基于DDS的无线数据传输系统设计与实现

 DDS 技术是近几年来迅速发展的频率合成技术， 它采用全数字化的技术， 具有集成度高、体积小、相对带宽宽、频率分辨率高、跳频时间短、相位连续性好、可以宽带正交输出、可以外加调制的优点， 并方便与控制器接口构成智能化的频率源。由于基准时钟的频率一般固定， 因此相位累加器的位数决定了频率分辨率， 位数越多， 分辨率越高。基于DDS 诸多优点， 本系统采用DDS技术来实现数字调制功能， 充分发挥DDS 的优势， 使系统结构简单、功能强大。

　　1 硬件实现及工作原理

　　本系统为一套无线数据传输系统， 硬件电路分为发射机电路和接收机电路两部分。

　　1.1 发射机电路

　　如图1 所示，发射机硬件电路主要由控制器、调制电路、高频功率放大器、天线、显示电路与电源部分组成。

图1 发射机组成图

　　控制器以TI 公司高性能混合信号处理器MSP430F169为核心， 完成对DDS 、键盘、LCD 显示器的控制和信息处理的功能。MSP430F169 为16 bit 具有精简指令集的超低功耗混合信号处理器（Mixed Signal Processor） ， 采用1.8 V~3.6 V 电源电压， 在1 MHz 的时钟条件下运行时，芯片的电流在200 μA~400 μA， 时钟关断模式的最低功耗只有0.2 μA，在8 MHz 晶体驱动下指令周期为125 ns。

　　且MSP430F169 具有丰富的片上外围模块， 如看门狗、模拟比较器、定时器、串口、硬件乘法器等。在本系统中，MSP430F169 工作在3.3 V 电压、8 MHz 主频下。

　　调制电路以ADI 公司单片DDS 芯片AD9854 为核心。该芯片最高系统时钟为300 MHz ， 理论输出信号频率范围为直流到150 MHz，最高并行编程速率为100 MHz，采用3.3 V 单电源供电， 与上述控制器芯片匹配， 无需加电平转换电路，从而实现控制器与调制器的无缝接口。

　　AD9854 支持10 MHz 串行通信方式和100 MHz 并行通信方式， 本系统采用串行数据输入方式。AD9854 内置4～20 倍频的PLL， 外部较低频率的参考时钟可通过倍频后得到300 MHz 的系统时钟， 这样就避免了设计高频参考时钟的难度， 降低了高频时钟干扰。AD9854 参考时钟的输入有单端输入和差分输入两种方式， 为了使电路简单， 本设计选用单端输入方式。外部20 MHz 有源晶振输出经PLL 电路15 倍频到300 MHz 后作为系统时钟。

　　滤波器采用由3 个电感和7 个电容构成的七阶椭圆滤波器， 因为AD9854 的最高工作频率为300 MHz ， 而DDS输出最高频率为系统工作频率的40%左右， 所以本方案中滤波器的截止频率设计为120 MHz， 有效滤除了高频干扰，使输出信号较为平滑。

　　高频功率放大器工作在丙类方式， 能够实现较高的效率。显示器采用LCM128 128×64 点字符点阵液晶显示器， 用来完成人机交互界面和信息的显示功能。电源部分采用LM2576-3.3 三端稳压片， 能够提供最高3 A 的电流输出， 完全满足本系统的要求。同时为了防止AD9854工作时对电源造成干扰， 电路设计采用了大量的滤波电容， 且对数字电源和模拟电源作了很好的隔离， 以防止数字电源对模拟电源的串扰。

　　1.2 接收机电路

　　接收机硬件电路由解调电路、数据处理器、显示电路及电源部分组成， 接收机框图如图2 所示。

图2 接收机组成图

　　解调器以飞利浦专用FSK 解调芯SA639DH 为核心部件。它具有灵敏度高、动态范围大、传输速率快、稳定性好等特点。天线接收到的信号经输入回路取出的2FSK信号与本振信号同时送入乘法器进行混频， 再经一级带通滤波器滤除高频分量取其下变频到中频， 然后进行中频放大后经二级带通滤波送入限幅放大器进行限幅放大。限幅放大后的信号被分成两路， 一路直接送入乘法器， 另一路经移相网络移相90° 产生调相调频波再送乘法器， 两路信号进行相位比较， 乘法器输出的信号经低通滤波器取出原调制信号， 然后再把该信号送入比较器进行整形后送信号处理器进行处理。

　　接收机数据处理器同样采用MSP430F169 ， 显示器采用与发射机相同的LCM12864 。由于接收机部分与发射机相比功耗低， 故接收机电源部分采用两节5 号干电池串联供电。

　　2 系统软件的实现

　　2.1 发射机的软件设计

　　发射机上电后， 首先对系统进行初始化， 包括对控制器本身的端口配置、片内外设的配置， 以及外部的AD9854[ 6]、PS2 键盘和显示器等部件的初始化。初始化结束后系统进入休眠模式， 直到被外部键盘产生的中断唤醒。然后根据得到的按键键码进行相应处理。为了让AD9854 产生2FSK 信号， 需进行如下的初始化过程：S/PSELECT 置1 或置0 以决定输入数据是并行还是串行。1为并行，0 为串行； 本系统采用串行接口， 在SCLK 信号控制下从并行输入口D0～D1 写入48 bit 并行寄存器， 或在SCLK 控制下从串行输入口SDATA 写入48 bit 串行寄存器。发射机的软件流程图如图3 所示（ 注： 在发射机内部存储有3 幅图片） 。

图3 发射机流程图

　　2.2 接收机的软件设计

　　接收机不需要区分接收到的是英文字符还是汉字，故软件设计相对发射机来说较容易。同样， 开始对信号处理器以及外设进行初始化， 使其工作在等待信息接收状态， 此时， 只有接收机射频部分电路工作， 其他部件处于休眠模式。当接收机检查到有信息到来时， 通过中断唤醒控制器， 控制器再唤醒其他外设进行数据接收和处理。接收到的信息经信号处理器判断， 如果为字符（ 包括英文字符和汉字） ， 则控制LCD 进入字符模式， 进行字符的显示； 如果为图片， 则控制LCD 进入图片模式， 进行图片显示。接收机的软件流程如图4 所示。

图4 接收机流程图

　　3 系统测试结果

　　（1） 载波中心频率：发射机在2FSK 模式时，1 和0 所对应的两个频率分别为fH=30.003 000 MHz 和fL=29.997 000 MHz，系统在空闲时发射频率为30.000 000 MHz ， 故选取频率为30.000 000 MHz 为中心频率。

　　（2） 频率稳定度： 在单片机复位的前提下， 用频率计每隔2 min 测一次AD9854 的输出频率，共测5 次，如表1所示。根据测试结果计算：

表1 AD9854 输出频率测量值

　　频率稳定度＝最大频率偏差/中心频率＝（30.000 068-29.999 981）÷30.000 024＝0.000 087÷30.000 024＝2.9×10-6（3） 发射功率： 在发射功率级末端接50 Ω 假负载，用100 MHz 数字示波器测得发射信号的输出电压峰峰值VP-P， 据公式P=V2P-P/8RL， 得到发射功率值， 实验测得VP-P=2.98 V，P=V2P-P/8RL=22.2 mW。

　　（4） 传输速率： 发射机、接收机在通信距离为10 m 的情况下， 分别以1.2 kb/s 、9.6 kb/s 、57.6 kb/s 、115.2 kb/s的波特率传送5 次20 个汉字， 汉字错误率均为零。

　　（5） 图形传送功能： 发射机、接收机。发射机调用机内自带的三幅图形（ 分别为公鸡、小兔及西工大校徽） 以点阵的形式传送， 接收机能够不失真接收， 说明本系统具有图形的点阵传送功能。

　　本系统可以简单高效地进行无线数据传输， 是实现无线通信的一种简单可行的设计方案。经过系统测试，系统技术指标令人满意， 工作可靠。另外， 由于本系统采用DDS 来实现信号调制， 故可以比较容易地改变调制信号频率， 为实现跳频通信提供了方便。