基于DDS的无线数据传输系统设计与实现

刘生渊，徐建城，李 鹏

（西北工业大学 电子信息学院，陕西 西安 710129）

基于DDS的无线数据传输系统设计与实现

刘生渊，徐建城，李 鹏

（西北工业大学 电子信息学院，陕西 西安 710129）

设计了能够传输英文字母、汉字及图像信息的数字调制－解调无线通信系统，实现了点对点、单点对多点的异步单工通信。发射机由控制器、调制电路、高频功率放大器、天线、显示电路及电源部分组成。发射机采用计算机标准PS/2键盘录入信息，并用拼音输入法实现汉字的录入。接收机由解调电路、数据处理器、显示电路及电源部分组成。整机实现了在30.0 MHz低载波频率下的高速数据传输，数据传输速率可设为 1.2 kb/s、9.6 kb/s、57.6 kb/s、115.2 kb/s。

DDS；FSK；无线通信

DDS技术是近几年来迅速发展的频率合成技术，它采用全数字化的技术，具有集成度高、体积小、相对带宽宽、频率分辨率高、跳频时间短、相位连续性好、可以宽带正交输出、可以外加调制的优点，并方便与控制器接口构成智能化的频率源。由于基准时钟的频率一般固定，因此相位累加器的位数决定了频率分辨率，位数越多，分辨率越高。基于DDS诸多优点，本系统采用DDS技术来实现数字调制功能[1-2]，充分发挥DDS的优势，使系统结构简单、功能强大。

1 硬件实现及工作原理

本系统为一套无线数据传输系统，硬件电路分为发射机电路和接收机电路两部分[3-5]。

1.1 发射机电路

如图1所示，发射机硬件电路主要由控制器、调制电路、高频功率放大器、天线、显示电路与电源部分组成。

图1 发射机组成图

控制器以TI公司高性能混合信号处理器MSP430F169为核心，完成对 DDS、键盘、LCD显示器的控制和信息处理的功能。MSP430F169为16 bit具有精简指令集的超低功耗混合信号处理器（Mixed Signal Processor），采用1.8 V～3.6 V电源电压，在1 MHz的时钟条件下运行时，芯片的电流在 200 μA～400 μA，时钟关断模式的最低功耗只有0.2 μA，在8 MHz晶体驱动下指令周期为125 ns。且MSP430F169具有丰富的片上外围模块，如看门狗、模拟比较器、定时器、串口、硬件乘法器等。在本系统中，MSP430F169工作在3.3 V电压、8 MHz主频下。

调制电路以ADI公司单片DDS芯片AD9854为核心。该芯片最高系统时钟为300 MHz，理论输出信号频率范围为直流到150 MHz，最高并行编程速率为100 MHz，采用3.3 V单电源供电，与上述控制器芯片匹配，无需加电平转换电路，从而实现控制器与调制器的无缝接口。AD9854支持10 MHz串行通信方式和100 MHz并行通信方式，本系统采用串行数据输入方式。AD9854内置4～20倍频的PLL，外部较低频率的参考时钟可通过倍频后得到300 MHz的系统时钟，这样就避免了设计高频参考时钟的难度，降低了高频时钟干扰。AD9854参考时钟的输入有单端输入和差分输入两种方式，为了使电路简单，本设计选用单端输入方式。外部20 MHz有源晶振输出经PLL电路15倍频到300 MHz后作为系统时钟。滤波器采用由3个电感和7个电容构成的七阶椭圆滤波器，因为AD9854的最高工作频率为 300 MHz，而 DDS输出最高频率为系统工作频率的40%左右，所以本方案中滤波器的截止频率设计为120 MHz，有效滤除了高频干扰，使输出信号较为平滑。

高频功率放大器工作在丙类方式，能够实现较高的效率。显示器采用LCM128 128×64点字符点阵液晶显示器，用来完成人机交互界面和信息的显示功能。电源部分采用LM2576-3.3三端稳压片，能够提供最高3 A的电流输出，完全满足本系统的要求。同时为了防止AD9854工作时对电源造成干扰，电路设计采用了大量的滤波电容，且对数字电源和模拟电源作了很好的隔离，以防止数字电源对模拟电源的串扰。

1.2 接收机电路

接收机硬件电路由解调电路、数据处理器、显示电路及电源部分组成，接收机框图如图2所示。

图2 接收机组成图

解调器以飞利浦专用FSK解调芯SA639DH为核心部件。它具有灵敏度高、动态范围大、传输速率快、稳定性好等特点。天线接收到的信号经输入回路取出的2FSK信号与本振信号同时送入乘法器进行混频，再经一级带通滤波器滤除高频分量取其下变频到中频，然后进行中频放大后经二级带通滤波送入限幅放大器进行限幅放大。限幅放大后的信号被分成两路，一路直接送入乘法器，另一路经移相网络移相90°产生调相调频波再送乘法器，两路信号进行相位比较，乘法器输出的信号经低通滤波器取出原调制信号，然后再把该信号送入比较器进行整形后送信号处理器进行处理。

接收机数据处理器同样采用MSP430F169，显示器采用与发射机相同的LCM12864。由于接收机部分与发射机相比功耗低，故接收机电源部分采用两节5号干电池串联供电。

2 系统软件的实现

2.1 发射机的软件设计

发射机上电后，首先对系统进行初始化，包括对控制器本身的端口配置、片内外设的配置，以及外部的AD9854[6]、PS2键盘和显示器等部件的初始化。初始化结束后系统进入休眠模式，直到被外部键盘产生的中断唤醒。然后根据得到的按键键码进行相应处理。为了让AD9854产生2FSK信号，需进行如下的初始化过程：S/P SELECT置1或置0以决定输入数据是并行还是串行。1为并行，0为串行；本系统采用串行接口，在SCLK信号控制下从并行输入口D0～D1写入48 bit并行寄存器，或在SCLK控制下从串行输入口SDATA写入48 bit串行寄存器。发射机的软件流程图如图3所示（注：在发射机内部存储有3幅图片）。

图3 发射机流程图

2.2 接收机的软件设计

接收机不需要区分接收到的是英文字符还是汉字，故软件设计相对发射机来说较容易。同样，开始对信号处理器以及外设进行初始化，使其工作在等待信息接收状态，此时，只有接收机射频部分电路工作，其他部件处于休眠模式。当接收机检查到有信息到来时，通过中断唤醒控制器，控制器再唤醒其他外设进行数据接收和处理。接收到的信息经信号处理器判断，如果为字符（包括英文字符和汉字），则控制LCD进入字符模式，进行字符的显示；如果为图片，则控制LCD进入图片模式，进行图片显示。接收机的软件流程如图4所示。

图4 接收机流程图

3 系统测试结果

（1）载波中心频率：发射机在2FSK模式时，1和0所对应的两个频率分别为fH=30.003 000 MHz和fL=29.997 000 MHz，系统在空闲时发射频率为30.000 000 MHz，故选取频率为30.000 000 MHz为中心频率。

（2）频率稳定度：在单片机复位的前提下，用频率计每隔2 min测一次AD9854的输出频率，共测5次，如表1所示。根据测试结果计算：

频率稳定度＝最大频率偏差/中心频率

＝（30.000 068-29.999 981）÷30.000 024

＝0.000 087÷30.000 024

＝2.9×10-6

（3）发射功率：在发射功率级末端接 50 Ω假负载，用100 MHz数字示波器测得发射信号的输出电压峰峰值 VP-P，据公式 P=V2P-P/8RL，得到发射功率值，实验测得VP-P=2.98 V，P=V2P-P/8RL=22.2 mW。

表1 AD9854输出频率测量值

（4）传输速率：发射机、接收机在通信距离为10 m的情况下，分别以 1.2 kb/s、9.6 kb/s、57.6 kb/s、115.2 kb/s的波特率传送5次20个汉字，汉字错误率均为零。

（5）图形传送功能：发射机、接收机。发射机调用机内自带的三幅图形（分别为公鸡、小兔及西工大校徽）以点阵的形式传送，接收机能够不失真接收，说明本系统具有图形的点阵传送功能。

本系统可以简单高效地进行无线数据传输，是实现无线通信的一种简单可行的设计方案。经过系统测试，系统技术指标令人满意，工作可靠。另外，由于本系统采用DDS来实现信号调制，故可以比较容易地改变调制信号频率，为实现跳频通信提供了方便。

[1]陈邦媛.射频通信线路[M].北京：科学出版社，2002.

[2]樊昌信，张甫翊，徐炳祥，等.通信原理（第 5版）[M].北京：国防工业出版社，2003.

[3]刘畅生.新型集成电路简明手册及典型应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2005.

[4]李朝青.单片机&DSP外围数字 IC技术手册[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003.

[5]黄智伟.无线发射与接收电路设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.

[6]Analog Devices.CMOS 300 MSP Complete DDS AD9854[M].Analog Devices Inc.2007.

Wireless data transceiver system based on DDS

Liu Shengyuan，Xu Jiancheng，Li Peng

（College of Electronic Information，Northwestern Polytechnical University,Xi′an 710129，China）

This system is a communication system of digital modulation and demodulation which can transmit signals of chinese characters,pictures and english words through asynchronous simplex of point to point and single point to multiple points.The transmitter consists of control unit,modulation module，displaying module，power amp，antenna and power source parts.There is a standard PS/2 keyboard port attached to the transmitter system and the system realize chinese characters entering by utilizing pinyin input method.The receiver consists of demodulation module,data decoding and displaying modules.The system accomplish high speed data transmission at the low frequency of 30.0 MHz.The data rata can be set at 1.2 kb/s，9.6 kb/s，57.6 kb/s and 115.2 kb/s.

DDS；FSK；wireless communication

TP274+.2

B

1674-7720（2011）02-0065-03

2010-08-20）

刘生渊，男，1984年生，在读硕士研究生，主要研究方向：电路与系统。