數字下變頻器GC4016及其在軟件無線電中的應用

關鍵詞：軟件無線電；高速數據采集系統；數字下變頻（DDC）；GC4016

１　引言

軟件無線電是近年來隨著計算機及微電子技術的高速發展而產生的一種全新的無線電技術。它的出現是無線電通信從模擬到數字、從固定到移動后，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的方式連接起來構成基本平臺，然后通過軟件加載來實現各種無線通信功能（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行處理，則實時性難以保證，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總線送至微機是很有必要的。Ｇｒａｙｃｈｉｐ公司生產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

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

●輸入信號速率可達１００Ｍｓｐｓ；

●具有大于１１５ｄＢ的無寄生動態范圍；

●有四個獨立的可編程下變頻通道，每個通道的最大可用基帶帶寬為２．２５ＭＨｚ，而且每個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；

●每個通道均支持一個用戶可編程基帶濾波器和一個可編程重采樣器，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 對應每個單通道；１６～３２對應兩通道聯合；８～１６對應四通道聯合；

●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）；用戶通過控制接口既可以寫控制字，也可以讀出某些狀態信息。但在對控制接口進行寫操作時，３２位的數據與８位地址是分為５個字節并按一定順序依次寫入的，這給系統設計帶來了或多或少的麻煩。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，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現輸入中頻信號的正交解調，產生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，同時也可進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

根據軟件無線電的基本原理，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，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；

●既可用外部時鐘，也可選用自帶時鐘；

●采用ＤＭＡ方式和ＰＣＩ總線進行數據傳輸，其３２Ｂｉｔ ＰＣＩ總線符合ＰＣＩ局部總線規范２.１版；

●輸出的數據有三種模式：１６ｂｉｔ實數、１６ｂｉｔ復數和２０ｂｉｔ復數；

●采樣起始既可由軟件觸發，也可由外接門信號控制。

系統開始工作前，首先必須對其各寄存器進行初始化以確定其工作模式（如采集模式、外接門控信號的設置、輸出數據模式、接收機通道的選取、采樣時鐘的范圍等），而這些寄存器的設置主要與ＧＣ４０１６有關。筆者在使用ＧＣ４０１６的過程中發現以下兩個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行和所得數據的正確。

５ 結束語

多次實驗證明，這套數據采集系統能夠很好地實現高速數據的采樣，它可以在采樣速率很高的情況下，通過選取合適的抽樣率來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，該系統還可以很好地完成數據的實時處理（如對調制信號采樣后的實時調解和保存等）。

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