基于 AD9959 的 FM 及以下波段软件无线电发射系统

0 引 言

软件无线电系统基于软件定义无线电通信协议，而非使用硬件连线 [1]，打破了设备通信功能的实现仅仅依赖于硬件发展的格局 [2]。近些年，软件无线电已成为一个重要的研究课题 [3]。基于 ARM 和 DDS 搭建的软件无线电发射系统能够发挥 ARM 在嵌入式领域的优势 [4]，实现软件无线电通用性、灵活性、便于互联和升级的优势 [5]。

1 系统整体设计

本系统采用图 1 所示的 A/D-ARM-DDS 硬件架构，模块化设计，通过使用 DDS 保证输出信号的准确性和稳定性。系统各模块间采用高速通信方式进行数据传输。系统使用DMA 读取 STM32 内置 ADC 的数据，通过 SPI 总线将处理后的数据发送至AD9959。模块间的通信在定时器中断中进行。

2 系统模块简介

2.1 信号采集

信号采集部分由STM32内置ADC和外围偏置电路组成，系统对输入的信号进行单声道采样，采样频率为 25 kHz，满足调频广播 22 kHz 的要求 [6]。图 2 所示的偏置电路在信号输出端连接两个等值电阻 R1 和 R2，用于将输入的带有正负电压的音频信号偏置到 0 ～ 3.3 V。电阻阻值不宜过高，以免影响信号拾取 ；不宜过低，导致电阻电流过大，影响系统安全。

2.2 信号处理

STM32F103 内置 12 位逐次逼近型模拟数字转换器，采样分辨率为 12 bit，采样频率最高可达 1 MHz。系统通过STM32 内置定时器实现 25 kHz 的定时采样，即每隔 4 μs 采样一次，采样数据经 DMA 传输至 STM32 内存。AD9959 的串行 I/O 口提供了一个 SPI 操作模式，端口 SCLK 的最大速度为 200 MHz。本系统中，STM32 通过硬件 SPI 与 AD9959通信。配置硬件 SPI 工作在 2 分频状态，STM32F103 主频为72 MHz，可得 SPI 时钟频率为 36 MHz。每次更新 AD9959频率需传输 7 B 数据，由于

即系统可在 4 μs 的定时器中断间隙完成数据传输。

2.3 信号发射

信号发射部分由 AD9959 芯片和低通滤波电路组成。AD9959 由美国 ADI 公司生产，采用先进的 DDS 技术，可生成最高 200 MHz 的正弦波。其集成了四个高速 10 位 DAC，500 MSPS，具有优良的宽带和窄带 SFDR。每个通道有一个专门的 32 位频率调谐字，14 位相位偏移和一个 10 位幅度输出调节。AD9959 通道的输出频率（fout）可由式（1）得出 ：

式 中：fs 为系统时钟频率；FTW 为频率调谐字， 且0 ≤ FTW ≤ 231，相位累加器容量为 232。通过在 AD9959 的信号输出端连接 200 MHz 的低通滤波器将 DAC 输出信号中的部分高次谐波滤除，实现 FM 信号的生成。低通滤波器电路如图 3 所示。

2.4 调制参数计算

FM 调制是一种角度调制，其将基带信号的电压与调制信号的频率相对应 [7]。由于 AD9959 可以实现频率单独可控，且单独改变频率时信号的相位连续，所以在信号处理部分，系统通过公式（2）将输入电压转化为对应频率并由DDS生成，即可将输入信号转化为可被解调的 FM 信号。

式中：fFM为AD9959在当次ADC采样后需生成的正弦波频率； VADC 为 ADC 采样值。fFM，f 频偏和 f 载波的单位为 Hz。

3 软件设计

系统上电后开始工作，将输入信号调制到预定参数并发射。系统上电后首先通过公式（2）计算出 ADC 各量化值对应的调制后频率，并建立对应查询表。在完成初始化后，系统以 25 kHz 的频率进入定时器中断。在每次中断时 STM32通过查表将 ADC 转化为频率值，并通过 SPI 总线发送至AD9959 频率调谐寄存器，给 AD9959 对应引脚发送更新数据指令，AD9959 随即将发送的正弦波更新为相应频率，系统的载波频率可通过按键更改。系统流程如图 4 所示。

4 系统测试

系统采用 5 V/1 A 单电源供电，保证射频信号的功率处于安全范围内。将语音采集、信号处理、信号产生模块进行拼接，设置载波频率为 85.4 MHz，频偏为 75 kHz。系统工作后即可通过 FM 收音机在一定距离内收听到发射的音频。采用 TEA5767 芯片组成的 FM 收音机模块进行信号接收和解调，以验证无线电发射系统的性能。在信号输入端输入音频信号，对比原始信号和经 FM 调制并解调后的信号，可看到音频信号能够被较好地还原，即系统能够实现音频信号的 FM 调制。调制前和解调后的音频信号波形如图 5 所示。

之后，在系统的信号输入端加上不同频率的正弦信号，观察其解调后的波形。测试结果统计见表 1 所列。

系统的音频采样频率为 25 kHz，理论上可达到无线电广播的声音品质。在实际测试中，系统能稳定传输语音信号，对于高于 3 kHz 的信号误差相对增加，根据奈奎斯特采样定理，本系统可以采集 12.5 kHz 以下的音频信号。

5 结 语

本文主要介绍了利用 STM32+AD9959 的 FM 及其以下波段的简易软件无线电发射系统，经过测试表明本系统可以适用于 150 MHz 及以下频段的信号调制发射，获得良好的效果。