數(shù)字下變頻器GC4016及其在軟件無線電中的應(yīng)用
關(guān)鍵詞：軟件無線電；高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；數(shù)字下變頻（DDC）；GC4016
１ 引言
軟件無線電是近年來隨著計(jì)算機(jī)及微電子技術(shù)的高速發(fā)展而產(chǎn)生的一種全新的無線電技術(shù)。它的出現(xiàn)是無線電通信從模擬到數(shù)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(biāo)準(zhǔn)化的硬件單元以總線的方式連接起來構(gòu)成基本平臺，然后通過軟件加載來實(shí)現(xiàn)各種無線通信功能（包括不同頻段、不同制式）；由于受微機(jī)運(yùn)算速度的影響，若在信號接收端將Ａ／Ｄ采樣后的數(shù)據(jù)直接送計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，則實(shí)時性難以保證，因此利用數(shù)字下變頻器（ＤＤＣ）對采樣數(shù)據(jù)做一定的預(yù)處理后再通過總線送至微機(jī)是很有必要的。Ｇｒａｙｃｈｉｐ公司生產(chǎn)的多通道數(shù)字下變頻器ＧＣ４０１６的主要功能是將高速的數(shù)據(jù)流下變頻成基帶數(shù)據(jù)，從而在很大程度上緩解了Ａ／Ｄ采樣后數(shù)據(jù)處理的困難。
２ ＧＣ４０１６的主要特點(diǎn)
ＧＣ４０１６的原理框圖和四個數(shù)字下變頻通道中每一個通道的數(shù)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(dá)１００Ｍｓｐｓ；
●具有大于１１５ｄＢ的無寄生動態(tài)范圍；
●有四個獨(dú)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(shù)都可以靈活、獨(dú)立地編程和設(shè)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(yīng)每個單通道；１６～３２對應(yīng)兩通道聯(lián)合；８～１６對應(yīng)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，同時可選擇輸出幅度、相位、頻率或正交Ｉ、Ｑ兩路數(shù)據(jù)等所需信息；
●具有獨(dú)立的調(diào)制、相位和增益控制功能；
●采用３２位的數(shù)控本振（ＮＣＯ），分辨率為０．０２Ｈｚ；
●各獨(dú)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(nèi)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(nèi)部各功能模塊的參數(shù)設(shè)置（如載波中心頻率、ＦＩＲ濾波器系數(shù)、抽取因子、數(shù)據(jù)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(tài)信息。但在對控制接口進(jìn)行寫操作時，３２位的數(shù)據(jù)與８位地址是分為５個字節(jié)并按一定順序依次寫入的，這給系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了或多或少的麻煩。盡管ＧＣ４０１６在設(shè)置上比較復(fù)雜，但其功能非常強(qiáng)大，使用相當(dāng)靈活。
３ ＧＣ４０１６的主要功能
ＧＣ４０１６的主要功能是數(shù)據(jù)抽取和多種調(diào)制信號的解調(diào)。
（１）數(shù)據(jù)抽取
當(dāng)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(xù)數(shù)據(jù)傳輸與處理的負(fù)擔(dān)。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(diào)制信號的解調(diào)
ＧＣ４０１６內(nèi)部的載波ＮＣＯ與后續(xù)的濾波器可實(shí)現(xiàn)輸入中頻信號的正交解調(diào)，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(biāo)變換與鑒頻器等模塊，不僅可以直接輸出Ｉ、Ｑ通道數(shù)據(jù)，還可將（Ｉ，Ｑ）坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為（幅度，相位）坐標(biāo)并輸出，同時也可進(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(xiàn)多種幅度調(diào)制與相位調(diào)制信號的解調(diào)。
４ ＧＣ４０１６的應(yīng)用
根據(jù)軟件無線電的基本原理，筆者設(shè)計(jì)了如圖３所示的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)由高速數(shù)據(jù)采集卡（Ｅｃｈｏｔｅｋ公司生產(chǎn)，型號為ＥＣＤＲ－ＧＣ２１４ －ＰＣＩ）和通用計(jì)算機(jī)構(gòu)成，該采集卡采用的主要芯片是ＡＤ６６４４、ＧＣ４０１６和ＰＣＩ９０８０。這套系統(tǒng)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(jié)的ＦＩＦＯ；
●ＩＦ輸入信號的頻率范圍是６０ｋＨｚ～３００ＭＨｚ；
●最大可達(dá)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(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其３２Ｂｉｔ ＰＣＩ總線符合ＰＣＩ局部總線規(guī)范２.１版；
●輸出的數(shù)據(jù)有三種模式：１６ｂｉｔ實(shí)數(shù)、１６ｂｉｔ復(fù)數(shù)和２０ｂｉｔ復(fù)數(shù)；
●采樣起始既可由軟件觸發(fā)，也可由外接門信號控制。
系統(tǒng)開始工作前，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、外接門控信號的設(shè)置、輸出數(shù)據(jù)模式、接收機(jī)通道的選取、采樣時鐘的范圍等），而這些寄存器的設(shè)置主要與ＧＣ４０１６有關(guān)。筆者在使用ＧＣ４０１６的過程中發(fā)現(xiàn)以下兩個量的設(shè)定是比較重要的：第一是ＮＣＯ中調(diào)制頻率的確定；方式為：ｆＲＥＱ＝２３２ ｆ／ｆＣＫ ，其中ｆ是需要調(diào)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(shù)據(jù)輸出采樣率與帶寬系數(shù)的乘積，而帶寬系數(shù)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(jìn)行和所得數(shù)據(jù)的正確。
５ 結(jié)束語
多次實(shí)驗(yàn)證明，這套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠很好地實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的連續(xù)。由于這套系統(tǒng)在數(shù)據(jù)帶寬的設(shè)置上比較直接、方便，因此可用于實(shí)現(xiàn)從窄帶到寬帶的多種帶寬模式的采樣。此外，該系統(tǒng)的工作模式靈活多樣，不僅能夠很好地對連續(xù)信號、脈沖信號進(jìn)行采樣，對于調(diào)幅、調(diào)頻等調(diào)制信號，其采樣結(jié)果也能很好地還原出原始信號。同時，該系統(tǒng)還可以很好地完成數(shù)據(jù)的實(shí)時處理（如對調(diào)制信號采樣后的實(shí)時調(diào)解和保存等）。
由此可以看出，由ＧＣ４０１６構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有采樣速度高、動態(tài)范圍大、抽樣率設(shè)置靈活等特點(diǎn)，能較好地完成數(shù)據(jù)的高速采集和處理，充分體現(xiàn)了軟件無線電的思想和技術(shù)，為發(fā)展新一代軟件數(shù)字接收機(jī)奠定了良好的基礎(chǔ)。
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