軟件無線電是一種基于寬帶A／D、高速DSP芯片,、以軟件為核心的嶄新體系結(jié)構(gòu)。其基本思想是將寬帶A／D盡可能靠近射頻天線，以便將接收到的模擬信號(hào)盡可能早地?cái)?shù)字化,，盡量通過軟件來實(shí)現(xiàn)接收機(jī)的各種功能。通過運(yùn)行不同的算法,，實(shí)時(shí)地配置信號(hào),，以提供多模式、多頻段的功能,。與傳統(tǒng)的模擬方式相比,，軟件無線電具有靈活性、適應(yīng)性和開放性等特點(diǎn)，被譽(yù)為無線電領(lǐng)域的又一次革命,。目前軟件無線電技術(shù)已在通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用,。
全數(shù)字化接收機(jī)是軟件無線電中的一個(gè)重要基礎(chǔ)，其硬件平臺(tái)可以用可編程的通用DSP或者可重構(gòu)的專用DSP來實(shí)現(xiàn),。目前,，由于硬件水平的限制，直接射頻數(shù)字化還有一定困難,。一般是先模擬下變頻至合適的中頻,，在中頻直接數(shù)字化，然后經(jīng)數(shù)字下變頻至基帶,。模擬下變頻完成初步的頻率選擇,，中頻采樣后經(jīng)數(shù)字下變頻完成第二次頻率變換。其中,，數(shù)字下變頻的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵技術(shù),，它的實(shí)現(xiàn)方式有兩種，一種是在FPGA內(nèi)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn),，另一種是采用專用的數(shù)字下變頻芯片來實(shí)現(xiàn),。本文將對(duì)INTERSIL公司生產(chǎn)的四通道數(shù)字下變頻器ISL5216的功能特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)介紹，并結(jié)合自行研制的中頻通用接收平臺(tái),，重點(diǎn)介紹利用其實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的抽取濾波以降低信號(hào)速率的設(shè)計(jì)要點(diǎn),，并給出了設(shè)計(jì)實(shí)例。
1 ISL5216簡介
1．1 ISL5216的功能特點(diǎn)
ISL5216是INTERSIL公司生產(chǎn)的可編程四通道數(shù)字下變頻器(PDC),，它的基本功能是從輸入的寬帶信號(hào)中提取窄帶信號(hào),，并將其下變頻為數(shù)字基帶信號(hào)，以便后續(xù)DSP處理,。
該芯片的主要特點(diǎn)如下：
一 輸入信號(hào)速率達(dá)95MSPS,；
一 具有四個(gè)獨(dú)立可編程的下變頻器通道；
一 具有四個(gè)16-bit定點(diǎn)或17-bit浮點(diǎn)模式的并行輸入通道,；
一 帶有32-bit可編程載頻數(shù)控振蕩器(NCO),，無雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)大于115dB；
一 具有110dB的帶外衰減,；
一 抽取因子范圍為4～65 536,；
一 含有24-bit內(nèi)部數(shù)據(jù)通道；
一 內(nèi)含增益容限可達(dá)96dB的數(shù)字AGC,；
一 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),；
一 可通過串聯(lián)濾波獲得附加帶寬,；
一 具有四個(gè)獨(dú)立的串行輸出通道,；
一 采用2．5V內(nèi)核電壓、3．3V外圍電壓工作,。
1．2 ISL5216的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作機(jī)理
ISL5216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)通道都是由前端的載頻數(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ISL5216的內(nèi)部功能框圖,。A(15∶0)、B(15∶0),、C(15∶0)和D(15∶0)分別為四條并行的數(shù)據(jù)輸入總線,。SDXA、SDXB,、SDXC和SDXD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)換器可以為后端串聯(lián)的濾波器提供靈活的路由，或者為多相濾波提供從一個(gè)前端到多個(gè)后端的路由,。電平檢測器把每一條并行數(shù)據(jù)輸入總線上的信號(hào)電平提供給監(jiān)視器,，從而使得微處理器增益控制優(yōu)于A/D轉(zhuǎn)換器。
1．3 ISL5216的設(shè)計(jì)要點(diǎn)
ISL5216主要實(shí)現(xiàn)3個(gè)功能,，即數(shù)字正交混頻,、數(shù)據(jù)降速率處理和數(shù)據(jù)成形濾波。其參數(shù)配置直接關(guān)系到系統(tǒng)的性能,，主要參數(shù)選擇有：總的抽取因子及其在各部分的分配,、CIC中的階數(shù)選擇、可編程FTR濾波參數(shù)的選擇,、半帶濾波器個(gè)數(shù)的選擇,。
總的抽取因子選擇主要取決于最終的輸出數(shù)據(jù)率和ADC的中頻采樣率。最終輸出數(shù)據(jù)率是由所需基帶信號(hào)的帶寬決定的,，根據(jù)抽樣定理,，輸出數(shù)據(jù)率至少為信號(hào)帶寬的兩倍。ADC采樣率的選擇對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)有著十分重要的作用,，適當(dāng)?shù)倪^采樣對(duì)于提高系統(tǒng)的性能會(huì)有一定好處,。我們從公式SNR=6．02N+1．7dB+10log(fs／2B)即可得出結(jié)論，式中,，N為ADC：的位數(shù),，fs為采樣速率,，B為信號(hào)帶寬?？梢?，要獲得高信噪比，可以提高系統(tǒng)的采樣率,。但采樣率過高,，那么最終的抽取因子必然選得很大，這對(duì)于抽取前端的抗混疊濾波器來講,，勢必增加其階數(shù)和計(jì)算量,；采樣率過低，會(huì)增加采樣前端抗混疊濾波器的階數(shù),，從而造成設(shè)計(jì)和制造上的困難,。所以，要根據(jù)實(shí)際情況來確定ADC：采樣率,。
CIC濾波器是由5級(jí)積分器和梳狀濾波器組成的抽取濾波器,，其階數(shù)和抽取因子可以分別在1～5和4～65 536中選擇，這是根據(jù)ISL5216數(shù)據(jù)手冊中抽取因子與混疊抑制比的關(guān)系來決定的,。
可編程FIR濾波器是整個(gè)ISL5216中最靈活的部分,，可實(shí)現(xiàn)抽取，也可單獨(dú)進(jìn)行濾波而不抽取,。其階數(shù)和系數(shù)的選擇是根據(jù)ISL5216本身的系統(tǒng)資源和可用時(shí)鐘數(shù)來決定的,。
抽取鏈中單個(gè)FIR濾波器階數(shù)可以達(dá)到256階，多個(gè)FIR濾波器的總階數(shù)可以達(dá)到384階,。半帶濾波器的選擇是靈活的：若抽取率較高,，可用半帶濾波器實(shí)現(xiàn)抽取，最后使用非抽取可編程FIR濾波器來進(jìn)行均衡,；若抽取率較低,，可以通過可編程FIR濾波器直接實(shí)現(xiàn)抽取濾波而不選用半帶濾波器，這是因?yàn)榘霂V波器的階數(shù)少,，濾波幅頻特性較差,。
ISL5216參數(shù)的設(shè)計(jì)思路是：首先確定中頻采樣的采樣率和最終輸出的數(shù)據(jù)率，根據(jù)兩者的要求來確定可用的時(shí)鐘數(shù)和總抽取因子,；然后進(jìn)行總抽取因子的分配,，包括根據(jù)CIC：抽取因子與抗混疊抑制比的關(guān)系確定CIC部分的抽取因子，同時(shí)也確定了后續(xù)可編程FIR濾波器和半帶濾波器的抽取因子,；最后再根據(jù)可用的時(shí)鐘數(shù)和所需的抽取因子計(jì)算出FIR濾波器的階數(shù)、系數(shù)及半帶濾波器的個(gè)數(shù),；最后核算所使用的資源和時(shí)鐘數(shù)是否滿足要求,。
2 ISL5216的設(shè)計(jì)實(shí)例
在中頻通用接收平臺(tái)中,，接收的中頻信號(hào)經(jīng)A／D采樣后直接進(jìn)入ISL5216的輸入端進(jìn)行處理。ISL5216的串行輸出都接入FPGA中,，進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換并存入FIF0,，由DSP讀取以進(jìn)行后續(xù)的處理。通過這樣一個(gè)確定的硬件平臺(tái),，只需要修改QDDC的內(nèi)部寄存器參數(shù)就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)解調(diào)中心頻率,、輸出速率、濾波器帶寬等參數(shù)的軟件控制,，實(shí)現(xiàn)需要的解調(diào)功能,。下面將根據(jù)使用中的實(shí)例來說明QDDC參數(shù)配置的主要流程。
2．1 FM信號(hào)解調(diào)
對(duì)一個(gè)采樣頻率為56MHz的FM信號(hào)進(jìn)行解調(diào),，在鑒頻器后需要再加一級(jí)濾波器,，這時(shí)QDDC某一通道的配置原理圖如圖2所示。
ISL5216單通道的輸出帶寬可達(dá)到1MHz,，更寬的帶寬可通過多通道串聯(lián)或多相濾波來獲得,。下面我將根據(jù)使用中的實(shí)例來說明這種情況下濾波器的結(jié)構(gòu)及QDDC參數(shù)配置的主要流程。例如：輸入速率：56MSPS(10x),，輸出速率：14MSPS(2．5x),，輸出帶寬：5．6MHz。
這種情況要使用全部四個(gè)通道才能實(shí)現(xiàn),。QDDC濾波器的結(jié)構(gòu)如圖5所示,。
通道0,、1、2,、3每個(gè)輸出可提供的時(shí)鐘數(shù)為4×4=16,，每個(gè)通道所需的時(shí)鐘數(shù)如表l所示，即通道0,、1,、2、3使用了該通道可提供的每一個(gè)時(shí)鐘,。
3 結(jié)束語
本文講述了四通道數(shù)字下變頻器ISL5216的功能特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要點(diǎn),，并從工作實(shí)際出發(fā)，詳細(xì)介紹了針對(duì)FM信號(hào)解調(diào)鑒頻器后的濾波器設(shè)計(jì)和利用多通道串聯(lián)來實(shí)現(xiàn)寬帶信號(hào)處理的具體的設(shè)計(jì)方法,。該兩種設(shè)計(jì)方法在不同的實(shí)際應(yīng)用中均性能良好,，達(dá)到了預(yù)期的指標(biāo)。