基于AD9854的MSK調制信號的產生

摘要：基于實現簡單高效地產生MSK調制信號的目的，文中系統(tǒng)性地闡述了AD9854的工作原理、機制，探討了采用AD9854產生MSK 調制信號相比傳統(tǒng)方法的優(yōu)越性。同時詳細介紹了通過FPGA配置AD9854的方法，描述了硬件平臺的搭建并且列出了所有需配置寄存器列表。將產生的 MSK調制信號連接至示波器和頻譜儀，分別觀測該方法產生的MSK信號。結果表明，輸出電平達到-14 dBm，無雜散動態(tài)范圍達到了60 dB，從而驗證了該法產生MSK信號的正確性和優(yōu)越性。

關鍵詞：AD9854;MSK;FPGA;硬件平臺;寄存器;無雜散動態(tài)范圍

MSK是一種在無線移動通信中很有吸引力的數字調制方式，可以看成是調制系數為0.5的連續(xù)相位的FSK信號。相對于傳統(tǒng)的FSK調制方式具有兩個主要優(yōu)點：一是MSK信號在帶外產生的干擾非常小，這正是限帶工作情況下所希望有的寶貴特點;二是信號包絡是恒定的、相位是連續(xù)的，系統(tǒng)可以使用廉價高效的非線性器件。

傳統(tǒng)的MSK調制方式與FSK調制方式類似，即用數字調制加DAC的方法實現信號頻帶從零頻到中頻的搬移。但在具體的硬件實現中，具有一定的難度。首先，在數字調制的過程中，我們要花費一定的代價來保證輸出MSK信號的相位連續(xù)性;其次，如果產生的調制信號為高中頻信號，那么要保證信號的指標是很有難度的，要在電路PCB設計上考慮高速走線的干擾、衰減、反饋以及電磁兼容性等一系列問題。

ADI公司推出的集成DDS芯片AD9854能夠將數字基帶信號直接調制和上變頻，而且還能夠在芯片內部實現相位連續(xù)，不但大大地降低了信號調制難度，還有效地保證了信號的良好指標。因此，與傳統(tǒng)的MSK調制方式相比，具有一定的優(yōu)勢。

1 AD9854簡介及應用

AD9854是ADI公司推出的一款高性能DDS芯片，采用先進的DDS技術，內部耦合兩組高速高性能正交D/A轉換器和一組高精度比較器。只要外部提供穩(wěn)定高質量的時鐘源，AD9 854就會產生高穩(wěn)定性的幅度、頻率以及相位可編程的正弦和余弦輸出信號。AD9854提供48位的可編程頻率字寄存器，支持1 MHz的頻率步進、17位的可編程相位字寄存器確保了極佳的SFDR性能。AD9854支持靈活的時鐘系統(tǒng)，可以允許單端或差分的時鐘輸入，支持可編程的 4倍到20倍的內部時鐘倍頻器，芯片內部可產生的最高時鐘頻率可以達到300MHz。芯片采用0.35μm的CMOS工藝，支持單端3.3 V供電。

由于AD9854支持FSK調制方式，實際上我們所需要的MSK信號就是一種特殊的正交FSK信號，其特殊性在于其兩組頻率之間的差值是滿足這兩組頻率正交性的最小頻差。值得注意的是，MSK信號的相位是連續(xù)的，在調制的過程中我們?yōu)榱吮ＷC產生的MSK信號的相位連續(xù)性需要加入相位常量，這將增加MSK調制系統(tǒng)的復雜性。而AD9854芯片的優(yōu)勢之一就是芯片輸出信號的相位是連續(xù)的。因此，采用AD9854來產生MSK信號將大大地降低系統(tǒng)的復雜性。

1.1 FPGA配置

在實際運用中，需要AD9854產生符合要求的MSK信號，則要采用FPGA對AD9854進行配置。FPGA與AD9854硬件連接如圖1所示，圖中管腳定義如表1所示。

當把硬件電路搭建完畢之后，就可以使用FPGA去配置AD9854中的寄存器以實現AD9854的相應功能，以使AD9854產生MSK信號。

對于MSK信號，其兩組頻率相互正交，其頻差△f=f2-f1=1/2Tb，即調制指數h為：

由式(5)可以看出，為了保證相位的連續(xù)性，在本比特區(qū)間所加的相位常量不僅與本比特區(qū)間的輸入有關，還與前一個比特區(qū)間內的輸入及相位常數有關，這將大大增加了非AD9854方法產生MSK信號的難度。但是在第1節(jié)提到AD9854芯片本身就可以保證輸出信號相位的連續(xù)性，因此在本系統(tǒng)設計中，不需要考慮MSK信號的相位連續(xù)問題。

本系統(tǒng)中AD9854產生的MSK信號的參數如表2所示。

根據式(3)，得到MSK信號的兩組頻率為：

1.2 AD9854寄存器

AD9854擁有很高的可操作性，它擁有39個可配置寄存器，可以根據用戶要求對頻率、相位、幅度、時鐘等參數進行配。AD9854所有需要配置的寄存器如表3所示。

2 實驗結果

根據本文提出的MSK信號生成方法生成MSK信號，用示波器觀測生成信號如圖2所示，用頻譜分析儀觀測生成信號頻譜如圖3所示。

系統(tǒng)中MSK信號兩組頻率的頻差只有100 Hz，因此，MSK的時域波形類似于正弦波如圖2所示。從示波器中的波形可以看出該法生成的MSK信號包絡恒定、相位連續(xù)，穩(wěn)定無抖動。

用頻譜儀觀測的MSK信號頻譜，可得輸出中心頻率為300KHz，輸出電平為-14dBm，無雜散動態(tài)范圍達到60dB，滿足指標要求。

3 結論

文中我們利用FPGA來配置AD9854產生MSK信號，并在軟件和硬件的層面給出了設計方案。實驗結果證明采用本文方法產生的MSK信號指標優(yōu)良，效果良好。因此，文中為現代數字通信系統(tǒng)中的MSK數字調制提供了一種新穎、有效的方法。