摘  要： 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。
關鍵詞： 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。

    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。

    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）。

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。

    (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。
    (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。
參考文獻
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[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.