高效的FSK/PSK调制器使用多通道DDS在过零点进行切换

作者：David Brandon and Jeff Keip

频移键控 （FSK） 和相移键控 （PSK） 调制方案用于数字通信、雷达、RFID 和许多其他应用。FSK 的最简单形式使用两个离散频率来传输二进制信息，逻辑 1 表示标记频率，逻辑 0 表示空间频率。PSK最简单的形式是二进制（BPSK），它使用相隔180°的两个相位。图1显示了两种类型的调制。

图1.二进制 FSK （a） 和 PSK （b） 调制。

直接数字频率合成器（DDS）的调制输出可以以相位连续或相位相干的方式切换频率和/或相位，如图1所示，如“多通道DDS支持相位相干FSK调制”中所述，使DDS技术非常适合FSK和PSK调制。

本文介绍两个同步DDS通道如何实现过零FSK或PSK调制器。此处，AD9958双通道、500 MSPS、完整DDS（见附录）用于在过零点切换频率或相位，但任何双通道同步解决方案都应能够实现此功能。在相位相干雷达系统中，过零切换减少了目标特征识别所需的后处理量;在过零处实施PSK可减少频谱飞溅。

虽然两个AD9958 DDS通道输出都是独立的，但它们共享一个内部系统时钟，并驻留在一块硅片上，因此它们应该在温度和电源偏差范围内提供比多个单通道同步器件输出更可靠的通道间跟踪。不同器件之间可能存在的工艺变异性也大于您在单片硅片中制造的两个通道之间可能看到的任何工艺变异性，这使得多通道DDS更适合用作过零FSK或PSK调制器。

图2.过零FSK或PSK调制器的设置。

任何DDS的一个关键元素是相位累加器，在此实现中，其宽度为32位。当累加器溢出时，它会保留任何多余的价值。当累加器溢出且没有余数时（参见图 3），输出正好处于相位 0，DDS 引擎从时间 0 的位置重新启动。经历零溢出的速率称为 DDS 的大重复率 （GRR）。

图3.带溢出累加器的基本 DDS。

GRR 由 DDS 频率调谐字 （FTW） 最右边的非零位确定，由以下公式确定：

GRR = FS/2n

其中：

FS是 DDS 的采样频率。
n 是 FTW 最右边的非零位。

例如，假设采样频率为 1 GHz 的 DDS 采用 32 位标记和空格 FTW，并显示二进制值。在本例中，任一 FTW 最右边的非零位是 19千位，因此 GRR = 1 GHz/219，或大约 1907 Hz。

Mark (CH0) 00101010 00100110 10100000 00000000
Space(CH0) 00111010 11110011 11000000 00000000
GRR  (CH1) 00000000 00000000 00100000 00000000
 

DDS固有地以相位连续的方式切换频率。这意味着当频率调谐字发生变化时不会发生瞬时相变。也就是说，累加器从应用新 FTW 时的任何相位位置开始累积新的 FTW。另一方面，相位相干需要瞬时过渡到新频率的相位，就好像新频率一直存在一样。因此，为了使标准DDS实现相位相干FSK开关，当两个频率具有相同的绝对相位时，必须发生从标记频率到空间频率的变化。为了以相位相干的方式实现过零开关，DDS必须在0度（即，当累加器溢出零过量时）进行频率转换。因此，我们必须确定相位相干过零的时刻。如果标记和空格FTW的GRR已知，则两个GRR中较小的一个（如果不同）将指示所需的相位相干零交叉点。

实现相位相干过零开关需要三个标准：

确定与图2的CH0相关的标记和空格FTW的较小GRR的能力。

第二个DDS通道（图2的CH1）与图2的CH0同步，并使用FTW进行编程，FTW除对应于较小GRR的一个位外，所有零。

能够使用第二个通道的翻转来触发图2所示CH0上的频率变化。

遗憾的是，DDS累加器达到零点与输出端表示零相位之间的延迟使解决方案进一步复杂化。幸运的是，这种延迟是恒定的。理想的解决方案需要对辅助通道进行相位调整以补偿这种延迟。AD9958上的两个通道都有一个相位偏移字，可用于解决此问题。

AD9958双通道DDS产生的结果如图4、图5和图6所示。图4和图5显示了相位连续FSK开关与过零FSK开关的比较。图5显示了相位连续开关和相位相干开关。图6显示了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.过零 FSK 过渡。

图6.具有多FSK转换的零交叉。

AD9958双通道DDS产生的结果如图7和图8所示。这些图显示了相位连续BPSK切换与过零BPSK切换的比较。

图7.相位连续的BPSK过渡。

图8.过零 BPSK 过渡。

双通道、10位、500MSPS直接数字频率合成器

AD9958双通道直接数字频率合成器（DDS）配有两个10位、500 MSPS电流输出DAC，如图9所示。两个通道共享一个公共系统时钟，提供固有的同步;如果需要两个以上的通道，可以使用其他封装。每个通道的频率、相位和幅度可以独立控制，从而能够对与系统相关的失配进行校正。这些参数可以线性扫描;或者可以选择 16 个电平进行 FSK、PSK 或 ASK 调制。输出正弦波可以调谐32位频率分辨率、14位相位分辨率和10位幅度分辨率。AD9958采用1.8 V内核电源供电，外加3.3 V I/O电源以实现逻辑兼容性，所有通道开启时功耗为315 mW，省电模式下功耗为13 mW。该器件的额定温度范围为–40°C至+85°C，采用56引脚LFCSP封装，1000s售价为20.24美元。

图9.AD9958原理框图

审核编辑：郭婷