【高速中频采样和数字下变频的研究】第九章 数字下变频的设计

第九章数字下变频的设计数字下变频又称数字I、Q复解调。

它广泛应用于雷达、声纳和无线电接收机中。

数字下变频的原理已经在第一章和第八章得到阐述。

在本章中先介绍主要的数字下变频芯片，然后介绍数字I、Q复解调板的设计。

第一节主要的数字下变频芯片对于不同的厂商，数字下变频（digital down converter）芯片有时又被称为数字解调器（digital tuner）或数字接收信号处理器(digital receive signal processor) 。

目前世界上生产数字下变频芯片的厂家主要有GrayChip、Harris Semiconductor、Analog Device、National Semiconductor等，其中GrayChip公司虽然是一个小公司，但它却是一个专门生产数字下变频ASIC芯片的专业公司。

其生产的品种多、功能全、是选择数字下变频芯片的首选公司。

Harris公司生产数字下变频芯片的历史也较长。

由于其具备产生高速A/D变换器的功能，所以其数字下变频芯片和ADC芯片配合良好，可以配套使用。

由于软件无线电技术的发展和市场对数字接收机的大量需求，近几年来，半导体芯片的头号厂商Analog Device和National Semiconductor也涉足数字下变频芯片市场，并且发展势头非常迅猛。

特别是生产ADC芯片的龙头老大Analog Device公司，凭借其雄厚的模拟和数字电路芯片的设计和生产技术，开发了先进的数字接收器芯片AD6620和AD6624。

与此同时，Analog Device公司还将其新一代中频A/D转换器芯片和DSP芯片与其数字下变频芯片相结合，提出了多套完整的数字接收机的完整解决方案。

表9-1-1是市场上常用的数字下变频芯片。

表9-1-1 常用的数字下变频芯片的对照表名称AD6620 HSP50214 CLC5902 GC1012A生产厂家ADI Harris NS Graychip 输入数据宽度16bit 16bit 16bit 12bit输入数据速率65MHz 52MHz 52MHz 80MHzNCO精度0.02Hz 0.02Hz 0.02Hz 0.1HzCIC5 CIC4 无CIC滤波器CIC2CIC5固定系数FIR系数FIR RAM系数FIR1，FIR滤波器 RAM系数FIR RAMFIR2随着软件无线电的发展，通信、雷达、声纳等领域将需要更多的数字下变频芯片，从而也会出现更多的新芯片和厂家。

9-1-1. 窄带数字下变频芯片AD6620AD6620数字接收器芯片主要由四部分组成，如图9-1-1所示，包括一个频率转换部分（NCO和混频器）、两个固定系数的抽选滤波器、一个程控系数的抽选滤波器。

图9-1-1 AD6620的功能框图AD6620的多种数据输入输出方式设计使其能非常方便地连接高速ADC芯片和通用DSP 芯片。

其输入接口可接受16位基数，3位指数输入，并且还有A/B选择输入。

这样可使它具备三种输入方式：单通道实模式（real），单通道复模式（complex）和多通道实模式（real）。

高精度的NCO可以使AD6620能从高速数据流中选择出一个单个载波。

其滤波器不仅具有大范围的抽选比，而且动态范围大，适用于窄带和宽带载波的提取。

它的基于RAM的可编程系数滤波器可适用于多种模式的应用，如抗混叠、匹配滤波、静态均衡功能等。

AD6620的主要性能指标如下：高速数据输入率：65MHz 单通道实模式（single channel real）32.5MHz 单通道复模式 (single channel complex）32.5MHz 多通道实模式(diversity channel real)NCO性能：最小伪波（worst spur）小于 –100dBc最小频率精度 0.02Hz2阶CIC滤波器：线性相位，固定系数程控抽取因子：2, 3, …16.5阶CIC滤波器：线性相位，固定系数程控抽取因子：1, 2, 3, …32.程控抽取、RAM系数FIR滤波器256个20bit可程控系数程控抽取因子：1, 2, 3, …32.多种数据输出方式：输入管脚设置选择串口或并口输出方式串口输出与大多数DSP串口输入相匹配16位I、Q交替并行输出两个独立的控制与配置端口：通用微处理器端口通用串口AD6620的内部各部分结构如图9-1-2所示，其中数据输入可以是16位整数形式，输入到IN[15:0]；也可以是浮点数形式，基数输入到IN[15:0]，指数输入到EXP[2:0]。

NCO由一个32bit 数控制，产生不同的频率。

通过乘法器产生I、Q两路，并把中频转换到基带。

图9-1-2 AD6620的内部结构NCO的初始相位是可以设置的，并且它有相位和幅度dither使能功能，一旦dither功能打开，可以使NCO的SFDR性能提高。

紧接着NCO和频率转换器（混频器）的是一个2阶CIC 滤波器，它的抽选比可设置为2到16，它的滤波器频率响应和输出数据速率都是由抽选因子M CIC2决定的。

在CIC2后的第二个固定系数的滤波器是一个5阶CIC滤波器。

它的抽选比是1到32，它的滤波器频率响应和输出数据速率也是由抽选因子M CIC5所决定。

前面的CIC滤波器实际上也是一种结构简单的FIR滤波器。

它们的主要作用是降低输入信号的速率。

这样，最后一级RAM系数FIR滤波器(RCF)就可以在每次输出时计算更多的次数，以实现更高的阶数。

从图9-1-2中可以看出，对于每路RCF滤波器，其乘法器只有一个，因此，每个时钟周期只进行一次乘法运算。

所以，要使RCF成为高阶FIR滤波器，前面两级CIC滤波器必须进行抽选，使输入到RCF的数据速率降低，即多个时钟周期输入一个数据。

这样RCF就有时间完成高阶滤波运算。

从图9-1-2中还能看到，两路RCF滤波器是公用一组RAM系数的。

这就是说，两路的滤波特性是完全一样的。

RCF的系数是20bit数，最多存放256个，因此，RCF的最大阶数是256。

然而，很少有用到256阶FIR滤波器的情况。

这时，这256个系数可以进行分组，以构成多个不同频率响应的滤波器，通过软件设置来选用其中不同的滤波器系数。

总之，AD6620总的滤波特性是CIC2、CIC5、RCF三个滤波器频率响应的乘积。

CIC滤波器实现起来简单，但频率响应较差，其过渡带较长。

RCF的频率响应好，能实现很陡的过渡带，且通带平整，阻带衰减大，其缺点在于需进行大量的乘加运算，难以实现高速数据率下的滤波。

图9-1-3是CIC和RCF滤波器频率响应特性。

由于AD6620结合了CIC和RCF两种滤波器，通过软件设置，使其能适用于许多应用场合。

图9-1-3 CIC和RCF滤波器频率响应9-1-2. 宽带数字下变频芯片GC1012AGC1012A是Graychip公司的高速宽带数字下变频芯片。

它的输入数据的最高速率是80MHz，即能处理的输入信号带宽高达40MHz。

输出数据速率由抽取因子D来决定。

对于复模式输出方式，D可以设置为1、2、4、8、16、32和64，输出速率F O=F CK/D，F CK是输入数据时钟。

对于实模式输出方式，D可以设置为2、4、8、16、32和64，输出速率F O=2F CK/D。

与AD6620不同的是GC1012A内部只有一个40阶的FIR滤波器。

数据先由滤波器滤波再进行抽取。

GC1012A的内部结构如图9-1-4所示。

图9-1-4 GC1012A的内部结构NCO的频率由一个28位的累加器来控制，其频率调节精度等于输入时钟频率除以228。

所以，对于输入时钟频率为50MHz，其NCO频率调节精度为±0.1Hz。

NCO的无伪波动态范围(SFDR)超过75dB。

由于GC1012A是一个宽带数字下变频芯片，其数据输出速率比较高，只能采用并行输出方式。

输出数据的增益也可以调节，最小调节步长是0.03dB，输出数据的宽度可以设置为10，12，14和16位。

GC1012A的配置和控制通过一个通用微处理器I/O来实现，其中包括8位数据线，4位地址线，一根读/写线和一根控制线。

GC1012A的主要性能指标如下：80MHz数据输入速率0.1Hz NCO频率分辨率>75 dB 动态范围可控数据输出宽度: 12位输入数据宽度； 10、12、14或16位输出数据宽度实模式或复模式数据输出方式增益调节步长 0.03dB微处理器控制和配置接口GC1012A实现宽带滤波在于其拥有一个高阶（40阶）的FIR滤波器。

滤波器的系数是固化在芯片中的，因此，其频率响应也是固定的，图9-1-5所示的是抽取率为2时的滤波器频率响应。

Graychip 公司也可以根据用户的要求在芯片中固化其他的滤波器系数。

图9-1-5 滤波器的频率响应滤波器的通带纹波是0.13dB，阻带衰减大于75dB。

2dB输出带宽是±0.4Fs（即80%的带宽利用率），这里Fs是复模式数据输出速率。

0.1dB输出带宽是±0.36Fs（即72%的带宽利用率）。

从图3-3-5中可以看出，滤波器具有一个非常快的过渡带，在过渡带滤波器很快地下降到60dB，并维持75dB以下的阻带衰减。

9-1-3 用FPGA设计的数字下变频芯片由于数字下变频ASIC芯片具有价廉、功耗小、体积小和使用方便等特点而得到广大工程师的青睐。

然而，通信、雷达等系统的应用非常广泛，有时会对数字下变频芯片提出某些特殊的要求，这时通用的数字下变频芯片就无法胜任。

这里主要指芯片中的FIR指标无法满足要求，如特殊滤波器的频带、通带纹波、阻带衰减等。

另外，有些应用对NCO的频率精度、数字下变频的输入输出数据宽度和运算精度也有要求，这样，就必须设计专用的数字下变频芯片。

专用的数字下变频芯片一般都需要更高的滤波器特性、更快的速度和更大的数据宽度。

这就要求用来设计数字下变频的FPGA或EPLD芯片有更大的容量和更快的速度。

目前Altera公司和 Xilinx公司的FPGA芯片的容量已超过100万门，时钟频率也超过100MHz，所以，尽管芯片的价格非常高，但设计专用的数字下变频芯片的硬件条件已经成熟。

在软件方面，Altera公司和 Xilinx公司都提供NCO和FIR设计的内核（Megacore Function），只要把两者结合起来，就可设计出满足要求的数字下变频芯片。

下面简单介绍一下Altera公司的FIR Megacore Function 。

FIR Megacore是专为采用Altera公司FPGA和EPLD芯片设计FIR的内核软件模块，它作为一个开发工具在MAX PLUS II或Quartus平台下运行。

在设计FIR时，只要先定义滤波器的输入输出数据宽度和内部数据位数，再定义滤波器的阶数、通带纹波、阻带衰减、截止频率、抽选率等参数，该软件模块就能自动地计算出滤波器的系数和频率响应，如图9-1-6所示。