高效FSK/PSK調(diào)制器利用多通道DDS實現(xiàn)零交越切換

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

圖1.二進(jìn)制FSK (a)和PSK (b)調(diào)制

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

本文將介紹如何利用兩個同步DDS通道來實現(xiàn)零交越FSK或PSK調(diào)制器。在此，我們將利用AD9958雙通道、500 MSPS、純粹的DDS(見附錄)來實現(xiàn)零交越切換頻率或相位，但是任何雙通道同步解決方案應(yīng)該都可以實現(xiàn)這一功能。在相位相干雷達(dá)系統(tǒng)中，零交越切換可以減少目標(biāo)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通道的兩個輸出相互獨立，但它們共用一個內(nèi)部系統(tǒng)時鐘，并在同一硅片上，因此，當(dāng)溫度和供電發(fā)生變化時，它們比同步的多個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(diào)制器的首選。

圖2.零交越FSK或PSK調(diào)制器的設(shè)置

任何DDS的一個關(guān)鍵元件是相位累加器，在本方案中，其位寬為32位。當(dāng)累加器溢出時，會保留任何剩余值。當(dāng)累加器溢出而無余數(shù)時(見圖3)，輸出正好為相位0，DDS引擎從時間0時的值開始工作。零溢出的發(fā)生速率被稱為DDS的完全重復(fù)率(GRR)。

圖3.累加器溢出的基本DDS

GRR由DDS頻率調(diào)諧字(FTW)最右側(cè)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(cè)的非零位。

例如，設(shè)一個采樣頻率為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，兩個FTW之一最右側(cè)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(xù)方式開關(guān)頻率。這意味著，當(dāng)頻率調(diào)諧字變化時，不會出現(xiàn)瞬時相位變化。即是說，當(dāng)新的FTW有效時，累加器將從其當(dāng)前所處相位開始累加新的FTW。但是，相位相干卻要求瞬時轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)DDS能實現(xiàn)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頻率具有相同的絕對相位時進(jìn)行。為了以相位相干方式實現(xiàn)零交越切換，DDS必須在0度進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換(即當(dāng)累加器的溢出剩余量為零時)。因此，我們必須確定相位相干零交越發(fā)生的常數(shù)。如果已知傳號和空號FTW的GRR，則兩個GRR(若不同)中較小者為所需相位相干零交越點。

在實現(xiàn)相位相干零交越切換時必須遵循三條標(biāo)準(zhǔn)：

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(yīng)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(zhuǎn)來在圖2中CH0上觸發(fā)頻率變換。

不幸的是，在DDS累加器達(dá)到零時與輸出端出現(xiàn)零相位時二者之間的延遲會進(jìn)一步增加解決方案的復(fù)雜程度。可喜的是，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(diào)整，以補(bǔ)償該延遲。AD9958的兩個通道都有一個相位偏移字，可用其來解決這一問題。

AD9958雙通道DDS產(chǎn)生如圖4、圖5和圖6所示的結(jié)果。圖4和圖5所示為相位連續(xù)FSK切換與零交越FSK切換之間的關(guān)系。圖5同時展示了相位連續(xù)切換和相位相干切換。圖6所示為在多個頻率之間切換的偽隨機(jī)序列(PRS)數(shù)據(jù)流的結(jié)果。

圖4.相位連續(xù)FSK轉(zhuǎn)換

圖5.零交越FSK轉(zhuǎn)換

圖6.零交越(多次FSK轉(zhuǎn)換)

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

圖7.相位連續(xù)BPSK轉(zhuǎn)換

圖8.零交越BPSK轉(zhuǎn)換

附錄：

雙通道、10位、500 MSPS直接數(shù)字頻率合成器

AD9958雙通道直接數(shù)字頻率合成器(DDS)功能完善，內(nèi)置兩個10位、500 MSPS電流輸出DAC，如圖9所示。兩個通道共用一個系統(tǒng)時鐘，因此本身就具有同步功能;在需要兩個以上的通道時，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(tǒng)相關(guān)失配提供校正。這些參數(shù)可線性掃描;或者可為FSK、PSK或ASK調(diào)制選擇16個電平。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(diào)諧。AD9958采用1.8 V內(nèi)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，千片訂量報價為20.24美元/片。

圖9.AD9958框圖