數(shù)字化幅度調(diào)制電路的實(shí)現(xiàn)

1 引言

信息通過傳輸介質(zhì)在發(fā)送端和接收端之間傳送。信息的原始形式通常是不適合直接進(jìn)行傳送，需要把它加載到高頻載波上來實(shí)現(xiàn)信息的傳送。把信息加載到高頻載波上的過程被稱作為調(diào)制。

幅度調(diào)制是一種相對便宜的調(diào)制方式，尤其是全載波雙邊帶幅度調(diào)制可以使用簡單的解調(diào)器電路，因此這種調(diào)制方式在商業(yè)廣播以及民用波段的雙向無線移動(dòng)通信中獲得應(yīng)用。

原始信息信號、載波信號和全載波雙邊帶幅度調(diào)制信號之間的關(guān)系如下。

原始信息信號：

（1）

載波信號：

（2）

全載波雙邊帶幅度調(diào)制信號：

（3）

在上面的關(guān)系式中，k_am為調(diào)幅靈敏度，反映原始信息信號對幅度調(diào)制信號的高頻幅度的影響程度。

傳統(tǒng)的幅度調(diào)制電路是一個(gè)非線性電路，利用非線性特性實(shí)現(xiàn)調(diào)制信號中的乘法運(yùn)算。幅度調(diào)制電路有兩個(gè)輸入端，一個(gè)輸入原始信息信號；另一個(gè)輸入單一頻率的載波信號。不同的廣播電臺采用不同的載波頻率以避免相互干擾。利用LC振蕩器產(chǎn)生載波信號具有頻率調(diào)節(jié)方便的優(yōu)點(diǎn)，但是頻率穩(wěn)定度較低；使用晶體振蕩器具有頻率穩(wěn)定度高，但是頻率調(diào)節(jié)不方便。

2 直接數(shù)字頻率合成

直接數(shù)字頻率合成（Direct Digital Synthesis，DDS）技術(shù)利用數(shù)字方法可以產(chǎn)生任意波形的信號，而且所產(chǎn)生的信號同時(shí)具有頻率穩(wěn)定度高和頻率調(diào)整精度高的特點(diǎn)，適合用作載波信號。基于DDS技術(shù)產(chǎn)生信號波形的原理圖如圖1所示。

圖1 DDS技術(shù)產(chǎn)生信號波形的原理圖

DDS信號源的核心是相位累加器，它類似一個(gè)計(jì)數(shù)器。每來一個(gè)時(shí)鐘信號，相位累加器的輸出就增加一個(gè)步長的相位增加量，相位增加量的大小由頻率控制字確定，改變頻率控制字就可以改變相位增加的速度，從而改變輸出信號的頻率。信號波形的數(shù)據(jù)表里包含待產(chǎn)生信號一個(gè)完整周期的幅度―相位數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)可以由需要產(chǎn)生的信號利用采樣和量化來獲得。從波形數(shù)據(jù)表中讀出相位累加器輸出相位信號值對應(yīng)的幅度數(shù)據(jù)，通過數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成所需的模擬信號波形輸出。數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器輸出的信號是由一系列階梯近似的模擬信號，由于也是每來一個(gè)時(shí)鐘信號完成一次轉(zhuǎn)換，因此輸出信號中的諧波頻率是固定的，利用濾波器濾除這些諧波分量就可以獲得滿意的輸出信號波形。

相位累加器的相位累加為循環(huán)迭加，這樣使得輸出信號的相位是連續(xù)的。相位累加器進(jìn)行線性相位累加，累加至滿量時(shí)產(chǎn)生一次計(jì)數(shù)溢出，這個(gè)溢出率即為輸出信號的頻率。頻率控制字內(nèi)的相位增加量越大，相位累加器的溢出率越高，輸出信號的頻率越高。

如果相位累加器的位數(shù)為N，頻率控制字內(nèi)的相位增量為K，參考時(shí)鐘頻率為f_SYSCLK，則DDS系統(tǒng)輸出信號的頻率f_O為：

（4）

輸出信號的頻率分辨率Δf₀為：

（5）

參考時(shí)鐘由晶體振蕩器提供，具有較高的頻率穩(wěn)定度。DDS系統(tǒng)的工作類似于數(shù)字分頻電路，輸出信號的頻率穩(wěn)定度等同于參考時(shí)鐘的頻率穩(wěn)定度，即可以達(dá)到晶振的頻率穩(wěn)定度。

3 AD9854芯片介紹

AD9854把DDS技術(shù)和高速數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器結(jié)合在一起，形成一個(gè)全數(shù)字化、可編程的頻率合成器。在一個(gè)精確的時(shí)鐘源的控制下，它可以產(chǎn)生一個(gè)頻譜較純、頻率D相位D幅度可編程的正弦信號。

AD9854的DDS核具有48位的相位累加器，當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘為300MHz時(shí)，輸出信號的頻率分辨率仍可達(dá)1mHz。如果一個(gè)正弦波信號周期包括30個(gè)采樣點(diǎn)，它的輸出信號頻率可達(dá)10MHz，滿足幅度調(diào)制廣播載波頻率535～1605kHz的要求。AD9854還包含一個(gè)4×到20×?xí)r鐘倍頻電路，因此該電路允許使用較低的外部時(shí)鐘頻率來獲得較高的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，降低了對外部時(shí)鐘在工作頻率方面的要求。

在信號幅度控制方面，AD9854具有12位數(shù)字乘法器，提供12位的輸出幅度調(diào)整率。該乘法器位于波形數(shù)據(jù)表與數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器之間，它的一個(gè)輸入來自波形數(shù)據(jù)表的數(shù)字載波，另一個(gè)輸入來芯片外部的數(shù)據(jù)。當(dāng)外部輸入的數(shù)據(jù)來源于原始信息信號時(shí)，利用這個(gè)乘法器就可以實(shí)現(xiàn)如式（3）所示的幅度調(diào)制信號。

AD9854工作參數(shù)，例如輸出幅度調(diào)制信號的載波頻率以及幅度，可以通過向它的寄存器寫入數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)。寄存器的訪問具有8位并行和SPI兼容的串行兩種方式。向寄存器寫入數(shù)據(jù)并不能使AD9854的工作發(fā)生變化，芯片只有在接收到數(shù)據(jù)刷新信號才能實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)的改變。刷新信號可以由AD9854內(nèi)部電路產(chǎn)生，也可以由外部提供。本設(shè)計(jì)采用外部提供，保證數(shù)據(jù)刷新與對原始信息信號采樣的同步。

4 AD9854芯片串行數(shù)據(jù)接口的實(shí)現(xiàn)

AD9854的工作控制可通過向其內(nèi)部寄存器寫入數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)，工作狀態(tài)可由從其內(nèi)部寄存器讀出數(shù)據(jù)來獲得。工作在串行方式時(shí)，芯片的大多數(shù)控制管腳處于非激活狀態(tài)，僅使用少數(shù)控制管腳，本設(shè)計(jì)就采用串行方式控制AD9854的工作。串行方式的2線信號傳輸方式信息傳輸包括2部分，第一部分提供控制指令，包括讀/寫信息和寄存器地址；第二部分提供具體的工作數(shù)據(jù)，其關(guān)系如圖2所示。

圖2 串行傳輸關(guān)系圖