利用DDS實(shí)現(xiàn)CDMA/FH擴(kuò)頻----劉彤

利用DDS實(shí)現(xiàn)CDMA/FH擴(kuò)頻----劉彤

摘要  本文闡述了跳頻擴(kuò)頻的基本原理，進(jìn)而提出了一種利用直接數(shù)字頻率合成（DDS）
      實(shí)現(xiàn) CDMA／FH的方法，最后給出了實(shí)驗(yàn)電路及測試結(jié)果
關(guān)鍵詞  擴(kuò)頻  碼分多址  跳頻  直接數(shù)字  頻率合成  數(shù)模變換
    在移動通信等視距微波數(shù)據(jù)無線通信中，多徑衰落非常嚴(yán)重，深度衰落會引起遠(yuǎn)距
離通信的突發(fā)錯(cuò)誤。為了減緩其有害影響，人們提出一種擴(kuò)頻調(diào)制解調(diào)技術(shù)，它的主要
特點(diǎn)是：發(fā)送信號時(shí)所占用的頻帶比發(fā)送數(shù)字信息時(shí)所需的最小頻帶大得多。因此基本
上可以解決脈沖噪聲阻塞和低探測概率兩個(gè)重要的通信問題。
    擴(kuò)頻有直接序列碼分多址（CDMA／DS）和跳頻碼分多址（CDMA／FH）兩種方法。
1  CDMA／FH技術(shù)
    所謂跳頻，就是發(fā)端在擴(kuò)頻碼（PN碼）的控制下，周期性地改變傳輸信號的載波頻
率；在收端，有一與發(fā)端同步跳動的本地振蕩源，接收信號與本地振蕩信號混合則可恢
復(fù)發(fā)端所傳輸?shù)男盘枺ń馓�）�?br />    目前，跳頻系統(tǒng)常見的數(shù)據(jù)調(diào)制方式是MFSK。如圖1所示，二進(jìn)制數(shù)據(jù)經(jīng)串／并變
換，送到數(shù)據(jù)調(diào)制器進(jìn)行MFSK調(diào)制，產(chǎn)生M個(gè)小間隔的頻偏，再與本地跳頻頻率合成
器產(chǎn)生的跳頻信號相乘，將頻譜搬移到載波頻率上。其中跳頻頻率合成器受PN碼的控
制，產(chǎn)生大頻率間隔跳動的載波頻率。
    接收機(jī)有一個(gè)與發(fā)射機(jī)同步跳動的跳頻頻率合成器，其輸出頻率信號與接收信號相
乘，將接收信號頻譜從載波頻率恢復(fù)（解跳），從而得到M級FSK信號，再送到數(shù)據(jù)解調(diào)
器進(jìn)行解調(diào)，并通過并／串變換，轉(zhuǎn)為二進(jìn)制數(shù)據(jù)。
    要實(shí)現(xiàn)發(fā)端與收端同步跳動，收端必須要有與發(fā)端相同的擴(kuò)頻碼，換句話說，只有
具有相同擴(kuò)頻碼的接收端，才能正確地解跳發(fā)端的信號。從這一角度來講，可將擴(kuò)頻碼
看作地址碼，只有當(dāng)?shù)刂反a相同時(shí)，發(fā)端與收端才能進(jìn)行通信，故稱為碼分多址（CDMA
）。
    假定每過Tc秒，跳頻頻率合成器就將數(shù)據(jù)調(diào)制器的輸出轉(zhuǎn)換到另一個(gè)載波頻率上，
而每過Ts秒，數(shù)據(jù)調(diào)制器則在該載波頻率的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生小間隔的頻偏。當(dāng)Tc＜Ts或跳
頻速率高于1000跳／秒時(shí)，F(xiàn)H系統(tǒng)稱作快速跳頻系統(tǒng)。
    如圖2所示，MFSK調(diào)制器可產(chǎn)生4個(gè)頻偏，即輸出4個(gè)頻率中的一個(gè)，每一頻率又被
劃分為2個(gè)片斷。每過一個(gè)片斷，MFSK調(diào)制器的輸出就跳到另一個(gè)不同的載波頻率（跳
頻帶）上。
    在快速跳頻系統(tǒng)中，跳頻帶在輸出每個(gè)符號時(shí)可以改變多次（圖中為2次），因此
在每個(gè)傳輸?shù)男盘柹隙伎煽吹筋l率分集增益。
2  快速跳頻的具體實(shí)現(xiàn)——直接數(shù)字頻率合成
    直接數(shù)字頻率合成器（DDS）具有一系列優(yōu)良性能：可獲得精細(xì)分辨率、頻率轉(zhuǎn)換
速度快（僅限于器件的響應(yīng)速度）和轉(zhuǎn)換頻率時(shí)相位連續(xù)等，因此可用DDS來實(shí)現(xiàn)快速
跳頻。
2.1  DDS內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理
    圖3是雙直接數(shù)字頻率合成器框圖，內(nèi)部由兩個(gè)互相獨(dú)立的DDS組成。兩個(gè)DDS共用
同一個(gè)接口，微處理器可以通過這個(gè)接口對其進(jìn)行控制。每個(gè)DDS都有兩個(gè)相位增量寄
存器（PIR A和PIR B），用來存放相位增量值。在外部信號EXT MUX的控制下，相位累
加器從PIR A和PIR B中選取一個(gè)輸出，并將所選取的32位相位增量值和累加器本身的相
位值相加，所得相位總和作為累加器本身的新相位值儲存起來，并為下一次累加做準(zhǔn)
備。每過一個(gè)系統(tǒng)周期，相位累加器便進(jìn)行一次累加，所得到的相位總和中只有16位高
位部分作為有效相位部分，送往正弦查尋功能器進(jìn)行查尋，并產(chǎn)生12位數(shù)字化正弦波輸
出值。最后，這12位數(shù)值再送到數(shù)模變換器（DAC）和低通濾波器(LPF），得到正弦波
輸出，如圖4所示。
2.2  實(shí)現(xiàn)方法
    1．?dāng)?shù)字部分
    （1）相位增量值的輸入
    如果要使DDS輸出某一頻率F0，相位增量寄存器中必須存放有與這一頻率相對應(yīng)的
相位增量值。設(shè)系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率為Fs，則它們的換算關(guān)系為：F0=Fs·非／2k。
    其中，K是相位增量的位數(shù)，在這里K＝32。由該式可見，當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘頻率FS選定后，
與所要產(chǎn)生的頻率F相對應(yīng)的相位增量非可以經(jīng)計(jì)算得出。例如，當(dāng)Fs=30MHz，7.5MHz）
（2的32次方）／30MHz=2的30次方＝ 40 000 000（H）也就是說，將32位二進(jìn)制數(shù)值非
寫入相位增量寄存器（PIR）后，便可產(chǎn)生與該非對應(yīng)的頻率7.5MHz。
    由于PIR是32位寄存器，對應(yīng)于4個(gè)地址，每個(gè)地址可存放8位。只要使用微處理器的
寫操作，便可完成上述PIR賦值任務(wù)。
    （2）置位與觸發(fā)
    加電后，相位累加器中的相位值是隨機(jī)的，必須對其進(jìn)行置位操作，通過置位寄存
器可以完成這一任務(wù)。在置位寄存器中寫入任意值，當(dāng)下一個(gè)跳頻時(shí)鐘觸發(fā)時(shí)，累加器
便置零。如果不使用跳頻時(shí)鐘，跳頻時(shí)鐘寄存器也可通過寫入任意值來實(shí)現(xiàn)觸發(fā)功能。
    由此可見，要使DDS輸出所需要的頻率，首先應(yīng)向相位增量寄存器輸入與所需頻率對
應(yīng)的相位值（32位），然后通過向相位增量寄存器中寫入任意值來觸發(fā)，或者直接利用
跳頻時(shí)鐘的上升沿來觸發(fā)該頻率的產(chǎn)生。
    2．模擬部分
    由于DDS輸出的是12位數(shù)字化正弦波，所以必須經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換，才可得到模擬正弦波。
在該正弦波中，有許多諧波分量，頻譜雜散很高，因此必須使用低通濾波器將這些雜散
分量濾除。
    （1）數(shù)模轉(zhuǎn)換（DAC）
    從理論上講，數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸入位數(shù)越多，輸出的波形也就越純正，所以應(yīng)采用12位的
數(shù)模轉(zhuǎn)換器，以便充分利用DDS輸出的12位數(shù)值。
    這里采用了AD公司的AD9721雙列直插芯片。該芯片的取樣速率為100MS／S，可接收10
位的TTL電子輸入值。這些電平輸入值在時(shí)鐘上升沿到來之際，送到電流切換網(wǎng)，轉(zhuǎn)換成
與之在數(shù)值上相對應(yīng)的兩個(gè)形式上互補(bǔ)的電流Iout和Iout’，通過阻性負(fù)載，這兩個(gè)電流
可換算成電壓，從而完成數(shù)模轉(zhuǎn)換。
    （2）低通濾波器
    由于DDS輸出的諧波分量較豐富，再加上數(shù)模轉(zhuǎn)換器的非線性等因素，致使DDS輸出的
雜散很高，這就需要使用低通濾波器將這些雜散濾除。
    一般情況下，濾波器分為三種類型；最平坦型、切比雪夫（等波紋）型和橢圓（雙等
波紋）型。其中橢圓型濾波器不僅在通帶和阻帶內(nèi)都具有均勻的衰減特性，而且其通帶與
阻帶之間的過渡帶曲線非常陡峭，可以濾除離通帶很近的雜波。
    圖5為派型低通橢圓濾波器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其輸人端由一個(gè)單電容開始，輸出瑞由一個(gè)
單電容結(jié)束，總臂數(shù)為（2M＋1）。如果給定通帶內(nèi)最大衰減An、阻帶內(nèi)最小衰減An和選
擇性因子k，則可確定濾波器的階數(shù)m它們之間的關(guān)系可用下式表示：
    通過通帶上限頻率fp和阻帶下限頻率fs，可以確定選擇性因子：k=fp／fs。
3  實(shí)驗(yàn)電路和測試結(jié)果
    該頻率合成器的頻穩(wěn)度＜=0.5X10(負(fù)6），在偏離主頻1kHZ處，-80dBC／ HZ。雜散分
量最大值位于18MHZ處，約為-60dBC。跳頻速度約3000跳／秒（取決于單板機(jī)時(shí)鐘頻率）。
    總之，在數(shù)字衛(wèi)星通信、移動通信、跳頻抗干擾等領(lǐng)域，CDMA／FH有著廣闊的應(yīng)用前
景。對此項(xiàng)技術(shù)的深入研究，必將會推動通信事業(yè)的發(fā)展，使之達(dá)到一個(gè)新的水平。