摘 要： 介紹用89C51單片微機(jī)控制直接數(shù)字頻率合成器(DDS)實(shí)現(xiàn)短波跳頻/四相差分鍵控(FH/DQPSK)調(diào)制系統(tǒng)的調(diào)制過程，著重討論了單片微機(jī)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及軟件設(shè)計。討論分析了采用AD7008實(shí)現(xiàn)該調(diào)制的方法并給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
關(guān)鍵詞： 單片機(jī) 直接數(shù)字頻率合成(DDS) 跳頻(FH) 四相差分鍵控(DQPSK)
頻率合成器是利用一個(或多個)標(biāo)準(zhǔn)信號產(chǎn)生多種頻率信號的設(shè)備。它不僅要求輸出頻率的精確度和穩(wěn)定度高，而且要求頻帶盡可能寬。直接數(shù)字頻率合成(DDS)是繼直接頻率合成和間接頻率合成之后發(fā)展起來的第三代頻率合成技術(shù)。由于它具有相對帶寬很寬、頻率轉(zhuǎn)換時間短、頻率分辨率很高、便于集成以及頻率、相位和幅度均可控制等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、電子對抗等軍事通信系統(tǒng)和移動通信中。特別是在短波跳頻通信中，信號在較寬的頻帶上不斷變化，并且要求在很小的頻率間隔內(nèi)快速地變換頻率和相位。采用DDS技術(shù)用于跳頻信號調(diào)制的理想選擇。跳頻系統(tǒng)不僅需要一個高精度迅速變化頻率的頻率合成器，還要求一個能產(chǎn)生數(shù)百或數(shù)千條跳頻序列發(fā)生和頻率控制的指令。本文采用89C51單片機(jī)作為中央控制芯片來產(chǎn)生跳頻指令，控制DDS實(shí)現(xiàn)跳頻信號的調(diào)制。
1 短波跳頻通信系統(tǒng)的調(diào)制
短波跳頻系統(tǒng)一般采用M進(jìn)制頻移鍵控(MFSK)調(diào)制方式。文獻(xiàn)[1]提出短波跳頻通信系統(tǒng)的調(diào)制可采用四相差分鍵控(DQPSK)調(diào)制方式。由于短波信道僅在10kHz(白天)或2.5kHz(晚上)的帶寬內(nèi)是近似靜態(tài)的[1]，所以跳頻信號差分相位調(diào)制信息為同一頻率前后相鄰出現(xiàn)的相位差。根據(jù)文獻(xiàn)[2]，我們選擇系統(tǒng)參數(shù)為：①跳頻頻率間隔為3kHz；②跳頻帶寬1.536MHz，共512個頻點(diǎn)；③跳頻數(shù)為64，根據(jù)信道質(zhì)量從512個頻點(diǎn)中選取；④跳頻速率為2560跳/秒(頻隙時間390.625μs，信號時間333.333μs，頻率變換時間57.292μs)；⑤信息比特速率5120bit/s。圖1為信號的FH/DQPSK調(diào)制過程框圖。在時鐘的同步狀態(tài)下，根據(jù)跳頻碼從64個相位存儲器中取出同一跳頻碼上次出現(xiàn)的信號的絕對相位，再加上差分相位作為當(dāng)前信號的絕對相位，并存儲到該相位存儲器中。同時跳頻碼控制輸出信號頻率字，把相位字和頻率字寫入DDS相應(yīng)的存貯器以更新頻率和相位，啟動DDS工作。其中，差分相位由每兩個信息比特決定。如采用π/4DQPSK方式，則信息序列與相位變化關(guān)系如表1所示。
2 DDS技術(shù)
本文所采用的AD7008[3]是AD公司生產(chǎn)的CMOS型DDS芯片，該芯片功能較全、性價比高、容易開發(fā)、實(shí)現(xiàn)的成品性能較好。其相位累加器為32位，頻率分辨率可達(dá)0.012Hz。頻率轉(zhuǎn)換速度與頻率間隔(分辨率)之間不相干，頻率變換的速率僅受限于器件響應(yīng)速度的快慢，通常為幾十納秒。由于實(shí)現(xiàn)了高度數(shù)字化、集成化，輸出頻率的穩(wěn)定度達(dá)到晶振頻率穩(wěn)定度的數(shù)量級。它適用于頻率調(diào)制、相位調(diào)制、正交調(diào)幅調(diào)制(其它一般DDS芯片所不具備)和驅(qū)動倍頻鎖相環(huán)構(gòu)成分辨率高、轉(zhuǎn)換速度快的頻率合成器等場合。DDS的實(shí)際輸出最高頻率約為時鐘頻率的1/3，輸出頻率越高，噪聲功率越高。由文獻(xiàn)[3]可知，在時鐘頻率fc＝50MHz，輸出頻率f0＝5.1MHz情況下，其最大諧波頻率為15.3MHz，幅度低51.8dB，一般可通過低通濾波器濾除。對于本文跳頻帶寬為1.536MHz(小于5.1MHz)的系統(tǒng)，調(diào)制是可以直接用AD7008芯片予以實(shí)現(xiàn)的。
本系統(tǒng)的調(diào)制電路是用51系列的單片機(jī)(89C51)控制DDS芯片(AD7008)來完成的。如圖2所示，通過D0～D7數(shù)據(jù)總線在WR、CS的控制下，將數(shù)據(jù)控制字首先寫入AD7008的并行寄存器，然后在LOAD和TC0～TC3的控制下按表2所示將并行寄存器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)載到功能寄存器。
使用AD7008內(nèi)部參考電壓(VREF＝1.27V)，RSET≈390Ω時為滿刻度電流輸出。在管腳IOUT與地之間接入50Ω電阻，輸出信號峰－峰值為1V的跳頻信號。P1.0，P1.1分別控制芯片復(fù)位和頻率寄存器的選擇。根據(jù)電路，RAM6116地址為0000H～07FFH，并行寄存器地址為4000H，命令寄存器地址為8000H，頻率寄存器0地址為0A000H，頻率寄存器1地址為0A800H，相位寄存器地址為0B000H，IQ寄存器地址為0B800H。相位寄存器的值為差分相位，0、π/4、π/2、3π/4、π、5π/4、3π/2、7π/4分別對應(yīng)寄存器的值(低12位)為：000H、200H、400H、600H、800H、0A00H、0C00H、0E00H。跳頻信號的跳頻定時由定時器0中斷來實(shí)現(xiàn)：跳頻速率2560跳/秒，定時時間為390.625μs。
3 程序?qū)崿F(xiàn)
該調(diào)制系統(tǒng)的軟件流程圖如圖3所示。
跳頻信號的調(diào)制關(guān)鍵是跳頻碼的發(fā)生和DDS的控制。短波FH/DQPSK系統(tǒng)要求有良好特性的跳頻序列，混沌理論的發(fā)展為跳頻序列的產(chǎn)生提供了一種新的方法。利用混沌非線性來產(chǎn)生跳頻序列，其跳頻圖案的性能比較好。文獻(xiàn)[4]介紹了用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)Logistic混沌FH序列的發(fā)生。目前，混沌序列的研究主要是硬件實(shí)現(xiàn)的有限字長問題。我們用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)基于Lempel－Greenberger模型(簡稱L－G模型)[5]的m序列，選取周期為63，并可以為用戶提供不同的m序列。它可以用于通信開始時采用短碼引導(dǎo)長碼[6]的混沌初值傳遞的跳頻同步捕獲系統(tǒng)(必須對m序列進(jìn)行寬間隔處理以適合短波跳頻系統(tǒng))。圖4是示波器顯示的基帶跳頻信號波形。
以上討論了以單片機(jī)控制DDS技術(shù)為核心實(shí)現(xiàn)跳頻信號的調(diào)制設(shè)計方法，編寫了部分實(shí)驗(yàn)程序。在系統(tǒng)的調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，示波器顯示波形出現(xiàn)相位沒有正確調(diào)制在某一跳頻點(diǎn)上，信號先在新跳頻頻率上以正弦波(選同相輸出)形式出現(xiàn)一定時間，當(dāng)新的相位移至DDS的相位寄存器后才使信號有新的相位。經(jīng)分析得知，這是由于AD7008芯片從并口寄存器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移至頻率與相位寄存器沒有同時進(jìn)行的緣故。這可以更換其它DDS芯片來解決，如AD9850[7]，其頻率和相位數(shù)據(jù)可以同時輸入(頻率字為32bit，相位字為5bit，休眠、廠家測試控制字為3bit，共40bit)，來控制實(shí)現(xiàn)高速DDS技術(shù)。另外，實(shí)現(xiàn)的僅為數(shù)字信號的基帶跳頻信號調(diào)制，還必須進(jìn)行二次調(diào)制成短波單邊帶(SSB)信號才能發(fā)射出去。如果采用更高輸出最高頻率的DDS芯片，即可實(shí)現(xiàn)短波跳頻信號的一次性調(diào)制。隨著制造工藝的提高，這是能夠?qū)崿F(xiàn)的。目前DDS芯片已做到1GHz以上。更好的辦法是采用DDS與鎖相環(huán)(PLL)技術(shù)相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)，它具有較高的頻率穩(wěn)定度、準(zhǔn)確度和分辨力，并具有體積小、功耗低、操作方便等特點(diǎn)。
參考文獻(xiàn)
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4 郝士琦.一種用MCS－51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的混沌跳頻序列產(chǎn)生器.電子技術(shù)應(yīng)用，1998；24(5)：22～24
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7 CMOS，125MHz Complete DDS Synthesizer AD9850，Analog Devices Inc., 1996