出DAC，如圖9所示。兩個(gè)通道共用一個(gè)系統時(shí)鐘，因此本身就具有同步功能;在需要兩個(gè)以上的通道時(shí)，可以使用額外的封裝。各通道的頻率、相位和幅度可以獨立控制，使其可以為系統相關(guān)失配提供校正。這些參數可線(xiàn)性?huà)呙?或者可為FSK、PSK或ASK調制選擇16個(gè)電平。輸出正弦波可以32位頻率分辨率、14位相位分辨率和10位幅度分辨率進(jìn)行調諧。AD9958采用1.8 V內核電源供電，與3.3 V I/O電源邏輯兼容，功耗為315 mW(所有通道開(kāi)啟)和13 mW(關(guān)斷模式)。額定溫度范圍為–40°C至+85°C，采用56引腳LFCSP封裝，千片訂量報價(jià)為20.24美元/片。

圖9.AD9958框圖