引言
在數(shù)字信息傳輸中，基帶數(shù)字信號通常要經(jīng)過調(diào)制器調(diào)制，將頻率搬移到適合信息傳輸?shù)念l段上。2FSK就是用數(shù)字信號去調(diào)制載波的頻率（移頻鍵控），由于它具有方法簡單、易于實現(xiàn)、抗噪聲和抗衰落性能較強等優(yōu)點，因此在現(xiàn)代數(shù)字通信系統(tǒng)的低、中速數(shù)據(jù)傳輸中得到了廣泛應(yīng)用。
直接數(shù)字頻率合成技術(shù)(DDS)將先進的數(shù)字處理技術(shù)與方法引入信號合成領(lǐng)域。DDS器件采用高速數(shù)字電路和高速D/A轉(zhuǎn)換技術(shù)，具備頻率轉(zhuǎn)換時間短、頻率分辨率高、頻率穩(wěn)定度高、輸出信號頻率和相位可快速程控切換等優(yōu)點，可以實現(xiàn)對信號的全數(shù)字式調(diào)制。
DDS芯片——AD9833的介紹
AD9833是一塊完全集成的DDS芯片，僅需要1個外部參考時鐘、1個低精度電阻器和一些解耦電容器就能產(chǎn)生高達12.5MHz的正弦波。除了產(chǎn)生射頻信號外，該電路還廣泛應(yīng)用于各種調(diào)制解調(diào)方案，這些方案全都用在了數(shù)字領(lǐng)域。
AD9833的內(nèi)部電路包括數(shù)字器件和模擬器件兩部分。主要由相位累加器（由加法器和相位寄存器組成）、ROM波形查詢表、數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC和低通濾波器LPF構(gòu)成。AD9833的基本結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。其中M為頻率控制字、FMCLK為時鐘頻率，相位累加器在時鐘FMCLK的控制下以步長M作累加，相位寄存器的輸出與相位控制字相加后輸入到正弦查詢表地址中。正弦查詢表包含1個周期正弦波的數(shù)字幅度信息，每個地址對應(yīng)正弦波中0°~360°范圍內(nèi)的1個相位點。查詢表把輸入的地址相位信息映射成正弦波幅度的數(shù)字量信號S(n)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)化器變成階梯波S(t)，再經(jīng)低通濾波器平滑后就可得到合成的信號波形。其形狀取決于波形ROM中存放的幅碼，因此用DDS可以產(chǎn)生任意波形。輸出正弦波頻率為：fOUT=M(fMCK/228)，其中，M為頻率控制字，由外部編程給定，其范圍為0≤M≤228-1 。
硬件電路連接
本設(shè)計用Silicon Labs公司推出的完全集成的混合信號片上系統(tǒng)C8051F060來控制AD9833，C8051F060有大量的數(shù)字資源需要通過4個低端I/O端口P0、P1、P2和P3才能使用。P0、P1、P2和P3的每個引腳既可定義為通用的端口I/O引腳，又可以分配給一個數(shù)字外設(shè)或功能（例如：UART0或INT1）。不管引腳被分配給一個數(shù)字外設(shè)或是作為通用I/O，總是可以通過讀相應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器得到端口I/O引腳的狀態(tài)。
AD9833與單片機C8051F060連接時，使用單片機的3個I/O口和AD9833連接。FSYNC(控制輸入，低電平有效)與單片機的可編程管腳P0.7連接，SCLK(串行時鐘輸入)與可編程管腳P0.4連接，SDATA(串行數(shù)據(jù)輸入)與可編程管腳P0.5連接。三個可編程管腳都可用軟件編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送。硬件電路連接如圖2所示，單片機產(chǎn)生控制信號和波形參數(shù)，通過串行接口將數(shù)據(jù)傳送到AD9833，經(jīng)AD9833輸出的正弦波信號再經(jīng)低通濾波后輸出。
軟件控制
寫數(shù)據(jù)到控制寄存器
單片機傳送數(shù)據(jù)到AD9833的時序如圖3所示：FSYNC引腳是使能引腳，電平觸發(fā)方式，低電平有效。進行串行數(shù)據(jù)傳輸時，F(xiàn)SYNC 引腳必須置低，這種情況下，16個SCLK的下降沿數(shù)據(jù)被送到AD9833的輸入移位寄存器。在第16個SCLK的下降沿FSYNC可以被置高，當然，也可以連續(xù)加載多個16位數(shù)據(jù)，僅在最后一個數(shù)據(jù)的第16個SCLK的下降沿時將FSYNC置高。需要注意的是，在FSYNC開始變?yōu)榈颓埃磳㈤_始寫數(shù)據(jù)時)），SCLK必須為高電平。
單片機寫16位數(shù)據(jù)到AD9833時，高位在前，低位在后。用軟件模擬時鐘信號和片選信號。傳送數(shù)據(jù)的程序如下：
SCLK =1; //時鐘信號
FSYNC=1;
Delay(100) ; 延時子程序
FSYNC=0; //片選有效
for(i=0;i<16;i++)
{ SDATA="datas"&0x8000;
SCLK=0; //時鐘信號下降沿數(shù)據(jù)送入I/O口。
Delay(50) ;
SCLK=1;
datas=datas<<1; //16位數(shù)據(jù)從高位到低位送入
}
Delay(50) ;
FSYNC=1;
SCLK=0;
數(shù)據(jù)寫入方式
設(shè)置控制寄存器中的D15D14=00，表示數(shù)據(jù)寫入控制寄存器；設(shè)置B28（D13）=1，表示28位數(shù)據(jù)可以連續(xù)寫入頻率寄存器，默認先寫入低14位頻率字，再連續(xù)寫入高14位頻率字到頻率寄存器中；設(shè)置B28（D13）=0，表示28位數(shù)據(jù)分兩次寫入頻率寄存器，此時配合 HLB 的值使用（當HLB=1時允許高14位頻率字寫入到頻率寄存器，當HLB=0時允許低14位頻率字寫入到頻率寄存器）。因此寫入到控制寄存器的數(shù)據(jù)可為：0010 0000 0000 0000，表示設(shè)置連續(xù)28位頻率字。數(shù)據(jù)寫入流程圖如圖4所示。
選擇頻率寄存器
由于AD9833片內(nèi)有2個頻率寄存器，即FREQ0、FREQ1，因此要確定是將頻率控制字寫入哪一個。這可通過設(shè)置 D15D14 的值來進行選擇，當D15D14=01表示14位的頻率字將寫入FREQ0；當D15D14=10表示14位的頻率字將寫入FREQ1。以輸出頻率為7230Hz為例，介紹寫入到頻率寄存器1的頻率字。
寫入低14位數(shù)據(jù)為：1011 0110 0001 1110，表示將低14位頻率字寫入FREQ1。
寫入高14位數(shù)據(jù)為：1000 0000 0000 1011，表示將高14位頻率字寫入FREQ1。
主程序設(shè)計
首先，對C8051F060單片機初始化，這包括單片機晶振初始化、端口初始化，定義控制AD9833的I/O接口及交叉開關(guān)，接著初始化AD9833。當AD9833初始化時，為避免DAC產(chǎn)生虛假輸出，RESET必須置為1（RESET不會復位頻率、相位和控制寄存器），直到配置完畢，需要輸出時才將RESET置為0；RESET為0后的8-9個MCLK時鐘周期可在DAC的輸出端觀察到波形。AD9833初始化流程圖如圖5所示。然后，寫頻率寄存器0的控制字(0x2000)，在進行FSK調(diào)制時，AD9833的兩個頻率寄存器裝載不同的頻率值，本實驗中，頻率寄存器0裝載低頻率6830Hz，頻率寄存器1裝載高頻率7230Hz，通過設(shè)置AD9833的控制寄存器的FSELECT位來選擇頻率寄存器。主程序流程如圖6所示。
實驗結(jié)果
在示波器上能觀測到FSK調(diào)制信號，為方便截圖，設(shè)置頻率為7230Hz的正弦信號在示波器上進行觀察，圖7是頻率為7230Hz的正弦信號經(jīng)過低通濾波之后的頻譜圖。由圖7可以看出，實際輸出頻率為7.22985Hz。圖8是對應(yīng)的時域圖形。
結(jié)論
本實驗中設(shè)計的FSK調(diào)制信號，在工程中有較強的實用價值，已成功應(yīng)用于井下聲波傳輸系統(tǒng)中。