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用

1 引言

軟件無線電起源于美國國防部的易通話（speakeasy）戰(zhàn)術通信系統(tǒng)墳墓。隨著數(shù)字技術和微電子技術的迅速發(fā)展，數(shù)字信號處理器（DSP）以及通用可編程器FPGA的運算能力和處理速度的成倍提高，而價格卻顯著下降。同時，現(xiàn)代無線電系統(tǒng)的越來越多的功能可以由軟件實現(xiàn)，也大大推動了軟件無線電發(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Nyquist采用定理，要不失真的反映信號特征，采樣頻率fs至少應是模擬信號帶寬Wa的兩倍。為保證性能，在實際應用中經常采用fs>2.5Wa的過采樣處理。如果直接在 3000MHz的頻率上對信號進行A/D變換，則A/D器件的采樣速率至少應為7500MSPS（每秒百萬樣值）。但是，當前技術比較成熟的常用A/D器件的采樣速率一般只有幾十MSPS，高的也只能達到幾百MSPS，遠遠不能滿足設計需要。現(xiàn)階段研制開發(fā)的軟件無線電臺都是在中頻上進行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中，A/D通常直接采樣的模擬中頻信號，其輸出的高速數(shù)字信號經數(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以供后續(xù)的DSP作進一步處理。對于多通道的軟件無線電接收機而言，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。該芯片的主要特點如下：

●輸入信號速率達70MSPS；

●具有四個獨立可編程的下變頻器通道；

●具有四個定點或浮點模式的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動態(tài)范圍（SFDR）大于115dB；

●抽取因子范圍為8～65536；

●含有24-bit內部數(shù)據通道；

●內含增益容限可達96dB的數(shù)字AGC；

●具有多種濾波器功能（其中包括：1到5級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；

●具有四個獨立的串行輸出通道；

●采用3.3V電壓工作。

2 內部結構及工作機理

HSP50216 是一個四通道的數(shù)字接收機集成芯片，它具有很大的動態(tài)范圍和靈活性。在四個通道中，每一個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和直角坐標到極坐標轉換器構成。四個通道中的每個通道的參數(shù)都可以獨立通過微處理器進行編程。圖1是 HSP50216的內部功能框圖。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)據輸入總線。SdxA、 SDxB、SDxC和CDxD為四對串行數(shù)據輸出線。每一個輸入都可以連接到任意一個或所有的內部信號處理通道中去。每一個通道的輸出都可以接到任何一個串行輸出端。如果多路通道是同步的，那么這些通道可以復用到一個共同的輸出端。四個通道共用同一個輸入時鐘和同一個串行輸出時鐘。但是輸出信號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前端至多個后端的路由。電平檢測器把每一條并行數(shù)據輸入總線上的信號電平提供給監(jiān)控器，從而使得微處理器增益控制優(yōu)于A/D轉換器。

每個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16.3MHz（輸入信號速率為70MSPS）。NCO的無虛假信號動態(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濾波器的級數(shù)介于1到5級之間并且是可編程，同時，CIC的抽取因子也是可編程的，第5級的抽取因子為5到 512，第4級的抽取因子為4至2048，第3級的抽取因子為4到32768，第1級和第二級的抽取因子為4到65536。

[!--empirenews.page--]每個通道的后端部分包括有FIR處理模塊，AGC和直角坐標到極坐標轉換器，F(xiàn)IR處理模塊是一個靈活的濾波器計算機，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256階，一級串行抽取濾波器的總階數(shù)可達384階。濾波器計算機支持像抽取、重采樣、內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或重采樣器。而AGC部分則可提供增益高達96dB的固定或自動增益控制。自動增益控制具有兩種設置模式和兩級環(huán)增益。AGC環(huán)使用的直角坐標到極坐標的轉換器輸出也可以用于AM或FM解調。

HSP50216支持定點和浮點并行輸入模式，其輸出結果可在4-bit定點到32-bit浮點中選取，并可處理器接口進行編程。另外，所有被同步通道輸出數(shù)據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)據輸入總線A、B和C。當EAIN為低時，在時鐘的上升沿采樣。

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

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

CLK：輸入時鐘；

SYNCI/CO：分別為同步輸入/輸出信號；

RESET：復位端；

SD1A～D：分別為串行數(shù)據輸出1的A～D；

SD2A～D：分別為串行數(shù)據輸出2的A～D；

SCLK：串行輸出時鐘；

SYCNA～D：分別為串行數(shù)據輸出1的A～D同步信號；

P（15：0）：微處理器接口數(shù)據總線；

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)據選通信號；

RD或RD/WR：微處理器接口讀信號；

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。

3 HSP50216在軟件無線電中的應用

HSP50216 的最大特點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。圖2給出了一個實用的四通道軟件無線電接收機的應用系統(tǒng)框圖。該軟件無線電接收機的硬件結構分為兩部分，即從射頻到中頻的模擬部分和AD之后的數(shù)字部分。當電臺在接收時，射頻信號首先經過前端的接收和混頻器后被轉換到固定的中頻，其中本地的載波頻率相位以及有關的濾波器特性可由DSP來設定調整，以便適用不同的通信系統(tǒng)。每個通道的模擬中頻信號通過A/D轉換器AD9042后變?yōu)閿?shù)字信號，然后再把每個通道的數(shù)字的數(shù)字信號送給HSP50216以將數(shù)字信號的載波頻率進一步降低，并對輸入信號進行抽取，因為這樣可在允許的限度內減少信號數(shù)據的數(shù)量，便于被后面的DSP處理模塊進行處理。由于運算量較大，可選用兩片或更多浮點數(shù)據信號處理器TMS320C40進行各種處理，如信號檢測、數(shù)字濾波、放大、解調和協(xié)議控制等。解調后的數(shù)字信號經D/A轉換器AD9712B轉換成模擬信號，這樣即可完成電臺的接收功能。