四通道可編程數(shù)字下變頻器HSP50216及其在軟件無線電中的應(yīng)用

1 引言

軟件無線電起源于美國(guó)國(guó)防部的易通話（speakeasy）戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)墳?zāi)埂ｋS著數(shù)字技術(shù)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）以及通用可編程器FPGA的運(yùn)算能力和處理速度的成倍提高，而價(jià)格卻顯著下降。同時(shí)，現(xiàn)代無線電系統(tǒng)的越來越多的功能可以由軟件實(shí)現(xiàn)，也大大推動(dòng)了軟件無線電發(fā)展。

理想的軟件無線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(jù)Nyquist采用定理，要不失真的反映信號(hào)特征，采樣頻率fs至少應(yīng)是模擬信號(hào)帶寬Wa的兩倍。為保證性能，在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常采用fs>2.5Wa的過采樣處理。如果直接在 3000MHz的頻率上對(duì)信號(hào)進(jìn)行A/D變換，則A/D器件的采樣速率至少應(yīng)為7500MSPS（每秒百萬(wàn)樣值）。但是，當(dāng)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(dá)到幾百M(fèi)SPS，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計(jì)需要。現(xiàn)階段研制開發(fā)的軟件無線電臺(tái)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。在目前的軟件無線收機(jī)中，A/D通常直接采樣的模擬中頻信號(hào)，其輸出的高速數(shù)字信號(hào)經(jīng)數(shù)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(hào)以供后續(xù)的DSP作進(jìn)一步處理。對(duì)于多通道的軟件無線電接收機(jī)而言，采用Intersil公司最新推出的多通道可編程數(shù)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(hào)速率達(dá)70MSPS；

●具有四個(gè)獨(dú)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(shù)控振蕩器（NCO）；

●全部處理過程的無虛假信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）大于115dB；

●抽取因子范圍為8～65536；

●含有24-bit內(nèi)部數(shù)據(jù)通道；

●內(nèi)含增益容限可達(dá)96dB的數(shù)字AGC；

●具有多種濾波器功能（其中包括：1到5級(jí)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）；

●可通過串聯(lián)濾波獲得附加帶寬；

●具有四個(gè)獨(dú)立的串行輸出通道；

●采用3.3V電壓工作。

2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作機(jī)理

HSP50216 是一個(gè)四通道的數(shù)字接收機(jī)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(shù)控振蕩器（NCO）、數(shù)字混頻器和級(jí)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(biāo)到極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。四個(gè)通道中的每個(gè)通道的參數(shù)都可以獨(dú)立通過微處理器進(jìn)行編程。圖1是 HSP50216的內(nèi)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(shù)據(jù)輸入總線。SdxA、 SDxB、SDxC和CDxD為四對(duì)串行數(shù)據(jù)輸出線。每一個(gè)輸入都可以連接到任意一個(gè)或所有的內(nèi)部信號(hào)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(fù)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(hào)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多路轉(zhuǎn)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(cè)器把每一條并行數(shù)據(jù)輸入總線上的信號(hào)電平提供給監(jiān)控器，從而使得微處理器增益控制優(yōu)于A/D轉(zhuǎn)換器。

每個(gè)通道的前端部分都包括有正交數(shù)控振蕩器（NCO）、數(shù)字混頻器、桶形移位寄存器和級(jí)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(dá)16.3MHz（輸入信號(hào)速率為70MSPS）。NCO的無虛假信號(hào)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(jí)數(shù)介于1到5級(jí)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(jí)的抽取因子為5到 512，第4級(jí)的抽取因子為4至2048，第3級(jí)的抽取因子為4到32768，第1級(jí)和第二級(jí)的抽取因子為4到65536。

[!--empirenews.page--]每個(gè)通道的后端部分包括有FIR處理模塊，AGC和直角坐標(biāo)到極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器，F(xiàn)IR處理模塊是一個(gè)靈活的濾波器計(jì)算機(jī)，它可用于單一或一組串行抽取的濾波，單一濾波器的階數(shù)可達(dá)256階，一級(jí)串行抽取濾波器的總階數(shù)可達(dá)384階。濾波器計(jì)算機(jī)支持像抽取、重采樣、內(nèi)插等各種類型的濾波器?？删幊痰臄?shù)字濾波器系數(shù)的寬度為22-bit，ROM中提供析此系數(shù)可用于幾種半帶濾波器響應(yīng)或重采樣器。而AGC部分則可提供增益高達(dá)96dB的固定或自動(dòng)增益控制。自動(dòng)增益控制具有兩種設(shè)置模式和兩級(jí)環(huán)增益。AGC環(huán)使用的直角坐標(biāo)到極坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換器輸出也可以用于AM或FM解調(diào)。

HSP50216支持定點(diǎn)和浮點(diǎn)并行輸入模式，其輸出結(jié)果可在4-bit定點(diǎn)到32-bit浮點(diǎn)中選取，并可處理器接口進(jìn)行編程。另外，所有被同步通道輸出數(shù)據(jù)可都通過微處理器接口來讀取。

HSP50216各引腳功能如下：

VCC：3.3V電源電壓端；

GND：電源地；

A（15：0），B（15：0），C（15：0）：分別為并行數(shù)據(jù)輸入總線A、B和C。當(dāng)EAIN為低時(shí)，在時(shí)鐘的上升沿采樣。

D15～D0：并行數(shù)據(jù)輸入端。從D15～D0，每連續(xù)四個(gè)端口一組共四組可分別作為調(diào)諧器通道A、B、C、D的載償輸入COF、載頻補(bǔ)償同步輸入COFSync、重采樣頻率補(bǔ)償輸入SOF和其同步輸入SOFSync端；

ENIA～ENID：分別為并行數(shù)據(jù)輸入總線A、B、C、D的輸入使能端，低電平有效；

CLK：輸入時(shí)鐘；

SYNCI/CO：分別為同步輸入/輸出信號(hào)；

RESET：復(fù)位端；

SD1A～D：分別為串行數(shù)據(jù)輸出1的A～D；

SD2A～D：分別為串行數(shù)據(jù)輸出2的A～D；

SCLK：串行輸出時(shí)鐘；

SYCNA～D：分別為串行數(shù)據(jù)輸出1的A～D同步信號(hào)；

P（15：0）：微處理器接口數(shù)據(jù)總線；

ADD（2：0）：微處理器接口地址總線；

WR或DSTRB：微處理器接口寫或數(shù)據(jù)選通信號(hào)；

RD或RD/WR：微處理器接口讀信號(hào)；

ΜPMODE：微處理器接口模式控制；

CE：微處理器接口片選；

INTRPT：微處理器中斷信號(hào)。

3 HSP50216在軟件無線電中的應(yīng)用

HSP50216 的最大特點(diǎn)是通過靈活的編程獲得多樣性的功能，可用于各種用途的電子信息接收系統(tǒng)，特別是用于多通道的軟件無線電接收機(jī)。圖2給出了一個(gè)實(shí)用的四通道軟件無線電接收機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)框圖。該軟件無線電接收機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)分為兩部分，即從射頻到中頻的模擬部分和AD之后的數(shù)字部分。當(dāng)電臺(tái)在接收時(shí)，射頻信號(hào)首先經(jīng)過前端的接收和混頻器后被轉(zhuǎn)換到固定的中頻，其中本地的載波頻率相位以及有關(guān)的濾波器特性可由DSP來設(shè)定調(diào)整，以便適用不同的通信系統(tǒng)。每個(gè)通道的模擬中頻信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換器AD9042后變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，然后再把每個(gè)通道的數(shù)字的數(shù)字信號(hào)送給HSP50216以將數(shù)字信號(hào)的載波頻率進(jìn)一步降低，并對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行抽取，因?yàn)檫@樣可在允許的限度內(nèi)減少信號(hào)數(shù)據(jù)的數(shù)量，便于被后面的DSP處理模塊進(jìn)行處理。由于運(yùn)算量較大，可選用兩片或更多浮點(diǎn)數(shù)據(jù)信號(hào)處理器TMS320C40進(jìn)行各種處理，如信號(hào)檢測(cè)、數(shù)字濾波、放大、解調(diào)和協(xié)議控制等。解調(diào)后的數(shù)字信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器AD9712B轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，這樣即可完成電臺(tái)的接收功能。