基于AD9854的MSK调制信号的产生

摘要：基于实现简单高效地产生MSK调制信号的目的，文中系统性地阐述了AD9854的工作原理、机制，探讨了采用AD9854产生MSK 调制信号相比传统方法的优越性。同时详细介绍了通过FPGA配置AD9854的方法，描述了硬件平台的搭建并且列出了所有需配置寄存器列表。将产生的 MSK调制信号连接至示波器和频谱仪，分别观测该方法产生的MSK信号。结果表明，输出电平达到-14 dBm，无杂散动态范围达到了60 dB，从而验证了该法产生MSK信号的正确性和优越性。

关键词：AD9854;MSK;FPGA;硬件平台;寄存器;无杂散动态范围

MSK是一种在无线移动通信中很有吸引力的数字调制方式，可以看成是调制系数为0.5的连续相位的FSK信号。相对于传统的FSK调制方式具有两个主要优点：一是MSK信号在带外产生的干扰非常小，这正是限带工作情况下所希望有的宝贵特点;二是信号包络是恒定的、相位是连续的，系统可以使用廉价高效的非线性器件。

传统的MSK调制方式与FSK调制方式类似，即用数字调制加DAC的方法实现信号频带从零频到中频的搬移。但在具体的硬件实现中，具有一定的难度。首先，在数字调制的过程中，我们要花费一定的代价来保证输出MSK信号的相位连续性;其次，如果产生的调制信号为高中频信号，那么要保证信号的指标是很有难度的，要在电路PCB设计上考虑高速走线的干扰、衰减、反馈以及电磁兼容性等一系列问题。

ADI公司推出的集成DDS芯片AD9854能够将数字基带信号直接调制和上变频，而且还能够在芯片内部实现相位连续，不但大大地降低了信号调制难度，还有效地保证了信号的良好指标。因此，与传统的MSK调制方式相比，具有一定的优势。

1 AD9854简介及应用

AD9854是ADI公司推出的一款高性能DDS芯片，采用先进的DDS技术，内部耦合两组高速高性能正交D/A转换器和一组高精度比较器。只要外部提供稳定高质量的时钟源，AD9 854就会产生高稳定性的幅度、频率以及相位可编程的正弦和余弦输出信号。AD9854提供48位的可编程频率字寄存器，支持1 MHz的频率步进、17位的可编程相位字寄存器确保了极佳的SFDR性能。AD9854支持灵活的时钟系统，可以允许单端或差分的时钟输入，支持可编程的 4倍到20倍的内部时钟倍频器，芯片内部可产生的最高时钟频率可以达到300MHz。芯片采用0.35μm的CMOS工艺，支持单端3.3 V供电。

由于AD9854支持FSK调制方式，实际上我们所需要的MSK信号就是一种特殊的正交FSK信号，其特殊性在于其两组频率之间的差值是满足这两组频率正交性的最小频差。值得注意的是，MSK信号的相位是连续的，在调制的过程中我们为了保证产生的MSK信号的相位连续性需要加入相位常量，这将增加MSK调制系统的复杂性。而AD9854芯片的优势之一就是芯片输出信号的相位是连续的。因此，采用AD9854来产生MSK信号将大大地降低系统的复杂性。

1.1 FPGA配置

在实际运用中，需要AD9854产生符合要求的MSK信号，则要采用FPGA对AD9854进行配置。FPGA与AD9854硬件连接如图1所示，图中管脚定义如表1所示。

 

当把硬件电路搭建完毕之后，就可以使用FPGA去配置AD9854中的寄存器以实现AD9854的相应功能，以使AD9854产生MSK信号。

对于MSK信号，其两组频率相互正交，其频差△f=f2-f1=1/2Tb，即调制指数h为：

由式(5)可以看出，为了保证相位的连续性，在本比特区间所加的相位常量不仅与本比特区间的输入有关，还与前一个比特区间内的输入及相位常数有关，这将大大增加了非AD9854方法产生MSK信号的难度。但是在第1节提到AD9854芯片本身就可以保证输出信号相位的连续性，因此在本系统设计中，不需要考虑MSK信号的相位连续问题。

本系统中AD9854产生的MSK信号的参数如表2所示。

根据式(3)，得到MSK信号的两组频率为：

1.2 AD9854寄存器

AD9854拥有很高的可操作性，它拥有39个可配置寄存器，可以根据用户要求对频率、相位、幅度、时钟等参数进行配。AD9854所有需要配置的寄存器如表3所示。

2 实验结果

根据本文提出的MSK信号生成方法生成MSK信号，用示波器观测生成信号如图2所示，用频谱分析仪观测生成信号频谱如图3所示。

系统中MSK信号两组频率的频差只有100 Hz，因此，MSK的时域波形类似于正弦波如图2所示。从示波器中的波形可以看出该法生成的MSK信号包络恒定、相位连续，稳定无抖动。

用频谱仪观测的MSK信号频谱，可得输出中心频率为300KHz，输出电平为-14dBm，无杂散动态范围达到60dB，满足指标要求。

3 结论

文中我们利用FPGA来配置AD9854产生MSK信号，并在软件和硬件的层面给出了设计方案。实验结果证明采用本文方法产生的MSK信号指标优良，效果良好。因此，文中为现代数字通信系统中的MSK数字调制提供了一种新颖、有效的方法。