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2012年1月第46卷

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高效FSK/PSK调制器利用多通道DDS实现零交越切换

作者:David BrandonJeff Keip

频移键控 (FSK)和相移键控 (PSK) 调制方案广泛用于数字通信、雷达、RFID以及多种其他应用。最简单的FSK利用两个离散频率来传输二进制信息,其中,逻辑1代表传号频率,逻辑0代表空号频率。最简单的PSK为二进制(BPSK),采用两个相隔180°的相位。图1展示了这两种调制方式。

图1.二进制FSK (a)和PSK (b)调制。

直接数字频率合成器(DDS)的调制输出能以相位连续或相位相干方式实现频率和/或相位切换(如图1所示,另见“利用多通道DDS实现相位相干FSK调制,” ),使DDS技术成为FSK和PSK两种调制方式的理想选择。

本文将介绍如何利用两个同步DDS通道来实现零交越FSK或PSK调制器。在此,我们将利用AD9958双通道、500 MSPS、纯粹的DDS( 见附录)来实现零交越切换频率或相位,但是任何双通道同步解决方案应该都可以实现这一功能。在相位相干雷达系统中,零交越切换可以减少目标特征识别所需要的后期处理量,而且在零交越PSK可以减少频谱散射。

尽管AD9958 DDS通道的两个输出相互独立,但它们共用一个内部系统时钟,并在同一硅片上,因此,当温度和供电发生变化时,它们比同步的多个单通道器件的输出具有更加可靠的通道间一致性。另外,不同器件间可能存在的工艺差异性也大于同一硅片上两个通道之间的工艺差异性,由此使多通道DDS成为零交越FSK或PSK调制器的首选。

图2.零交越FSK或PSK调制器的设置。

任何DDS的一个关键元件是相位累加器,在本方案中,其位宽为32位。当累加器溢出时,会保留任何剩余值。当累加器溢出而无余数时(见图3),输出正好为相位0,DDS引擎从时间0时的值开始工作。零溢出的发生速率被称为DDS的完全重复率(GRR)。

图3.累加器溢出的基本DDS。

GRR由DDS频率调谐字(FTW)最右侧的非零位决定,其计算公式如下:

GRR = FS/2n

其中:

FS是DDS的采样频率。
n是FTW最右侧的非零位。

例如,设一个采样频率为1 GHz的DDS采用32位传号FTW和空号FTW,其二进制值如下所示。此时,两个FTW之一最右侧的非零位是第19位,因此,GRR = 1 GHz/219,约合1907 Hz。

传号 (CH0) 00101010 00100110 10100000 00000000
空号(CH0) 00111010 11110011 11000000 00000000
GRR  (CH1) 00000000 00000000 00100000 00000000

DDS本身即以相位连续方式开关频率。这意味着,当频率调谐字变化时,不会出现瞬时相位变化。即是说,当新的FTW有效时,累加器将从其当前所处相位开始累加新的FTW。但是,相位相干却要求瞬时转换至新频率的相位,就如新频率始终存在一样。因此,为了使标准DDS能实现相位相干的FSK频率切换,从传号频率到空号频率的变换必须在两个频率具有相同的绝对相位时进行。为了以相位相干方式实现零交越切换,DDS必须在0度进行频率转换(即当累加器的溢出剩余量为零时)。因此,我们必须确定相位相干零交越发生的常数。如果已知传号和空号FTW的GRR,则两个GRR(若不同)中较小者为所需相位相干零交越点。

在实现相位相干零交越切换时必须遵循三条标准:

  1. 必须能确定与图2中CH0关联的传号和空号FTW二者中较小的GRR。
  2. 必须将第二DDS通道(图2中的CH1)同步至图2的CH0,并使FTW中除对应于较小GRR的一位之外全部为零。
  3. 必须能利用第二通道的翻转来在图2中CH0上触发频率变换。

不幸的是,在DDS累加器达到零时与输出端出现零相位时二者之间的延迟会进一步增加解决方案的复杂程度。可喜的是,该延迟是恒定不变的。对于理想解决方案,必须对辅助通道进行相位调整,以补偿该延迟。AD9958的两个通道都有一个相位偏移 字,可用其来解决这一问题。

AD9958双通道DDS产生如图4、图5和图6所示的结果。图4和图5所示为相位连续FSK切换与零交越FSK切换之间的关系。图5同时展示了相位连续切换和相位相干切换。图6所示为在多个频率之间切换的伪随机序列(PRS)数据流的结果。

图4.相位连续FSK转换。

图5.零交越FSK转换。

图6.零交越(多次FSK转换)。

AD9958双通道DDS产生如图7和图8所示的结果。这些图所示为相位连续BPSK切换与零交越BPSK切换之间的关系。

图7.相位连续BPSK转换。

图8.零交越BPSK转换。

附录
双通道、10位、500 MSPS直接数字频率合成器
AD9958双通道直接数字频率合成器(DDS)功能完善,内置两个10位、500 MSPS电流输出DAC,如图9所示。两个通道共用一个系统时钟,因此本身就具有同步功能;在需要两个以上的通道时,可以使用额外的封装。各通道的频率、相位和幅度可以独立控制,使其可以为系统相关失配提供校正。这些参数可线性扫描;或者可为FSK、PSK或ASK调制选择16个电平。输出正弦波可以32位频率分辨率、14位相位分辨率和10位幅度分辨率进行调谐。AD9958采用1.8 V内核电源供电,与3.3 V I/O电源逻辑兼容,功耗为315 mW(所有通道开启)和13 mW(关断模式)。额定温度范围为–40°C至+85°C,采用56引脚LFCSP封装,千片订量报价为20.24美元/片。

图9.AD9958框图。

作者简介
David Brandon [david.brandon@analog.com] 自1995年第一款DDS发布起便一直为DDS产品提供支持。他在ADI公司工作了28年之久,最近11年一直担任时钟和信号合成部门应用工程师。David撰写了诸多应用笔记,并在杂志上发表过多篇文章。
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Jeff Keip [jeff.keip@analog.com] 在半导体行业拥有近20年从业经验,其中,与频率合成产品打交道的时间超过15年。在过去9年中,Jeff是ADI高速DDS产品组合的主要负责人。
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