數字下變頻器GC1012B原理及配置方法

0 引言

數字下變頻技術是軟件無線電的一項核心技術，其性能的好壞直接影響數字接收機的精度。數字下變頻器的作用在于對a/d之后的數字信號進行頻譜搬移，并與頻譜翻轉、抽取、濾波等信號處理相結合，達到下變頻及分離頻譜成分的目的，因此，在實際應用中，選擇一種合適的數字下變頻器是必不可少的。
gc1012b是graychip（ti子公司）推出的單通道帶寬中頻數字下變頻器，是一種全數字化的調協器，具有高度的可編程性。采用高速的cmos工藝技術，最大輸入帶寬可達50mhz，帶內任何信號都可以直接下變頻到零中頻。

本文從gc1012b的結構特點和內部功能框圖出發，分析其工作原理，并介紹gc1012b幾個主要寄存器的配置方法，從而實現對頻率、濾波模式、增益大小等參數的設置，最后給出了一個具體配置實例作為參考。

1 gc1012b的結構特點

gc1012b具有靈活的可編程性，可通過8位數據端口、4位地址端口、讀寫線和1位片選控制線組成的微處理器控制接口來與外處理器（cpld、fpga或者dsp）通信，同時通過外處理器對芯片進行配置、控制、監視等操作。另外，gc1012b還自帶一個片上診斷電路，可用于簡化系統的調試和維護。

gc1012b的主要特點有：100msps（106個采樣點每秒）輸入速率；0.1hz調協分辨率；動態范圍大于75db；輸出帶寬可編程；可12位輸入，10、12、14或16位輸出；采用復數或實數輸出格式；帶有內建的選通/同步發生器；步長為0.03db增益調節；可用微處理器接口控制輸出和診斷；時鐘丟失時，可自動關閉電源模式；內含片上診斷電路；工作在60mhz、3.3v時，功耗為850mw，采用120引腳pqfp封裝。

2 gc1012b配置方法

gc1012b采用120引腳qfp封裝，3.3v電源供電，其內部結構和工作原理框圖如圖1所示，從圖中可以看出，gc1012b主要由控制接口電路、數字振蕩器、混頻器、可編程低通濾波器、增益調節電路、輸出格式化電路和診斷電路等組成。

控制接口電路是gc1012b與外處理器通信的部分，可以通過讀寫上面的引腳來控制gc1012b的16個8位控制寄存器，從而實現4個功能：使外處理器配置芯片；外處理器捕獲、讀取芯片的采樣輸出；使外處理器實現芯片診斷；產生內部同步選通信號。下面詳細介紹幾個主要的控制寄存器的配置方法，這些控制寄存器通過與控制總線連接的引腳（cs，we，re，a[0..3]和c[0..7]進行訪問。表1是它們的地址和名稱。

2.1 濾波模式寄存器

控制寄存器5即濾波模塊寄存器，主要控制濾波輸出、輸出信號頻譜的格式以及診斷電路的輸入模式，其功能見表2。

圖2給出了輸出譜受到實/復轉換、平移、翻轉等控制位影響的例子。

2.2 頻率寄存器

頻率寄存器與頻率累加器和一個sin－cos信號發生器構成數字振蕩器部分。控制寄存器0－3組成了頻率寄存器，它有28個可讀寫位（寄存器3的后4位不用），外處理器通過將28位的頻率字freq裝載到這3個頻率寄存器中，從而設置中心頻率，頻率字的算法可由下式確定：

式中：w為頻率字；f為需要產生的頻率；rc為時鐘速率。

當頻率字w在累加器中累加后，可由累加的高13位產生精度為12位的正、余弦信號，以將信號混頻到零中頻。

2.3 增益控制寄存器

控制寄存器6和7組成了增益控制寄存器，通過下式可設定輸出增益：

式中：g為增益；s[0－3]為寄存器7的0－3位；b與dec的對應關系（表2中已經列出）。

3 gc1012b在一種應用中的配置及優點

由于gc1012b是中頻寬帶全數字下變頻器。同時具有高度的可編程性，因此特別適用于系統中的下變頻應用部分，利用它對帶寬數字中頻信號直接進行下變頻。筆者在設計一個雷達信號處理系統中就需要對gc1012b進行配置。其系統中完成的具體功能是：將輸入的40mhz數據率的采樣信號轉換成5mhz數據率的正交數字基帶信號。gc1012b系統時鐘為40mhz，由于模擬中頻信號為30mhz，nco（數字控制振蕩器）頻率也調諧在30mhz。gc1012b的各種參數通過控制口寫入。具體參數配置見ddc配置字（只配置以上介紹的4個控制寄存器），描述每個配置字的功能。

ddc配置字：0x00，0x00，0x00，0x0c，0x24，0x08，0x05 register0--register3：sample rate：40mhz，dco frequency：30mhz register5：diag＝0，flip＝0，offset＝1，real＝0，dec[2：0]＝100（4dec） register6：f[7：0]＝00001000 register7：s[3：0]＝101（5dec），b＝3（dec），gain＝（2＾（5－3））×（1＋8/256）＝4

與傳統的模擬電路相比，采用gc1012b的電路系統具有以下優點：

a）高度數字化。gc1012b可以實現完全的正交雙通道解調，同時，系統可對中頻數字信號直接進行正交解調變換和分析，從而避免傳統模擬電路在正交解調時的不足。

b）高度靈活性。gc1012b具有高度可編程性，可以使設計者很容易通過dsp編程下變頻器、改變帶寬等，使系統靈活應用在各種帶寬分析系統中。
此外，gc1012b還具有協調精度高，電路設計簡單等特點，在通信、雷達、軟件無線電等許多領域都有廣泛的應用。