基于AD9957的通用数字调制器

盖鹏翱,郑世刚

（山东航天电子技术研究所，山东 烟台 264670）

目前我国再入遥测系统主要采用PCM/FM体制，现又有PCM/DSSS/BSPK等体制的要求，按照一般的做法，需要每种体制对应一种硬件电路。如果要增加一种新的信号调制方式，就需要重新设计，其缺点显而易见。为了适应多种调制方式的要求,采用软件无线电的设计思想，把硬件设计成一个通用数字调制器，对每种调制体制单独设计一个软件模块，这样只需要调用某一软件模块就可以产生相应的调制信号，使整个系统具备了很强的灵活性和开放性。

1 AD9957的结构、原理及使用方法

1.1 AD9957的概述

AD9957是ADI公司生产的正交数字上变频器(QDUC)系列中的第三款产品,其芯片内部集成了高速的DDS内核、时钟倍频/分频器、数字插值滤波器、高达1 GS/s的14 bit的数/模转换器及其他功能模块。在通信系统中，AD9957可以用作I/Q正交调制器或DDS或插值DAC，其内部结构如图1所示[1]。

AD9957是继AD9856、AD9857之后，ADI公司的第三款QDUC，其成本、尺寸、功耗和动态性能较前两者有较大提高。该芯片的最高内部系统时钟可达1 GS/s，其最大模拟输出可达400 MHz,内部 DAC采样速率可达1 GS/s；相位噪声极低,在400 MHz载波处最大为-125dBc/Hz@1kHz。其主要功能如下[1]：

(1)输入数据通道：交替输入的18 bit并行基带同相/正交数据；

(2)数据格式转换器：将交替输入的18 bit并行输入数据分成同相、正交两路分别沿着各自的数据通道进行传输；

(3)由AD9957产生、输出的PDCLK时钟信号可以用来同步输入的基带同相/正交数据。

AD9957的内部系统时钟fSYSCLK是由时钟倍频得到的,可以通过对相应的CFR3寄存器中相关位的设置来控制。

1.2 AD9957的工作原理和工作模式

AD9957只能完成基带同相/正交信号的正交上变频功能，需要基带I/Q信号在进入之前完成编码、脉冲成型等信号处理过程。

AD9957的工作模式包括 QDUC模式(默认)、DAC插值模式和单频调制模式,可通过设置CFR1寄存器中的相应位完成工作模式的选择。当工作于正交调制模式时，DDS核提供给正交调制器一个正交载波，先与I/Q通道数据相乘，再将相乘后的信号相加或相减，将数据正交调制到所需要的频率。本设计中，采用AD9957的正交调制模式，实现一个通用的数字调制器。

1.3 AD9957的使用方法

对AD9957的参数控制是通过一个同步串行接口(SCLK最大为70 MHz)实现的，可以控制的参数包括串口状态设置、工作寄存器设定、工作模式设置、载波频率设置、系统时钟设置、内部内插倍数等。该同步串口可与Intel系列、Motorola系列等微处理器和FPGA相连。AD9957的同步串行接口包括 SCLK、CS、SDIO、SDO等信号，该接口可进行读/写操作，访问芯片内部所有的配置寄存器。AD9957的通信周期分为两个阶段，第一个阶段是指令阶段，第二阶段是数据的读取或写入阶段。串口读写时序如图 2、图 3所示[1]。

本设计中，对AD9957的控制由FPGA来完成，二者之间的主要接口信号如图4所示。AD9957的各种可编程功能都由芯片内部的配置寄存器进行控制，由FPGA根据系统要求，通过同步串行接口（SCLK、SDIO、CS）编程修改相应寄存器的值分别完成对工作模式、幅度控制字、相位控制字(PW)、频率控制字(FTW)等参数的设置。设置好工作参数后，FPGA输出经过编码、成型滤波等信号处理后的基带I/Q数据，通过高速并行数据输入通道注入到AD9957中，完成正交调制(上变频)功能。

图5为QDUC模式下，AD9957数据输入通道的时序图。图中，在每个PDCLK的上升沿，AD9957捕捉一个18 bit数据，比如第 1个PDCLK捕捉一个 18 bit基带 I数据，第 2个 PDCLK则捕捉一个 18 bit基带 Q数据，如此交替下去。因此,每个基带I/Q数据对（即1个复信号I+jQ）需要两个PDCLK周期。

2 多模式调制算法分析

在软件无线电中，多模式调制的思想是从信号空间映射的角度来定义信号调制，它是通过信号空间和矢量表示来表征信源信息 (调制信号)与已调信号之间的关系，作为一种统一结构，适合于各种调制方式。

载波调制信号是一种带通信号，可以表示为[2]：

式 中 ，A(t)、wc、θ(t)分 别 表 示 信 号 瞬 时 幅 度 、 载 波 频 率 和瞬时相位。选择正交基函数集{cos(wct)，sin(wct)}对 S(t)进行正交展开，得到：

即已调信号 S(t)可以用同相 I(t)和正交Q(t)两个矢量来表示。设m(t)为调制信号，信号调制分为两个过程：(1)基 带 调 制 ，m(t)转 化 为{I(t),Q(t)}；(2)正 交 调 制 ：{I(t),Q(t)}转化为S(t)。调制的方法是先根据调制方式求出I(t)、Q(t)、S(t)，然后分别与两个正交本振 cos(wct)、sin(wct)相乘并求和，即可得到调制信号S(t)[2-3]。

图6为信号调制数学模型，同相I(t)信号和正交Q(t)信号的采样率与输出信号的采样率是一样的，而根据奈奎斯特定理，输出信号的采样率要求至少大于本振信号的两倍以上。实际上I(t)和Q(t)的有用信号带宽远远小于本振信号，即 I(t)和 Q(t)并不需要很高的采样率，只需要采用大于2倍有用信号带宽的采样率即可。为了使产生的基带I(t)和Q(t)信号与后面的采样率相匹配，在进行正交调制(与两个正交本振混频)前必须通过内插把低采样率的基带信号提升到高的采样率上，整个实现过程如图7所示[2-3]。本文设计的通用数字调制器正是基于上述多模式调制基本理论。

图6 信号调制数学模型

图7 基于内插的信号调制数学模型

3 调制算法分析

3.1 PCM/FM调制方式

调频（FM）是使载波在某一固定载频 ωc条件下，以调制信号m(t)去控制载波频率。在ωc基础上的增减“频偏”与信号m(t)成正比变化，其一般表达式为[3]：

其中，KFM为调制指数，wc为载波频率,P为信号功率。

在数字域表示形式为：

积分形式可由求和近似处理为(复化求积方式)：

遥测中频信号在数字域的完整表示为：

根据式(8)，在实现FM时，先对调制信号进行积分，然后对积分后的信号分别通过查表求取正弦和余弦即可，最后通过AD9957实现正交调制,即：

遥测PCM-FM中频调制的原理框图如图8所示。

图8 PCM/FM调制原理框图

3.2 PCM/DSSS/BPSK调制方式

BPSK调制方式(即二进制移相键控调制)，是受键控的载波相位按基带脉冲序列的规律而改变的一种数字调制方式，其信号形式为[4]：

其中，A为信号幅度,m(t)是脉宽为Ts的单个矩形脉冲，而an的统计特性为：

直接序列扩频（DSSS）具有抗干扰能力强、截获率低、多址能力强、抗多径、保密性好等优点，PCM/DSSS/BPSK系统由时钟产生器、伪码发生器、成型滤波器、扩频调制等模块组成，如图9所示。时钟模块用来提供各模块的定时，伪码产生器用于生成伪随机序列（本设计中为Gold平衡码），将它与编码后的数据进行模2加运算，完成数据的扩频。

图9 PCM/DSSS/BPSK调制

图10 数字通用调制器原理框图

4 AD9957在数字通用调制器中的应用

4.1 AD9957的应用框架

根据AD9957的原理及通用调制器的具体要求，设计了一个基于AD9957的数字通用调制器硬件平台，如图10所示。

图10中，PCM遥测数据通过RS422接口、数字隔离后送入FPGA；FPGA内部完成编码、扩频调制、积分、成型滤波、I/Q通道分离等步骤，再送至AD9957完成数字上变频，输出70 MHz中频调制信号,最后送入功放设备。对AD9957的串行配置由FPGA完成,接口如图4所示。FPGA芯片选用了Xilinx公司SRAM型芯片XC2V3000，配置芯片选用 XCF16PVOG48C，它们之间通过Master SelectMAP方式配置。

4.2 实验结果

图11是PCM/FM调制方式下的频谱图，数据速率为 10 Mb/s,调制指数为 0.7；图 12是 PCM/DSSS/BPSK调制方式下的频谱图,数据速率16 kb/s，PN码速率为10.23 MC/s。

AD9957提供了基于软件无线电思想的数字正交上变频功能，具有很强的通用性、灵活性，非常适合应用在软件无线电中。

[1]Analog Devices,Inc.AD9957数据手册[EB/OL].(2010-09-xx)[2012-10-27].http://www.analog.com.

[2]徐先超.复杂电磁环境中标准信号生成系统的研究与实现[D].长沙：国防科学技术大学,2008.

[3]THTTLEBEE W.软件无线电技术与实现[M].杨小牛，译.北京:电子工业出版社,2004.

[4]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,2001.