一種高精度中頻信號(hào)數(shù)據(jù)采集卡的硬件設(shè)計(jì)

0 引言
傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡的主要功能是完成對(duì)模擬信號(hào)的基帶數(shù)字化。由于數(shù)字化是在基帶進(jìn)行，其下變頻、濾波全部采用模擬方式，因此，對(duì)于不同頻段、不同調(diào)制方式的通信系統(tǒng)，應(yīng)當(dāng)對(duì)應(yīng)專門的硬件結(jié)構(gòu)，但這樣的系統(tǒng)缺乏靈活性，且隨著系統(tǒng)采樣率和采樣精度的提高，對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性傳輸也帶來了很大的困難。
軟件無線電(software radio)是近年來隨著微電子及計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生的一種新的無線電技術(shù)，理想的軟件無線電系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)體系結(jié)構(gòu)的開放性和可編程性，專注于減少靈活性差的硬件電路，并把數(shù)字化處理(A／D)盡量靠近天線，力求通過軟件的更新來改變硬件的配置結(jié)構(gòu)，以求解決傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡存在的問題。
結(jié)合軟件無線電思想，可將AD采樣后得到的數(shù)據(jù)直接送入數(shù)字下變頻器，然后通過FPGA程序的改變來實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字下變頻器內(nèi)部寄存器的重新配置，從而完成數(shù)字下變頻功能，該方法既提高了系統(tǒng)的靈活性，又能很好的滿足系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母邔?shí)時(shí)性要求。

1 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡的特點(diǎn)與缺陷
傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡的結(jié)構(gòu)一般如圖l所示。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡的特點(diǎn)是先對(duì)模擬輸入信號(hào)進(jìn)行模擬混頻正交解調(diào)，混頻后的信號(hào)經(jīng)模擬低通濾波器后再進(jìn)行AD采樣。由于兩路模擬乘法器以及低通濾波器難以達(dá)到一致，因此，采樣后得到的I、Q兩路信道間的幅度往往不平衡，相位正交誤差較大。同時(shí)，隨著模擬輸入頻率的增加，對(duì)于模擬低通濾波器、AD器件的采樣率設(shè)計(jì)要求也越來越高。另外，隨著采樣率和采樣精度的提高，現(xiàn)有的PCI、PCI―E等接口規(guī)范，其數(shù)據(jù)傳輸速率也難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2 新型數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)思想
數(shù)據(jù)采集作為數(shù)字接收機(jī)的重要組成部分，其在處理帶寬和數(shù)據(jù)傳輸速率方面應(yīng)當(dāng)具有很好的靈活性和可擴(kuò)展性，而傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集卡難以滿足這些要求?；跀?shù)字信號(hào)處理的優(yōu)點(diǎn)，是將模擬中頻輸入先進(jìn)行AD采樣，采樣后得到的數(shù)據(jù)再送入數(shù)字下變頻器件進(jìn)行數(shù)字下變頻處理后，再通過PCI總線將數(shù)據(jù)讀入上位機(jī)。圖2所示為新型數(shù)據(jù)采集卡的結(jié)構(gòu)框圖。

同模擬I、Q正交解調(diào)相比，數(shù)字I、Q不僅省掉了一個(gè)ADC，更為重要的是，兩個(gè)支路的乘法器、濾波器功能均可在數(shù)字域內(nèi)通過算法的編寫靈活實(shí)現(xiàn)，并可完全做到一致，從而有效地提高了鏡像抑制比，且數(shù)字濾波性能也高于模擬濾波器。同時(shí)，將采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)字下變頻器進(jìn)行下變頻處理，也可以降低數(shù)據(jù)流速率，從而滿足對(duì)后續(xù)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性處理的要求。因此，在中頻、甚至射頻對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制具有重要意義。