數字下變頻器GC4016及其在軟件無(wú)線(xiàn)電中的應用

關(guān)鍵詞：軟件無(wú)線(xiàn)電；高速數據采集系統；數字下變頻（DDC）；GC4016

１　引言

軟件無(wú)線(xiàn)電是近年來(lái)隨著(zhù)計算機及微電子技術(shù)的高速發(fā)展而產(chǎn)生的一種全新的無(wú)線(xiàn)電技術(shù)。它的出現是無(wú)線(xiàn)電通信從模擬到數字、從固定到移動(dòng)后，由硬件到軟件的第三次變革。其基本思想是：將模塊化、標準化的硬件單元以總線(xiàn)的方式連接起來(lái)構成基本平臺，然后通過(guò)軟件加載來(lái)實(shí)現各種無(wú)線(xiàn)通信功能（包括不同頻段、不同制式）；由于受微機運算速度的影響，若在信號接收端將Ａ／Ｄ采樣后的數據直接送計算機進(jìn)行處理，則實(shí)時(shí)性難以保證，因此利用數字下變頻器（ＤＤＣ）對采樣數據做一定的預處理后再通過(guò)總線(xiàn)送至微機是很有必要的。Ｇｒａｙｃｈｉｐ公司生產(chǎn)的多通道數字下變頻器ＧＣ４０１６的主要功能是將高速的數據流下變頻成基帶數據，從而在很大程度上緩解了Ａ／Ｄ采樣后數據處理的困難。

２ ＧＣ４０１６的主要特點(diǎn)

ＧＣ４０１６的原理框圖和四個(gè)數字下變頻通道中每一個(gè)通道的數字信號處理原理框圖分別如圖１和圖２所示，該器件的主要特點(diǎn)如下：

●輸入信號速率可達１００Ｍｓｐｓ；

●具有大于１１５ｄＢ的無(wú)寄生動(dòng)態(tài)范圍；

●有四個(gè)獨立的可編程下變頻通道，每個(gè)通道的最大可用基帶帶寬為２．２５ＭＨｚ，而且每個(gè)通道的參數都可以靈活、獨立地編程和設置；也可合并為兩個(gè)通道，每通道的最大可用基帶帶寬為４．５ＭＨｚ；若將其合并為單一通道，則最大可用基帶帶寬為９ＭＨｚ；

●每個(gè)通道均支持一個(gè)用戶(hù)可編程基帶濾波器和一個(gè)可編程重采樣器，從而使器件適合于中頻處理；

●總的抽取因子為８～１６３８４，其中３２～１６３８４ 對應每個(gè)單通道；１６～３２對應兩通道聯(lián)合；８～１６對應四通道聯(lián)合；

●采樣輸出可為１２ｂｉｔ、１６ｂｉｔ、２０ｂｉｔ或２４ｂｉｔ；

●輸出形式靈活多樣，即可并行輸出又可串行輸出，同時(shí)可選擇輸出幅度、相位、頻率或正交Ｉ、Ｑ兩路數據等所需信息；

●具有獨立的調制、相位和增益控制功能；

●采用３２位的數控本振（ＮＣＯ），分辨率為０．０２Ｈｚ；

●各獨立通道的濾波器為五級ＣＩＣ、可編程２１階ＦＩＲ、可編程６３階ＦＩＲ和重采樣ＦＩＲ。

此外，ＧＣ４０１６還具有靈活的可編程特性，其內部共有２５５個(gè)３２位控制字寄存器（偏移地址為００ｈ～０ＦＦｈ），可用于決定內部各功能模塊的參數設置（如載波中心頻率、ＦＩＲ濾波器系數、抽取因子、數據輸出的格式與方式等）；用戶(hù)通過(guò)控制接口既可以寫(xiě)控制字，也可以讀出某些狀態(tài)信息。但在對控制接口進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)，３２位的數據與８位地址是分為５個(gè)字節并按一定順序依次寫(xiě)入的，這給系統設計帶來(lái)了或多或少的麻煩。盡管ＧＣ４０１６在設置上比較復雜，但其功能非常強大，使用相當靈活。

３ ＧＣ４０１６的主要功能

ＧＣ４０１６的主要功能是數據抽取和多種調制信號的解調。

（１）數據抽取

當信號由中頻搬移至基帶時(shí)，采樣頻率將隨之降低以減輕后續數據傳輸與處理的負擔。由級聯(lián)積分／梳狀濾波器、半波濾波器以及可編程ＦＩＲ濾波器所組成的低通抽取濾波器的最大抽取因子為２１４，可以將１００Ｍｓｐｓ的輸入速率降至６ｋ～１２．５Ｍｓｐｓ。

圖2

（２）多種調制信號的解調

ＧＣ４０１６內部的載波ＮＣＯ與后續的濾波器可實(shí)現輸入中頻信號的正交解調，產(chǎn)生Ｉ、Ｑ兩路基帶或更低頻率的中頻信號，隨后送入輸出格式選擇單元；該輸出格式選擇單元中包含有坐標變換與鑒頻器等模塊，不僅可以直接輸出Ｉ、Ｑ通道數據，還可將（Ｉ，Ｑ）坐標轉換為（幅度，相位）坐標并輸出，同時(shí)也可進(jìn)一步將相位信號輸入鑒頻器以輸出頻率信號。因此，ＧＣ４０１６很容易實(shí)現多種幅度調制與相位調制信號的解調。

４ ＧＣ４０１６的應用

根據軟件無(wú)線(xiàn)電的基本原理，筆者設計了如圖３所示的數據采集系統。該系統由高速數據采集卡（Ｅｃｈｏｔｅｋ公司生產(chǎn)，型號為ＥＣＤＲ－ＧＣ２１４ －ＰＣＩ）和通用計算機構成，該采集卡采用的主要芯片是ＡＤ６６４４、ＧＣ４０１６和ＰＣＩ９０８０。這套系統的主要特性如下：

●兩個(gè)寬帶ＩＦ輸入通道，每通道一路Ａ／Ｄ，每通道帶１２８ｋ字節的ＦＩＦＯ；

●ＩＦ輸入信號的頻率范圍是６０ｋＨｚ～３００ＭＨｚ；

●最大可達７０ＭＨｚ的采樣速率, 具有１４Ｂｉｔ Ａ／Ｄ分辨率；

●既可用外部時(shí)鐘，也可選用自帶時(shí)鐘；

●采用ＤＭＡ方式和ＰＣＩ總線(xiàn)進(jìn)行數據傳輸，其３２Ｂｉｔ ＰＣＩ總線(xiàn)符合ＰＣＩ局部總線(xiàn)規范２.１版；

●輸出的數據有三種模式：１６ｂｉｔ實(shí)數、１６ｂｉｔ復數和２０ｂｉｔ復數；

●采樣起始既可由軟件觸發(fā)，也可由外接門(mén)信號控制。

系統開(kāi)始工作前，首先必須對其各寄存器進(jìn)行初始化以確定其工作模式（如采集模式、外接門(mén)控信號的設置、輸出數據模式、接收機通道的選取、采樣時(shí)鐘的范圍等），而這些寄存器的設置主要與ＧＣ４０１６有關(guān)。筆者在使用ＧＣ４０１６的過(guò)程中發(fā)現以下兩個(gè)量的設定是比較重要的：第一是ＮＣＯ中調制頻率的確定；方式為：ｆＲＥＱ＝２３２ ｆ／ｆＣＫ ，其中ｆ是需要調制的頻率，ｆＣＫ是時(shí)鐘頻率。第二是帶寬的確定，一般情況下，帶寬是數據輸出采樣率與帶寬系數的乘積，而帶寬系數則由ＣＦＩＲ和ＰＦＩＲ兩個(gè)濾波器的值確定。只有確定好中心頻率和帶寬，才能保證采樣工作的正常進(jìn)行和所得數據的正確。

５ 結束語(yǔ)

多次實(shí)驗證明，這套數據采集系統能夠很好地實(shí)現高速數據的采樣，它可以在采樣速率很高的情況下，通過(guò)選取合適的抽樣率來(lái)保證采樣數據的連續。由于這套系統在數據帶寬的設置上比較直接、方便，因此可用于實(shí)現從窄帶到寬帶的多種帶寬模式的采樣。此外，該系統的工作模式靈活多樣，不僅能夠很好地對連續信號、脈沖信號進(jìn)行采樣，對于調幅、調頻等調制信號，其采樣結果也能很好地還原出原始信號。同時(shí)，該系統還可以很好地完成數據的實(shí)時(shí)處理（如對調制信號采樣后的實(shí)時(shí)調解和保存等）。

由此可以看出，由ＧＣ４０１６構成的數據采集系統具有采樣速度高、動(dòng)態(tài)范圍大、抽樣率設置靈活等特點(diǎn)，能較好地完成數據的高速采集和處理，充分體現了軟件無(wú)線(xiàn)電的思想和技術(shù)，為發(fā)展新一代軟件數字接收機奠定了良好的基礎。