基于DDS的GMSK调制器研究.doc

1、海军航空工程学院本科毕业设计 基于的调制器研究基于的调制器研究 设计者：李斌，电子信息工程专业 指导者：李廷军，405 教研室 摘要摘要 直接数字频率合成(DDSDigital Direct Frequency synthesis)是一种 新的频率合成方法，是频率合成技术的革命，随着数字集成电路和微电子技术 的发展，DDS 技术日益显露出它的优越性。直接数字频率合成器是一种全数字 化的频率合成器，由相位累加器、波形 ROM、D/A 转换器和低通滤波器构成， DDS 技术具有频率分辨率高、频率切换速度快、频率切换时相位连续、输出相 位噪声低和可以产生任意波形等优点。由于上点，DDS 技术可被用于

2、雷达、通 信、电子对抗和仪器仪表等领域。 论文研究了 DDS 技术，推导了直接数字频率合成器的数学综合，在理想的 条件下分析了直接数字频率合成器的频谱特性，给出了直接数字频率合成器输 出信号的时域表达式，对相位截断误差和幅度量化误差的频谱特性进行了分析， 并推导出了杂散功率的计算公式，对 DAC 误差进行了分析，并提出了几种抑制 DDS 杂散的措施。 最小高斯频移键控(GMSK)是一种典型的连续相位调制方式，具有包络恒定、 频谱紧凑、抗干扰能力强等特点，可有效降低邻道干扰，提高非线性功率放大 器的效率，已在移动通信（如 GSM 系统） 、航天测控等场合得到广泛应用。传 统方法设计的 GMSK

3、调制解调器不能很好满足全数字化接收机可编程、多模式 等需要。论文还重点研究利用全数字化技术设计 GMSK 调制解调器，以便更广 泛地使用 GMSK 调制解调技术。还研究了 GMSK 调制方式的特点及性能；设计了 基于 DDS 技术的 GMSK 调制的软硬件实验电路。 关键字：直接数字频率合成，高斯最小频移键控，杂散信号，相位截断 海军航空工程学院本科毕业设计 ABSTRACT The Direct Digital Frequency Synthesis (DDS) is a kind of new frequency synthesis method and also a revolution

4、 in the frequency synthesis techniques. With the development of digital integrated circuits and microelectronic techniques，DDS exhibits its advantages day by day. The direct digital frequency synthesizer is a kind of fully digitized frequency synthesizer，which consists of the phase accumulator，the s

5、ine look-up table，the digital to analog converter and the low band filter. It is of high frequency resolution，fast frequency switching speed，low phase noise，the ability to switch frequencies while maintaining constant Phase，and the ability to producing arbitrary waveforms. Because of above features，

6、DDS can be used in such fields as radar，communications，electronic warfare and electronic measurement instruments. Minimum Gaussian frequency shift keying (GMSK) is a typical continuous phase modulation method, which has the characteristics of constant envelope, compact spectrum, and anti-jamming per

7、formance. GMSK can effectively reduce inter-channel interference, improve the efficiency of non-linear power amplifier, and has been widely used in mobile communications system (such as GSM system) and others systems. The modulator and demodulator designed in traditional method cannot meet the need

8、of programmable, multi-mode for all digital receivers. KeyKey wordswords: DDS; Gaussian Minimum Shift Keying; Spurious Signal; Phase 海军航空工程学院本科毕业设计 truncation. 目目 录录 第一章：前言第一章：前言 .2 2 1.1论文的实际意义 .2 1.2目前的研究现状 .3 1.3本论文的主要内容 .4 第二章：第二章：DDSDDS 的基本理论知识的基本理论知识 .5 5 2.1 DDS 的概述.5 2.2 DDS 的产生原理.6 2.2.1 DD

9、S 的数学综合.6 2.2.2 DDS 的数学模型.9 2.2.3 DDS 技术的工作原理 .10 2.3 理想情况下 DDS 输出频谱特性.12 2.4 DDS 的技术特点.14 2.5 DDS 输出信号频谱杂散特性分析.15 2.5.1 相位截断误差分析 .15 2.5.2 幅度量化误差分析 .18 2.5.3 DAC 转换误差分析.19 2.5.4 DDS 杂散的抑制方法及分析 .19 第三章：第三章：GMSKGMSK 调制的产生调制的产生 .2222 3.1 现代数字调制技术简介.22 3.2 GMSK 的概述.23 海军航空工程学院本科毕业设计 3.3 GMSK 调制方式的原理及特点

10、.24 3.3.1 GMSK 调制的基本原理.24 3.3.2 GMSK 调制的特点.28 3.4 GMSK 信号的频谱特性.30 3.5 GMSK 的误码率.31 第四章第四章 基于基于 DDSDDS 技术的技术的 GMSKGMSK 设计与实现设计与实现 .3232 4.1 GMSK 的硬件设计.32 4.2 GMSK 的软件设计.36 4.3 为什么要选用 GMSK 作为调制方式.39 致致 谢谢 .4040 参考文献参考文献 .4141 毕业设计感想毕业设计感想 .4343 海军航空工程学院本科毕业设计 第 1 页 共 44 页 第一章：前言第一章：前言 1.11.1论文的实际意义论文的

11、实际意义 1971 年，美国学者 J.Tierney 等人撰写的A Digital Frequency Synthesizer中，首次提出了以全数字技术、从相位概念出发直接合成所需 波形的一种新的合成原理。限于当时的技术和器件生产条件，它的性能指标尚 不能与已有的技术相比，故未受到重视。随着通信、电子及微电子技术的迅速 发展，直接数字频率合成技术（Direct Digital Frequency Synthesis 简称 DDS 或 DDFS）得到了飞速的发展，具体体现在：相对带宽宽、频率转换时间短、 频率分辨率高、输出相位连续、可产生宽带正交信号及其他多种调制信号、可 编程和全数字化、控制灵

12、活方便等方面，并具有极高的性价比。 从学术价值来看，直接数字频率合成技术发展到现在，合成信号频率的精 确度和频谱的纯度仍然是其今后发展的主要方向。而这方面性能指标的提高， 可以从两个方面进行，一是提出更加先进的设计思想和设计理论，发展更加先 进的生产工艺，由芯片厂家开发、生产出性能更完善的 DDS 芯片，二是对于已 有成品的 DDS 芯片，设计完善的工作软件和抗干扰、抑制杂散的外围电路。 本文选择利用已有的 DDS 芯片设计高性能的直接数字式频率合成器作为研 究的主要内容，最终研发出一种以简单、廉价器件构筑，并能够得到高精度、 高纯度的合成频率信号的实用频率合成器。目前美国 HP 和 AGLI

13、ENT 公司生产 的频率综合器被广泛应用于国内的各相关领域，但它们价格昂贵，操作复杂。 如果通过本论文的工作，能够在某些工作领域用本文研究的仪器取代它们，将 具有重要的实际意义。 海军航空工程学院本科毕业设计 第 2 页 共 44 页 1.21.2目前的研究目前的研究现状现状 目前，在无线通讯领域，频谱的资源越来越少，所以怎样合理的利用频谱 资源越来越受到各个国家的重视，为了能合理的分配频谱资源，很多国家提出 很多不同的调制方式。从携带信息的载波参量角度，可以分为幅移键控(ASK)、 相移键控(PSK)、频移键控(FSK) 、正交幅度调制(QAM)等；从调制电平数目出 发，可以分为二进制调制与

14、多进制调制；从信号相位路径的连续性出发，可以 分为连续相位调制与不连续相位调制；从各个符号间隔波形之间的相关性，可 以分为无记忆与有记忆调制；从包络的起伏状况来看，可分为恒定包络和非恒 定包络调制。其中，GMSK 作为一种高效的数字调制技术，是由 OQPSK（偏移四 相相移键控） 、MSK（最小移频键控）演变而来的一种简单的二进制调制方法。 比较常用数字调制的技术有四相相移键控(QPSK)、偏移四相相移键控 (OQPSK)、正交幅度调制(QAM)、最小移频键控(MSK)、高斯滤波最小移频键控 (GMSK)、正交频分复用调制(OFDM)等等。QPSK 是一种四进制的相位键控调制 方式，可以看成是

15、两正交的二相调制合成，把相继码元的四种组合 （00、01、10、11）对应于载波的四个相位（0、/2、） 。OQPSK 是 QPSK 的一种改进。它是一种恒定包络调制,避免了带外干扰,有较高的频谱利用率。 QAM 是用数字信号去调制载波的幅度和相位，使载波的幅度和相位受控于数字 信号。常用有 16QAM、32QAM、64QAM 等，这种调制由于载波的幅度和相位都带 有信息，所以它比 QPSK 方式所能传输的数码率高。 l979 年由日本国际电报电话公司提出了 GMSK（高斯滤波最小频移键控） 调制方式，它是利用高斯低通滤波器对基带信号进行这种预处理的。GMSK 作 为一种高效的调制技术，是从

16、OQPSK，MSK 调制的基础上发展起来的一种数字 调制方式，GMSK 的很多方面都优于 OQPSK 和 MSK，比如频带更窄，频谱更平滑， 邻道干扰小，有较好的功率频谱特性，较优的误码性能，实现起来更简单，抗 海军航空工程学院本科毕业设计 第 3 页 共 44 页 干扰能力更强。其特点是在数据流送交频率调制器前先通过一个 Gauss 滤波器 (预调制滤波器)进行预调制滤波，以减小两个不同频率的载波切换时的跳变能 量，使得在相同的数据传输速率时频道间距可以变得更紧密，因此 GMSK 信号 比 MSK 信号具有更窄的带宽。由于数字信号在调制前进行了 Gauss 预调制滤波， 调制信号在交越零点不

17、但相位连续，而且平滑过滤。GMSK 调制的信号频谱紧 凑、误码特性好，在数字移动通信中得到了广泛使用。高斯最小频移键控 (GMSK)由于带外辐射低因而具有很好的频谱利用率，其恒包络的特性使得其能 够使用效率高的 C 类放大器。这些优良的特性使其作为一种高效的数字调制方 案被广泛的运用于多种通信系统和标准之中。 1.31.3本论文的主要内容本论文的主要内容 论文分为三大部分，第一部分讲解 DDS 的基础理论知识、第二部分讲解 GMSK 调制的基础理论知识、第三部分讲解调制的开发过程。 海军航空工程学院本科毕业设计 第 4 页 共 44 页 第二章：第二章：DDSDDS 的基本理论知识的基本理论知

18、识 2.12.1 DDSDDS 的概述的概述 DDS（Direct Digital Frequency Synthesis 简称 DDS 或 DDFS）即直接数 字式频率合成器,它是一种新型的先进的频率合成技术,随着数字信号处理和数 字集成技术的发展以及各种新型器件的不断涌现,直接数字式频率合成技术在 近几年得到了迅速的发展和广泛的应用,它采用全数字技术,具有相对带宽宽、 频率转换时间短、频率分辨率高、输出相位连续、可产生宽带正交信号及其他 多种调制信号、可编程和全数字化、控制灵活方便等方面，并具有极高的性价 比，将其应用与通讯系统和其它电子设备中可以大大简化系统,降低成本并提 高系统的可靠性

19、和其他性能。 运用 DDS 技术生产的 DDS 任意波形信号发生器是较新的一类信号源，并已 经广泛投入使用。它不仅能产生传统函数信号器能产生的正弦波、方波、三角 波、锯齿波，还可以产生任意编辑的波形。由于 DDS 的自身特点，还可以很容 易的产生一些数字调制信号，如 FSK、PSK 等，一些高端的信号发生器甚至可 以产生通信信号。同时输出波形的频率分辨率、频率精度等指标也有很大的提 高。除了在仪器中的应用外，DDS 在通信系统和雷达系统中也有很重要的用途。 通过 DDS 可以比较容易的产生一些通信中常用的调制信号如 FSK、BPSK、QPSK。DDS 还可以产生两路相位严格正交的信号，在正交调

20、制和 解调中得到了广泛的应用，是一种很好的本振源。在雷达中通过 DDS 和 PLL 相 结合可以产生毫米波线性调频信号，DDS 移相精度高、频率捷变快等优点在雷 达系统中也可以得到很好的发挥。 海军航空工程学院本科毕业设计 第 5 页 共 44 页 2.22.2 DDSDDS 的产生原理的产生原理 2.2.12.2.1 DDSDDS 的数学综合的数学综合 设有频率为 f 的余弦信号 S(t)： S(t)=cos(2ft) （2-1） 现以采样频率 fc对该信号进行采样，得到离散序列为： S(n)= cos(2fnTc) n0，1，2（2-2） 其中 Tc =1/fc为采样周期。 式（2-2）所

21、对应的相位序列为 (n)= 2fnTc n0，1，2（2-3） 该相位序列的显著特性就是线性，即相邻样值之间的相位增量是一常数， 且仅与信号频率 f 有关，即相位增量为 (n)= 2fTc （2-4） 因为我们感兴趣的频率 f 和参考源频率 fc之间满足以下关系: f /fc= K/ M （2-5） 其中 K 和 M 均为正整数，所以相位增量可写为 (n)= 2K/M （2-6） 由上式可知，若将 2 的相位均匀量化为 M 等份，则频率为 f =Kfc/M 的余弦信号以频率 fc采样后，其量化序列的样本之间的量化相位增量为一不 变值 K。 根据以上原理，如果我们用不变量 K 构造一个量化序列

22、(n)=nK n0，1，2 （2-7） 海军航空工程学院本科毕业设计 第 6 页 共 44 页 然后完成(n)到序列S(n)的映射，即 S(n)=cos(2(n)/M) = cos(2n K/M) =cos(2fn Tc) （2-8） 上式是连续时间信号 S(t)经采样频率为 fc采样后的离散时间序列。根据采 样定理，当 f/fc=K/M=f0/40%=l.75MHz；考虑到最强杂散干扰出现在约 fc60%=l.05MHz 处，进行 低通滤波处理比较困难。因而，本设计参考时钟选择 20MHz 有源晶振，出现最 大的杂散频率为 f=fc-f0=19.3MHz，远大于输出频率，易于设计低通滤波器滤

23、除 干扰。 为了有效滤除 DDS 杂散干扰信号，在 AD985O 的输出端还设计了有源低通 滤波器。根据以上分析，截止频率应在 11.5MHz 之间。在设计有源低通滤波 器时，选择 OPA655 作为低通滤波器中的运算放大器。OPA655 具有 400MHz 的 单位增益带宽；较低的输入偏置电流(5pA)；很高的输入阻抗(1012)；失真 低以及高输出电流等特点。OPA655 的特点满足本设计的要求，同时本设计选 择同相放大方式以提高输入阻抗，降低的输出阻抗。 有源低通滤波器原理如图 3-7 所示。 图 3-7 有源滤波器原理图 当 C1=C2=C，R3=R4=R 时，截止频率 f0由下式确定

24、: 海军航空工程学院本科毕业设计 第 34 页 共 44 页 取 R1=lk，C=100pF，R2=2R1，得到 f0= 1.125MHz，这样可以滤除大部分 干扰。 4.24.2 GMSKGMSK 的软件设计的软件设计 GMSK 调制技术的软件设计包括高斯滤波算法设计和 GMSK 调制程序设计。 1.高斯滤波算法设计 GMSK调制的高斯滤波器设计是采用波形存储法思想，利用单片机的内部 ROM资源通过软件来实现。基于上面的设计方案，本设计选择L=3，N=8 的波形 存储法来模拟高斯滤波器的过程，通过计算机仿真得到高斯滤波器的波形的采 样值，然后存储于单片机的ROM中，换算成相应的频率控制字，通

25、过PO口送到 AD9850。 波形存储表的建立如图 3-8 所示。 海军航空工程学院本科毕业设计 第 35 页 共 44 页 图 3-8 波形存储实现流程图 频率控制字的根据式: 由所要输出的频率 f0直接转换得到。具体转换关系为: 不同的 BbTb、L、N 对应于不同的 g(t)，通过计算可以形成多个波形存储 表。 2.GMSK 调制的程序设计 根据 AD9850 并行方式控制字要求，40bit 数据要分 5 次送，第一个控制 W。的高 5 位是相位控制字，设计初相为 00；低 2 位是选择工作方式，一般写 成 00； Power-Down 取 0；则o=00H。整个设计流程如下图所示。 图

26、 海军航空工程学院本科毕业设计 第 36 页 共 44 页 AD9852 时序的关系通过软件实现。假定将 DDS 控制字从高至低存放于 30H 至 34H 中，发送控制字的主程序如下: MOV RO，#05H MOV RI，#30H MOV OPTR，#2400H DD: MOV A，R1 MOVX DPTR，A INC R1 DJNZ RO，DD MOVX A，DPTR END 软件实现AD9850 并行方式的时序是利用单片机的外部数据存贮器的读写 指令MOVX来产生读(RD)、写(WR)有效信号，并通过与非逻辑电路产生W-CLK和 FQ一UD有效信号。 4.34.3 为什么要选用为什么要选

27、用 GMSKGMSK 作为调制方式作为调制方式 因为当时，输出为方波。当时带宽就越窄 GMSK 的频谱 bb B T 0.7 bb B T 特性比 MSK 信号有优良的频谱特性。当时，输入带宽的脉冲被展为0.25 bb B T b T 宽度等于的输出脉冲，影响了前后各一个相邻的码元，反过来，前后各一3 b T 个码元也影响了当前码元。 海军航空工程学院本科毕业设计 第 37 页 共 44 页 致致 谢谢 经过一个多月的忙碌，毕业设计已经顺利完成。通过这次毕业设计，令我 感受颇深，同时也使我受益匪浅。作为一个本科生的毕业设计，由于知识的匮 乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有教员的督促指导以

28、及同学们的支 持，想要完成这个设计是难以想象的。在此要感谢405教研室的全体教员，感 谢你们在毕业设计期间给予的大力支持和无私帮助，尤其要感谢李廷军教员， 感谢他在这段时间中对我的悉心指导。在此期间，李教员付出了很多心血，做 了很多的工作，给我们提供了很好的学习机会。在李教员的带领下，我最终顺 利完成了毕业设计。他表现出的那种严谨治学、认真负责的工作态度令人钦佩 和感动。 还要感谢大学四年来所有的老师，为我们打下电子信息专业知识的基础； 同时还要感谢所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励，此次毕业设计 才会顺利完成。 在此期间，我也学到了许多以前在课本中未学到的知识。这不仅使我的知 识面又

29、广了许多，同时我的视野也拓宽了，更重要的是使我看到了自己的不足。 在李教员的耐心指导下，我得以一一弥补，这为我以后走上工作岗位，能经得 起挑战创造了资本。 最后再次感谢405教研室的全体教员。 海军航空工程学院本科毕业设计 第 38 页 共 44 页 参考文献参考文献 【1】王建新. 直接数字频率合成技术及其应用研究. 南京理工大学 1999 【2】乐翔，秦士. 直接数字频率合成信号的杂散性能分析. 清华大学学报(自然科学版) 【3】南京理工大学硕士学位论文 直接数字频率合成技术及其杂散分析 【4】王建新. 直接数字频率合成中的相位截断误差分析. 电子测量与仪器学 报 【5】郭崇贤. DDS技

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