基于DDS的無線數據傳輸系統設計與實現

劉生淵，徐建城，李 鵬

（西北工業大學 電子信息學院，陜西 西安 710129）

基于DDS的無線數據傳輸系統設計與實現

劉生淵，徐建城，李 鵬

（西北工業大學 電子信息學院，陜西 西安 710129）

設計了能夠傳輸英文字母、漢字及圖像信息的數字調制－解調無線通信系統，實現了點對點、單點對多點的異步單工通信。發射機由控制器、調制電路、高頻功率放大器、天線、顯示電路及電源部分組成。發射機采用計算機標準PS/2鍵盤錄入信息，并用拼音輸入法實現漢字的錄入。接收機由解調電路、數據處理器、顯示電路及電源部分組成。整機實現了在30.0 MHz低載波頻率下的高速數據傳輸，數據傳輸速率可設為 1.2 kb/s、9.6 kb/s、57.6 kb/s、115.2 kb/s。

DDS；FSK；無線通信

DDS技術是近幾年來迅速發展的頻率合成技術，它采用全數字化的技術，具有集成度高、體積小、相對帶寬寬、頻率分辨率高、跳頻時間短、相位連續性好、可以寬帶正交輸出、可以外加調制的優點，并方便與控制器接口構成智能化的頻率源。由于基準時鐘的頻率一般固定，因此相位累加器的位數決定了頻率分辨率，位數越多，分辨率越高。基于DDS諸多優點，本系統采用DDS技術來實現數字調制功能[1-2]，充分發揮DDS的優勢，使系統結構簡單、功能強大。

1 硬件實現及工作原理

本系統為一套無線數據傳輸系統，硬件電路分為發射機電路和接收機電路兩部分[3-5]。

1.1 發射機電路

如圖1所示，發射機硬件電路主要由控制器、調制電路、高頻功率放大器、天線、顯示電路與電源部分組成。

圖1 發射機組成圖

控制器以TI公司高性能混合信號處理器MSP430F169為核心，完成對 DDS、鍵盤、LCD顯示器的控制和信息處理的功能。MSP430F169為16 bit具有精簡指令集的超低功耗混合信號處理器（Mixed Signal Processor），采用1.8 V～3.6 V電源電壓，在1 MHz的時鐘條件下運行時，芯片的電流在 200 μA～400 μA，時鐘關斷模式的最低功耗只有0.2 μA，在8 MHz晶體驅動下指令周期為125 ns。且MSP430F169具有豐富的片上外圍模塊，如看門狗、模擬比較器、定時器、串口、硬件乘法器等。在本系統中，MSP430F169工作在3.3 V電壓、8 MHz主頻下。

調制電路以ADI公司單片DDS芯片AD9854為核心。該芯片最高系統時鐘為300 MHz，理論輸出信號頻率范圍為直流到150 MHz，最高并行編程速率為100 MHz，采用3.3 V單電源供電，與上述控制器芯片匹配，無需加電平轉換電路，從而實現控制器與調制器的無縫接口。AD9854支持10 MHz串行通信方式和100 MHz并行通信方式，本系統采用串行數據輸入方式。AD9854內置4～20倍頻的PLL，外部較低頻率的參考時鐘可通過倍頻后得到300 MHz的系統時鐘，這樣就避免了設計高頻參考時鐘的難度，降低了高頻時鐘干擾。AD9854參考時鐘的輸入有單端輸入和差分輸入兩種方式，為了使電路簡單，本設計選用單端輸入方式。外部20 MHz有源晶振輸出經PLL電路15倍頻到300 MHz后作為系統時鐘。濾波器采用由3個電感和7個電容構成的七階橢圓濾波器，因為AD9854的最高工作頻率為 300 MHz，而 DDS輸出最高頻率為系統工作頻率的40%左右，所以本方案中濾波器的截止頻率設計為120 MHz，有效濾除了高頻干擾，使輸出信號較為平滑。

高頻功率放大器工作在丙類方式，能夠實現較高的效率。顯示器采用LCM128 128×64點字符點陣液晶顯示器，用來完成人機交互界面和信息的顯示功能。電源部分采用LM2576-3.3三端穩壓片，能夠提供最高3 A的電流輸出，完全滿足本系統的要求。同時為了防止AD9854工作時對電源造成干擾，電路設計采用了大量的濾波電容，且對數字電源和模擬電源作了很好的隔離，以防止數字電源對模擬電源的串擾。

1.2 接收機電路

接收機硬件電路由解調電路、數據處理器、顯示電路及電源部分組成，接收機框圖如圖2所示。

圖2 接收機組成圖

解調器以飛利浦專用FSK解調芯SA639DH為核心部件。它具有靈敏度高、動態范圍大、傳輸速率快、穩定性好等特點。天線接收到的信號經輸入回路取出的2FSK信號與本振信號同時送入乘法器進行混頻，再經一級帶通濾波器濾除高頻分量取其下變頻到中頻，然后進行中頻放大后經二級帶通濾波送入限幅放大器進行限幅放大。限幅放大后的信號被分成兩路，一路直接送入乘法器，另一路經移相網絡移相90°產生調相調頻波再送乘法器，兩路信號進行相位比較，乘法器輸出的信號經低通濾波器取出原調制信號，然后再把該信號送入比較器進行整形后送信號處理器進行處理。

接收機數據處理器同樣采用MSP430F169，顯示器采用與發射機相同的LCM12864。由于接收機部分與發射機相比功耗低，故接收機電源部分采用兩節5號干電池串聯供電。

2 系統軟件的實現

2.1 發射機的軟件設計

發射機上電后，首先對系統進行初始化，包括對控制器本身的端口配置、片內外設的配置，以及外部的AD9854[6]、PS2鍵盤和顯示器等部件的初始化。初始化結束后系統進入休眠模式，直到被外部鍵盤產生的中斷喚醒。然后根據得到的按鍵鍵碼進行相應處理。為了讓AD9854產生2FSK信號，需進行如下的初始化過程：S/P SELECT置1或置0以決定輸入數據是并行還是串行。1為并行，0為串行；本系統采用串行接口，在SCLK信號控制下從并行輸入口D0～D1寫入48 bit并行寄存器，或在SCLK控制下從串行輸入口SDATA寫入48 bit串行寄存器。發射機的軟件流程圖如圖3所示（注：在發射機內部存儲有3幅圖片）。

圖3 發射機流程圖

2.2 接收機的軟件設計

接收機不需要區分接收到的是英文字符還是漢字，故軟件設計相對發射機來說較容易。同樣，開始對信號處理器以及外設進行初始化，使其工作在等待信息接收狀態，此時，只有接收機射頻部分電路工作，其他部件處于休眠模式。當接收機檢查到有信息到來時，通過中斷喚醒控制器，控制器再喚醒其他外設進行數據接收和處理。接收到的信息經信號處理器判斷，如果為字符（包括英文字符和漢字），則控制LCD進入字符模式，進行字符的顯示；如果為圖片，則控制LCD進入圖片模式，進行圖片顯示。接收機的軟件流程如圖4所示。

圖4 接收機流程圖

3 系統測試結果

（1）載波中心頻率：發射機在2FSK模式時，1和0所對應的兩個頻率分別為fH=30.003 000 MHz和fL=29.997 000 MHz，系統在空閑時發射頻率為30.000 000 MHz，故選取頻率為30.000 000 MHz為中心頻率。

（2）頻率穩定度：在單片機復位的前提下，用頻率計每隔2 min測一次AD9854的輸出頻率，共測5次，如表1所示。根據測試結果計算：

頻率穩定度＝最大頻率偏差/中心頻率

＝（30.000 068-29.999 981）÷30.000 024

＝0.000 087÷30.000 024

＝2.9×10-6

（3）發射功率：在發射功率級末端接 50 Ω假負載，用100 MHz數字示波器測得發射信號的輸出電壓峰峰值 VP-P，據公式 P=V2P-P/8RL，得到發射功率值，實驗測得VP-P=2.98 V，P=V2P-P/8RL=22.2 mW。

表1 AD9854輸出頻率測量值

（4）傳輸速率：發射機、接收機在通信距離為10 m的情況下，分別以 1.2 kb/s、9.6 kb/s、57.6 kb/s、115.2 kb/s的波特率傳送5次20個漢字，漢字錯誤率均為零。

（5）圖形傳送功能：發射機、接收機。發射機調用機內自帶的三幅圖形（分別為公雞、小兔及西工大校徽）以點陣的形式傳送，接收機能夠不失真接收，說明本系統具有圖形的點陣傳送功能。

本系統可以簡單高效地進行無線數據傳輸，是實現無線通信的一種簡單可行的設計方案。經過系統測試，系統技術指標令人滿意，工作可靠。另外，由于本系統采用DDS來實現信號調制，故可以比較容易地改變調制信號頻率，為實現跳頻通信提供了方便。

[1]陳邦媛.射頻通信線路[M].北京：科學出版社，2002.

[2]樊昌信，張甫翊，徐炳祥，等.通信原理（第 5版）[M].北京：國防工業出版社，2003.

[3]劉暢生.新型集成電路簡明手冊及典型應用[M].西安：西安電子科技大學出版社，2005.

[4]李朝青.單片機&DSP外圍數字 IC技術手冊[M].北京：北京航空航天大學出版社，2003.

[5]黃智偉.無線發射與接收電路設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.

[6]Analog Devices.CMOS 300 MSP Complete DDS AD9854[M].Analog Devices Inc.2007.

Wireless data transceiver system based on DDS

Liu Shengyuan，Xu Jiancheng，Li Peng

（College of Electronic Information，Northwestern Polytechnical University,Xi′an 710129，China）

This system is a communication system of digital modulation and demodulation which can transmit signals of chinese characters,pictures and english words through asynchronous simplex of point to point and single point to multiple points.The transmitter consists of control unit,modulation module，displaying module，power amp，antenna and power source parts.There is a standard PS/2 keyboard port attached to the transmitter system and the system realize chinese characters entering by utilizing pinyin input method.The receiver consists of demodulation module,data decoding and displaying modules.The system accomplish high speed data transmission at the low frequency of 30.0 MHz.The data rata can be set at 1.2 kb/s，9.6 kb/s，57.6 kb/s and 115.2 kb/s.

DDS；FSK；wireless communication

TP274+.2

B

1674-7720（2011）02-0065-03

2010-08-20）

劉生淵，男，1984年生，在讀碩士研究生，主要研究方向：電路與系統。