本文基于DDS（直接數(shù)字頻率合成）的技術(shù)原理，采用Altera公司推出的在FPGA上進(jìn)行DSP開發(fā)的開發(fā)工具DSP Builder軟件，設(shè)計了一種適合與軟件無線電使用的可調(diào)中頻數(shù)字調(diào)制器，實(shí)現(xiàn)FSK、PSK、ASK三種調(diào)制方式，并通過FPGA芯片進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證。
2.   DDS的基本原理

　　DDS(Direct Digital Synthesize)即直接數(shù)字合成，是一種新型的頻率合成技術(shù)，圖1為DDS的基本實(shí)現(xiàn)原理結(jié)構(gòu)圖。
 

　　DDS以數(shù)控振蕩器的方式，產(chǎn)生頻率、相位和幅度可控的正弦波^[5]。電路包括相位累加器、相位調(diào)制器、正弦ROM查找表、基準(zhǔn)時鐘源、D/A轉(zhuǎn)換器等組成。其中前三者是DDS結(jié)構(gòu)中的數(shù)字部分，具有數(shù)控頻率合成的功能。DDS是基于查找表方法，將一個正弦波周期的N個均勻采樣點(diǎn)存儲在存儲器中，以均勻速率將這些采樣點(diǎn)輸送到DAC，即可得到一個單頻正弦波，如果每隔K個采樣點(diǎn)輸出一個數(shù)據(jù)，則會得到K倍頻的正弦波。但是，系統(tǒng)會存在一個上限頻率，這取決于N的選擇和系統(tǒng)的采樣頻率。設(shè)一正弦波為：

s(t)=sin(w₀t)=sin(2∏f₀t)               (1)

s(n)=sin(2∏f₀tT_s)                    (2)

這樣可以得到此正弦信號的相位增量為：

△φ＝2∏f₀T_s＝2∏f₀/f             (3)

將一個周期的正弦波均勻分為N份，取N為2的整數(shù)冪。則每一份的相位的大小是：

 δ＝2∏/N                         （4）

f=Kδ/2∏T_s=Kf_s/N                   (5)

　　根據(jù)采樣定理，K應(yīng)該滿足K≤N/2?？梢酝ㄟ^增加一個周期的采樣點(diǎn)N，也就是增加采樣頻率得到更高的輸出頻率。這是計算中頻調(diào)制參數(shù)的依據(jù)。

　　DDS與傳統(tǒng)的頻率合成技術(shù)相比，具有頻率穩(wěn)定度高，頻率轉(zhuǎn)換速度快，輸出相對帶寬寬，頻率分辨率高等特點(diǎn)，將DDS的這些功能應(yīng)用于軟件無線電中，可以部分降低CPU的處理負(fù)擔(dān)，使整個系統(tǒng)的性能達(dá)到較好的程度^[6]。
3.    FSK、PSK、ASK調(diào)制原理

　　在數(shù)字通信系統(tǒng)中，數(shù)字基帶信號通常要經(jīng)過數(shù)字調(diào)制后再傳輸。常見的調(diào)制方式有頻移鍵控（FSK）、相移鍵控（PSK）、幅移鍵控（ASK）等。

　　以基帶數(shù)字波形序列來表示{a_k}，通常二進(jìn)制數(shù)字基帶信號表示為：

m(t)=∑a_kg(t-kT_b)

其中，a_k為二元碼符號，1或0；g（）為單極性不歸0波形，歸一化幅度；T_b為二元序列碼元間隔。

則頻移鍵控（FSK）信號為：

s_FSK(t)= A₀∑[a_kg₁(t-kT_b)cos(w₁t+θ₁)+(1-a_k) g₂(t-kT_b)cos(w₂t+θ₂)]

相移鍵控（PSK）信號為：

s_PSK(t)=A₀∑[a_kg₁(t-kT_b)cos(w₁t+θ₁)+(1-a_k) g₂(t-kT_b)cos(w₁t+θ₂+∏)]

幅移鍵控（ASK）信號為：

s_ASK(t)= m(t) c(t)= m(t)A₀cos(w₀t+θ₀)= A₀∑a_kg(t-kT_b)cos(w₀t+θ₀)   

　　實(shí)現(xiàn)上述調(diào)制的方式有多種，采用DDS技術(shù)做正交調(diào)制，能夠克服解調(diào)輸出的嚴(yán)重失真，提高抗噪聲性能。對此正交調(diào)制表現(xiàn)在已調(diào)信號（傳號與空號）各自的相關(guān)系數(shù)——正交關(guān)系。FSK和ASK相關(guān)系數(shù)均為ρ₁₂＝0，PSK的相關(guān)系數(shù)為ρ₁₂＝－1。一般的，要滿足此條件，應(yīng)考慮到載波頻率f₀是碼元頻率R_b＝1/T_b整數(shù)倍，即f₀＝mR_b，或1bit間隔包括整數(shù)個載波周期，即T_b＝mT₀，這將作為在DSP Builder中優(yōu)化系統(tǒng)時的依據(jù)。

4.    基于DSP Builder的可調(diào)中頻調(diào)制模塊設(shè)計

　　DSP Builder是Altera公司推出的一個面向DSP開發(fā)的系統(tǒng)級工具，它提供了Quartus II 軟件和Matlab/Simulink工具之間的接口。DSP Builder允許系統(tǒng)、算法和硬件設(shè)計去共享一個通用的開發(fā)平臺，DSP Builder設(shè)計流程如圖2^[7]。
  

　　根據(jù)DDS基本原理，基于Matlab/Simulink/Altera DSP Builder建立適合軟件無線電應(yīng)用的中頻調(diào)制器模型如圖3。電路全部采用有符號數(shù)，其中頻率字為32位，幅度字為18位，分別控制載波的頻率值及載波幅度值。系統(tǒng)由兩個控制按鍵（key1和key2），一個信號輸入端，三個初值輸入端（key3、key4和key5）組成。其中key1和key2控制調(diào)制方式，key3和key4是載波的頻率控制字輸入口，key5是載波幅度控制字的輸入端。
  

　　整個系統(tǒng)主要由一個DDS構(gòu)成，包括兩個查表ROM及其他控制電路。當(dāng)key1、key2為11、01、00時，分別實(shí)現(xiàn)FSK、PSK、ASK調(diào)制；當(dāng)key1、key2為10時無信號輸出。在信號的輸入端接收被調(diào)制的信號。由AltBus、Parallel Adder Substractor、Delay構(gòu)成DDS的部分——相位累加器。正弦查找表模塊LUT的計算式為：

255*sin( 10*[0:1*pi/(2^10):10*pi] ) +256

　　受存儲器容量和成本限制，正弦查找表模塊LUT容量有限，這里設(shè)置為10位，為了獲得較高的頻率分辨率，DDS模塊的頻率字設(shè)置為32位，也即相位累加器字長位32位，DDS將獲得f_clk/2³²。

　　要達(dá)到軟件無線電傳輸標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制器設(shè)計，能夠通過計算推算出頻率字的取值。設(shè)基帶碼元速率為1kHz，系統(tǒng)采樣頻率為32MHz，即對每個碼元采樣32k個點(diǎn)，要達(dá)到一個中頻載頻取中頻載頻為：f₁＝600k，f₂＝1M，取N＝2³²，根據(jù)式（5），可得其頻率控制字分別為：

Key1＝80530637；key2＝134217728；取幅度控制字key5＝128。對此系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

5.   系統(tǒng)仿真及硬件實(shí)現(xiàn)。

　　按照圖3所示的調(diào)制器結(jié)構(gòu)在Simulink中完成仿真系統(tǒng)的搭建，并對其進(jìn)行系統(tǒng)級仿真，施加合適的激勵，添加合適的觀察區(qū)間，在模型窗口選擇“Simulink”菜單，再選Start項(xiàng)仿真。雙擊Scope模塊，分別得到FSK、PSK、ASK仿真波形，如圖3。
              
　　通過Simulink系統(tǒng)級仿真后對模塊進(jìn)行編譯，這在Simulink中自動完成后續(xù)的綜合，時序分析等操作。通過SignalComplier（如圖4）把Simulink的模塊文件（.mdl）轉(zhuǎn)換成通過的硬件描述語言VHDL文件，選定Cyclone系列芯片，并由Quartus II進(jìn)行綜合、適配、時序分析，終得到可供使用的.sof文件。
      
　　打開Quartus II，進(jìn)行Cyclone系列的EP1C6Q240C8芯片，進(jìn)行重新編譯，仿真，到芯片在示波器中驗(yàn)證了系統(tǒng)的調(diào)制功能。

6.    結(jié)論

　　該設(shè)計避免了編寫繁瑣的硬件描述程序，同時避免了向ROM中填寫大量的波形數(shù)據(jù)。充分利用了Matlab中Simulink的DSP Builder工具箱的圖形化界面建模、系統(tǒng)仿真功能，同時又區(qū)別與完全圖形化的方法。采用DDS技術(shù)，具有分辨率高、頻率變化快、頻率可控等優(yōu)點(diǎn)，很好的實(shí)現(xiàn)了調(diào)制功能。實(shí)驗(yàn)證明，采用文中的方法設(shè)計的基于軟件無線電的調(diào)制器具有較好的功能，基本滿足一般應(yīng)用的需求。而對于如何控制調(diào)制器的頻率是下一步研究的內(nèi)容。

參考文獻(xiàn):

[1]. ROM datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/ROM_1188413.html.
[2]. 1bit datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/1bit_2178090.html.
[3]. 600k datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/600k_1804125.html.
[4]. mdl datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/mdl_1721936.html.
[5]. EP1C6Q240C8 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/EP1C6Q240C8_1135222.html.