利用DDS实现CDMA/FH扩频----刘彤

利用DDS实现CDMA/FH扩频----刘彤

摘要  本文阐述了跳频扩频的基本原理，进而提出了一种利用直接数字频率合成（DDS）
      实现 CDMA／FH的方法，最后给出了实验电路及测试结果
关键词  扩频  码分多址  跳频  直接数字  频率合成  数模变换
    在移动通信等视距微波数据无线通信中，多径衰落非常严重，深度衰落会引起远距
离通信的突发错误。为了减缓其有害影响，人们提出一种扩频调制解调技术，它的主要
特点是：发送信号时所占用的频带比发送数字信息时所需的最小频带大得多。因此基本
上可以解决脉冲噪声阻塞和低探测概率两个重要的通信问题。
    扩频有直接序列码分多址（CDMA／DS）和跳频码分多址（CDMA／FH）两种方法。
1  CDMA／FH技术
    所谓跳频，就是发端在扩频码（PN码）的控制下，周期性地改变传输信号的载波频
率；在收端，有一与发端同步跳动的本地振荡源，接收信号与本地振荡信号混合则可恢
复发端所传输的信号（解跳）。
    目前，跳频系统常见的数据调制方式是MFSK。如图1所示，二进制数据经串／并变
换，送到数据调制器进行MFSK调制，产生M个小间隔的频偏，再与本地跳频频率合成
器产生的跳频信号相乘，将频谱搬移到载波频率上。其中跳频频率合成器受PN码的控
制，产生大频率间隔跳动的载波频率。
    接收机有一个与发射机同步跳动的跳频频率合成器，其输出频率信号与接收信号相
乘，将接收信号频谱从载波频率恢复（解跳），从而得到M级FSK信号，再送到数据解调
器进行解调，并通过并／串变换，转为二进制数据。
    要实现发端与收端同步跳动，收端必须要有与发端相同的扩频码，换句话说，只有
具有相同扩频码的接收端，才能正确地解跳发端的信号。从这一角度来讲，可将扩频码
看作地址码，只有当地址码相同时，发端与收端才能进行通信，故称为码分多址（CDMA
）。
    假定每过Tc秒，跳频频率合成器就将数据调制器的输出转换到另一个载波频率上，
而每过Ts秒，数据调制器则在该载波频率的基础上，产生小间隔的频偏。当Tc＜Ts或跳
频速率高于1000跳／秒时，FH系统称作快速跳频系统。
    如图2所示，MFSK调制器可产生4个频偏，即输出4个频率中的一个，每一频率又被
划分为2个片断。每过一个片断，MFSK调制器的输出就跳到另一个不同的载波频率（跳
频带）上。
    在快速跳频系统中，跳频带在输出每个符号时可以改变多次（图中为2次），因此
在每个传输的信号上都可看到频率分集增益。
2  快速跳频的具体实现——直接数字频率合成
    直接数字频率合成器（DDS）具有一系列优良性能：可获得精细分辨率、频率转换
速度快（仅限于器件的响应速度）和转换频率时相位连续等，因此可用DDS来实现快速
跳频。
2.1  DDS内部结构和工作原理
    图3是双直接数字频率合成器框图，内部由两个互相独立的DDS组成。两个DDS共用
同一个接口，微处理器可以通过这个接口对其进行控制。每个DDS都有两个相位增量寄
存器（PIR A和PIR B），用来存放相位增量值。在外部信号EXT MUX的控制下，相位累
加器从PIR A和PIR B中选取一个输出，并将所选取的32位相位增量值和累加器本身的相
位值相加，所得相位总和作为累加器本身的新相位值储存起来，并为下一次累加做准
备。每过一个系统周期，相位累加器便进行一次累加，所得到的相位总和中只有16位高
位部分作为有效相位部分，送往正弦查寻功能器进行查寻，并产生12位数字化正弦波输
出值。最后，这12位数值再送到数模变换器（DAC）和低通滤波器(LPF），得到正弦波
输出，如图4所示。
2.2  实现方法
    1．数字部分
    （1）相位增量值的输入
    如果要使DDS输出某一频率F0，相位增量寄存器中必须存放有与这一频率相对应的
相位增量值。设系统的时钟频率为Fs，则它们的换算关系为：F0=Fs·非／2k。
    其中，K是相位增量的位数，在这里K＝32。由该式可见，当系统时钟频率FS选定后，
与所要产生的频率F相对应的相位增量非可以经计算得出。例如，当Fs=30MHz，7.5MHz）
（2的32次方）／30MHz=2的30次方＝ 40 000 000（H）也就是说，将32位二进制数值非
写入相位增量寄存器（PIR）后，便可产生与该非对应的频率7.5MHz。
    由于PIR是32位寄存器，对应于4个地址，每个地址可存放8位。只要使用微处理器的
写操作，便可完成上述PIR赋值任务。
    （2）置位与触发
    加电后，相位累加器中的相位值是随机的，必须对其进行置位操作，通过置位寄存
器可以完成这一任务。在置位寄存器中写入任意值，当下一个跳频时钟触发时，累加器
便置零。如果不使用跳频时钟，跳频时钟寄存器也可通过写入任意值来实现触发功能。
    由此可见，要使DDS输出所需要的频率，首先应向相位增量寄存器输入与所需频率对
应的相位值（32位），然后通过向相位增量寄存器中写入任意值来触发，或者直接利用
跳频时钟的上升沿来触发该频率的产生。
    2．模拟部分
    由于DDS输出的是12位数字化正弦波，所以必须经过数模转换，才可得到模拟正弦波。
在该正弦波中，有许多谐波分量，频谱杂散很高，因此必须使用低通滤波器将这些杂散
分量滤除。
    （1）数模转换（DAC）
    从理论上讲，数模转换器输入位数越多，输出的波形也就越纯正，所以应采用12位的
数模转换器，以便充分利用DDS输出的12位数值。
    这里采用了AD公司的AD9721双列直插芯片。该芯片的取样速率为100MS／S，可接收10
位的TTL电子输入值。这些电平输入值在时钟上升沿到来之际，送到电流切换网，转换成
与之在数值上相对应的两个形式上互补的电流Iout和Iout’，通过阻性负载，这两个电流
可换算成电压，从而完成数模转换。
    （2）低通滤波器
    由于DDS输出的谐波分量较丰富，再加上数模转换器的非线性等因素，致使DDS输出的
杂散很高，这就需要使用低通滤波器将这些杂散滤除。
    一般情况下，滤波器分为三种类型；最平坦型、切比雪夫（等波纹）型和椭圆（双等
波纹）型。其中椭圆型滤波器不仅在通带和阻带内都具有均匀的衰减特性，而且其通带与
阻带之间的过渡带曲线非常陡峭，可以滤除离通带很近的杂波。
    图5为派型低通椭圆滤波器的网络结构，其输人端由一个单电容开始，输出瑞由一个
单电容结束，总臂数为（2M＋1）。如果给定通带内最大衰减An、阻带内最小衰减An和选
择性因子k，则可确定滤波器的阶数m它们之间的关系可用下式表示：
    通过通带上限频率fp和阻带下限频率fs，可以确定选择性因子：k=fp／fs。
3  实验电路和测试结果
    该频率合成器的频稳度＜=0.5X10(负6），在偏离主频1kHZ处，-80dBC／ HZ。杂散分
量最大值位于18MHZ处，约为-60dBC。跳频速度约3000跳／秒（取决于单板机时钟频率）。
    总之，在数字卫星通信、移动通信、跳频抗干扰等领域，CDMA／FH有着广阔的应用前
景。对此项技术的深入研究，必将会推动通信事业的发展，使之达到一个新的水平。