四通道可編程數字下變頻器HSP50216及其在軟件無(wú)線(xiàn)

1 引言

軟件無(wú)線(xiàn)電起源于美國國防部的易通話(huà)（speakeasy）戰術(shù)通信系統墳墓。隨著(zhù)數字技術(shù)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，數字信號處理器（DSP）以及通用可編程器FPGA的運算能力和處理速度的成倍提高，而價(jià)格卻顯著(zhù)下降。同時(shí)，現代無(wú)線(xiàn)電系統的越來(lái)越多的功能可以由軟件實(shí)現，也大大推動(dòng)了軟件無(wú)線(xiàn)電發(fā)展。

理想的軟件無(wú)線(xiàn)電可直接在射頻上進(jìn)行A/D、D/A變換，這就要求A/D、D/A變換必須具有足夠高的采樣速率。根據Nyquist采用定理，要不失真的反映信號特征，采樣頻率fs至少應是模擬信號帶寬Wa的兩倍。為保證性能，在實(shí)際應用中經(jīng)常采用fs>2.5Wa的過(guò)采樣處理。如果直接在 3000MHz的頻率上對信號進(jìn)行A/D變換，則A/D器件的采樣速率至少應為7500MSPS（每秒百萬(wàn)樣值）。但是，當前技術(shù)比較成熟的常用A/D器件的采樣速率一般只有幾十MSPS，高的也只能達到幾百MSPS，遠遠不能滿(mǎn)足設計需要?，F階段研制開(kāi)發(fā)的軟件無(wú)線(xiàn)電臺都是在中頻上進(jìn)行A/D和D/A變換，中頻一般選定在10MHz～100MHz。在目前的軟件無(wú)線(xiàn)收機中，A/D通常直接采樣的模擬中頻信號，其輸出的高速數字信號經(jīng)數字下變頻器的變頻、抽取和低通濾波之后變成低速基帶信號以供后續的DSP作進(jìn)一步處理。對于多通道的軟件無(wú)線(xiàn)電接收機而言，采用Intersil公司最新推出的多通道可編程數字下變頻器集成芯片HSP50216是一種很好的選擇。該芯片的主要特點(diǎn)如下：

●輸入信號速率達70MSPS；

●具有四個(gè)獨立可編程的下變頻器通道；

●具有四個(gè)定點(diǎn)或浮點(diǎn)模式的16-bit并行輸入通道；

●帶有32-bit可編程載頻數控振蕩器（NCO）；

●全部處理過(guò)程的無(wú)虛假信號動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）大于115dB；

●抽取因子范圍為8～65536；

●含有24-bit內部數據通道；

●內含增益容限可達96dB的數字AGC；

●具有多種濾波器功能（其中包括：1到5級CIC濾波器、半帶抽取與插入FIR濾波器、可編程FIR濾波器和重采樣FIR濾波器）；

●可通過(guò)串聯(lián)濾波獲得附加帶寬；

●具有四個(gè)獨立的串行輸出通道；

●采用3.3V電壓工作。

2 內部結構及工作機理

HSP50216 是一個(gè)四通道的數字接收機集成芯片，它具有很大的動(dòng)態(tài)范圍和靈活性。在四個(gè)通道中，每一個(gè)通道都是由有端的載頻數控振蕩器（NCO）、數字混頻器和級聯(lián)積分梳狀濾波器CIC以及后端的FIR濾波器、AGC和直角坐標到極坐標轉換器構成。四個(gè)通道中的每個(gè)通道的參數都可以獨立通過(guò)微處理器進(jìn)行編程。圖1是 HSP50216的內部功能框圖。圖中，A（15：0），B（15：0），C（15：0）和D（15：0）分別為四種并行的數據輸入總線(xiàn)。SdxA、 SDxB、SDxC和CDxD為四對串行數據輸出線(xiàn)。每一個(gè)輸入都可以連接到任意一個(gè)或所有的內部信號處理通道中去。每一個(gè)通道的輸出都可以接到任何一個(gè)串行輸出端。如果多路通道是同步的，那么這些通道可以復用到一個(gè)共同的輸出端。四個(gè)通道共用同一個(gè)輸入時(shí)鐘和同一個(gè)串行輸出時(shí)鐘。但是輸出信號速率既可以是同步的也可以是異步的。位于前端和后端之間的總線(xiàn)多路轉換器可以后端串聯(lián)的濾波器提供路由，或者為多相濾波提供從一個(gè)前端至多個(gè)后端的路由。電平檢測器把每一條并行數據輸入總線(xiàn)上的信號電平提供給監控器，從而使得微處理器增益控制優(yōu)于A(yíng)/D轉換器。

每個(gè)通道的前端部分都包括有正交數控振蕩器（NCO）、數字混頻器、桶形移位寄存器和級聯(lián)積分梳狀濾波器（CIC）。NCO具有32-bit頻率控制字，可用于信道的分選和載波跟蹤，基頻率分辨率可達16.3MHz（輸入信號速率為70MSPS）。NCO的無(wú)虛假信號動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）大于115dB。桶形移位寄存器可提供介于2 -45到2 -14之間的增益以防止CIC的溢出。CIC濾波器的級數介于1到5級之間并且是可編程，同時(shí)，CIC的抽取因子也是可編程的，第5級的抽取因子為5到 512，第4級的抽取因子為4至2048，第3級的抽取因子為4到32768，第1級和第二級的抽取因子為4到65536。