Realizing MSK Modulation With AD9852
Abstract:This paper introduced the working principle of Minimum shift keying(MSK) and direct digital frequency synthesizer(DDS),and realized the MSK modulator by AT89C51 and AD9862,The result show that it’s feasible to realize the digital modulation meeting the needs of phase requirement using DDS technology.
Keyword:MSK(Minimum shift keying),DDS(Direct Digital Synthesis),Digital modulation,AD9852

摘　要：文章介绍了最小移频键控（MSK）调制以及直接数字频率合成器(DDS)的组成及工作原理，研制了基于AT89C51以及DDS芯片AD9852的MSK调制器，系统调试灵活方便，结果表明用DDS 方法实现对相位要求较高的数字调制是完全可行的。
关键词：最小移频键控  直接数字频率合成  数字调制  AD9852

前言
随着通信技术的快速发展,业务量急剧增加,频带资源日趋紧张；同时,由于电磁波恶劣的传播条件、快衰落的影响,使得接收信号的质量急剧下降，因而调制技术及调制信号应具有较强的抗干扰能力,信号占用带宽小,以提高频谱利用率,在有限的带宽内尽可能地提高传输数据的比特率,以适应通信系统的窄带数据高速传输的要求。基于这两方面的因素,最小移频键控（MSK）等现代数字调制技术在数字通信中得到广泛的应用。，
MSK（最小频移键控）是一种包络恒定，相位连续的数字信号调制方式，它的功率谱特征为主瓣带宽较窄，旁瓣滚降速度较快，带外辐射小，对临近频道干扰小，抗干扰能力强，误码率低。常规的模拟调制方法有正交法和基于声表面波器件的冲激法及转换法[1]，随着技术和器件水平的提高以及大规模集成电路的出现，直接数字频率合成（DDS）得到了飞速的发展，以其独特的优越性能和特点在现代频率合成中占有重要地位[2]。
一、 MSK调制原理
MSK是一种调制指数为ρ=0.5的恒定包络连续相位的频率调制。MSK已调信号表达式
  

常用的MSK信号的产生方法主要有基于声表面波滤波器的冲激法和转换法等。根据正交法调制原理，MSK信号可以看成余弦加权脉冲和正弦加权脉冲在TS时间段内的迭加结果，冲激法是将脉冲响应固化到声表面波滤波器中，只要用由基带信号控制的δ脉冲进行激励，就能输出所需的MSK信号。转换法先对基带信号作中心频率为f 1的PSK调制，然后通过冲激响应为 的滤波器就可输出MSK信号。
由于产生较理想的窄脉冲有一定难度，且滤波器的插入损耗较大；PSK调制过程的非理想且码元时间误差等影响，输出MSK信号有一定的寄生调幅，为了获得较好的MSK信号，还需要做限幅处理。为了克服这两种模拟调制方法的缺点，采用DDS调制方法。
二、 直接数字频率合成原理
直接数字频率合成器（DDS）是近年来迅速发展起来的新的频率合成方法，其主要优点有：频率捷变速度快、频率分辨率高、输出相位连续、可编程、全数字化便于集成等，目前使用最广泛的一种DDS频率合成方式是利用高速存储器将正弦波的M 个样品存在其中，然后以查找的方式按均匀的速率把这些样品输入到高速数/模转换器，变成所设定频率的正弦波信号。其基本原理如图1所示。
 

图中的参考频率源是一个高稳定度的晶振，其输出信号提供DDS中各部件同步工作。相位累加器将数字信号的相位按照给定增量（频率控制字）步进，并以此相位作地址去查询正弦波形存储器中的函数表，从而得到函数的幅度码，数字幅度码经过D/A转换成模拟阶梯信号，再经过低通滤波器平滑后得到所需的信号波形。
当频率控制字为FTW，参考频率为fsc，相位累加器位数为N 时，输出的信号频率为 。
理论上，DDS的最高输出频率可达参考源频率的一半。当FTW=1时，输出频率为DDS的频率分辨率 。
三、 MSK调制的AD9852实现方案
AD9852是AD公司采用先进的DDS 技术生产的具有高集成度DDS电路器件，内部包含高速、高性能D/A转换器及高速比较器，以形成可编程、可灵活使用的频率合成功能。外接精密时钟源时，AD9852 可以输出一个频谱纯净、频率和相位都可以编程控制且稳定性良好的模拟正弦波，该信号可直接作为基准信号源广泛地应用于通信、雷达及其他电子应用中。其内部框图如图2所示。
 
图2：AD9852内部框图
AD9852主要特性有：内含300MHz内部时钟；集成双12位D/A转换器；含有4～20 倍可编程参考时钟倍乘器；14位可编程相位寄存器；48位可编程频率寄存器，在300MHz系统时钟下输出频率的精度可达0.07Hz；可进行sin(x)/x校正；具有良好的动态性能，在100MHz输出时，DAC输出的抑制寄生动态范围(SFDR) 仍具有80dB；控制接口可选择串行或并行方式；具有单引脚FSK和PSK数据接口；多种调制功能。
从AD9852所具备的资源和功能来看， 产生MSK信号是比较容易的。MSK是FSK的一个特例， 所以需要将AD9852设置为FSK工作模式。在该模式下，AD9852的输出频率是频率控制寄存器1、2以及FSK 控制输入管脚状态的函数。当FSK管脚电平为低时选择f1(频率控制字1)，反之则选择f2。两个频率应严格符合MSK信号的要求，然后用对应的基带信号控制FSK频率切换管脚即可。根据DDS的特性，在切换时频率的变化是瞬时的，而新的输出频率相位累加起点则是前一频率的相位累加终点，所以输出信号在频率切换处的相位肯定是连续的，与MSK信号相位连续的特点相吻合。
设码源速率为5MHz，取fc=50MHz，则f1=51.25MHz，f2=48.75MHz。为了减少相位噪声，系统时钟频率一般要达到输出频率的3倍以上，即150MHz以上。为保证波形质量，AD9852系统时钟取280MHz，它是由器件内部锁相环把20MHz外部时钟进行14倍频来实现的。
AD9852的功耗较大， 如果开启所有的功能模块且工作在最高频率下， 电流消耗将超过1A ， 大大超出系统的负荷。为此在设计时作了一些折衷，在设定控制字时关闭了用于改善宽带输出频谱的反sinc滤波器和用于幅度控制的数字乘法器这两个功耗较大的功能模块。
需要说明的是，在进行系统设计时，必须注意以下问题。硬件方面：AD9852采用3.3V供电，和单片机之间应设置一电平转换电路；参考时钟可以单端输入，也可以差分输入，当DIFF/SINGLE SELECT（pin64）为高电平时，应该采用差分输入，当DIFF/SINGLE SELECT为低电平时，应该采用单端输入； AD9852采用高电平复位MASTER RESET（pin71）；当SERIAL/PARALLEL SELECT（pin70）为高电平时，工作于并行模式，当SERIAL/PARALLEL SELECT为低电平时，工作于串行模式；I/O UPDATE CLOCK（pin20）即可以内部生成，也可以外部输入，采用上升沿更新，内部生成该信号时，该脚输出更新时钟信号，可以作为外部同步之用。软件编程：系统上电复位后，首先单片机初始化，其次对AD9852初始化，主要包括SERIAL/PARALLEL SELECT，I/O UPDATE CLOCK（pin20）设置，控制寄存器、频率控制字、相位控制字的设置等。系统流程图如图3所示。
 

四、 结语
用DDS 方法实现MSK调制是完全可行的，DDS方法生成的MSK信号中f1、f2和基带信号是相互对应的。实验结果表明，用AD9852产生的MSK信号寄生调幅较小，主旁瓣比更接近理论值。本文创新点在于利用DDS芯片的优点如：配置灵活、 调试方便、误差小、更改载频和频偏容易等，来完成信号源设计，具有较强的实用价值。另外，通过设置AD9852的工作模式，还可实现QPSK、PSK、FSK、AM、FM等多种调制，尤其对相位要求较高的调制更为合适。专用DDS器件的优势是，可以在较宽的频率范围内产生多种调制信号(包括跳频信号)，如果采用高速DSP控制， 将非常适合软件无线电和可重构调制器应用。
参考文献：
1. 武建华等，用DDS方法实现MSK调制，遥测遥控[J]，2002年5月。
2. 彭文标等，基于DDS技术的信号源设计与实现[J]，微计算机信息，2007，7-2：271-272。
3. 刘红兵等，CPLD+DDS在调频连续波雷达中的应用[J]，微计算机信息，2006，8-2：191-193。
4. 宋文涛等，移动通信[M]，上海：上海交通大学出版社，1996。
5. 张伟，采用DDS+PLL技术实现的L波段频率合成器[J]，微计算机信息，2005年11月。
6. 刘伟等，基于DDS技术的通信信号源设计与实现[J]，电声技术，2004年第3期
7. CMOS MSPS Complete DDS AD9852，Analog Devices，Inc，2002.
作者简介：彭文标（1969-），男（汉族），湖北省天门人，三峡大学电气学院讲师，主要从事通信电子线路、信号与系统等课程的教学和科研工作。
通信地址：三峡大学电气信息学院   宜昌 443002