数字下变频器GC4016及其在软件无线电中的应用

摘要：GC4016是Craychip公司生产的一种高性能、多通道数字下变频器。文中介绍了GC4016的主要特点和性能，给出了GC4016在软件无线电中的应用方法，同时给出了基于GC4016的数据采集卡和微机构成的双通道高速数据采集系统的设计方案和测试结果。 关键词：软件无线电；高速数据采集系统；数字下变频（DDC）；GC4016 １　引言 软件无线电是近年来随着计算机及微电子技术的高速发展而产生的一种全新的无线电技术。它的出现是无线电通信从模拟到数字、从固定到移动后，由硬件到软件的第三次变革。其基本思想是：将模块化、标准化的硬件单元以总线的方式连接起来构成基本平台，然后通过软件加载来实现各种无线通信功能（包括不同频段、不同制式）；由于受微机运算速度的影响，若在信号接收端将Ａ／Ｄ采样后的数据直接送计算机进行处理，则实时性难以保证，因此利用数字下变频器（ＤＤＣ）对采样数据做一定的预处理后再通过总线送至微机是很有必要的。Ｇｒａｙｃｈｉｐ公司生产的多通道数字下变频器ＧＣ４０１６的主要功能是将高速的数据流下变频成基带数据，从而在很大程度上缓解了Ａ／Ｄ采样后数据处理的困难。 ２ ＧＣ４０１６的主要特点 ＧＣ４０１６的原理框图和四个数字下变频通道中每一个通道的数字信号处理原理框图分别如图１和图２所示，该器件的主要特点如下： ●输入信号速率可达１００Ｍｓｐｓ； ●具有大于１１５ｄＢ的无寄生动态范围； ●有四个独立的可编程下变频通道，每个通道的最大可用基带带宽为２．２５ＭＨｚ，而且每个通道的参数都可以灵活、独立地编程和设置；也可合并为两个通道，每通道的最大可用基带带宽为４．５ＭＨｚ；若将其合并为单一通道，则最大可用基带带宽为９ＭＨｚ； ●每个通道均支持一个用户可编程基带滤波器和一个可编程重采样器，从而使器件适合于中频处理； ●总的抽取因子为８～１６３８４，其中３２～１６３８４ 对应每个单通道；１６～３２对应两通道联合；８～１６对应四通道联合； ●采样输出可为１２ｂｉｔ、１６ｂｉｔ、２０ｂｉｔ或２４ｂｉｔ； ●输出形式灵活多样，即可并行输出又可串行输出，同时可选择输出幅度、相位、频率或正交Ｉ、Ｑ两路数据等所需信息； ●具有独立的调制、相位和增益控制功能； ●采用３２位的数控本振（ＮＣＯ），分辨率为０．０２Ｈｚ； ●各独立通道的滤波器为五级ＣＩＣ、可编程２１阶ＦＩＲ、可编程６３阶ＦＩＲ和重采样ＦＩＲ。 此外，ＧＣ４０１６还具有灵活的可编程特性，其内部共有２５５个３２位控制字寄存器（偏移地址为００ｈ～０ＦＦｈ），可用于决定内部各功能模块的参数设置（如载波中心频率、ＦＩＲ滤波器系数、抽取因子、数据输出的格式与方式等）；用户通过控制接口既可以写控制字，也可以读出某些状态信息。但在对控制接口进行写操作时，３２位的数据与８位地址是分为５个字节并按一定顺序依次写入的，这给系统设计带来了或多或少的麻烦。尽管ＧＣ４０１６在设置上比较复杂，但其功能非常强大，使用相当灵活。 ３ ＧＣ４０１６的主要功能 ＧＣ４０１６的主要功能是数据抽取和多种调制信号的解调。 （１）数据抽取 当信号由中频搬移至基带时，采样频率将随之降低以减轻后续数据传输与处理的负担。由级联积分／梳状滤波器、半波滤波器以及可编程ＦＩＲ滤波器所组成的低通抽取滤波器的最大抽取因子为２１４，可以将１００Ｍｓｐｓ的输入速率降至６ｋ～１２．５Ｍｓｐｓ。 图2 （２）多种调制信号的解调 ＧＣ４０１６内部的载波ＮＣＯ与后续的滤波器可实现输入中频信号的正交解调，产生Ｉ、Ｑ两路基带或更低频率的中频信号，随后送入输出格式选择单元；该输出格式选择单元中包含有坐标变换与鉴频器等模块，不仅可以直接输出Ｉ、Ｑ通道数据，还可将（Ｉ，Ｑ）坐标转换为（幅度，相位）坐标并输出，同时也可进一步将相位信号输入鉴频器以输出频率信号。因此，ＧＣ４０１６很容易实现多种幅度调制与相位调制信号的解调。 ４ ＧＣ４０１６的应用 根据软件无线电的基本原理，笔者设计了如图３所示的数据采集系统。该系统由高速数据采集卡（Ｅｃｈｏｔｅｋ公司生产，型号为ＥＣＤＲ－ＧＣ２１４ －ＰＣＩ）和通用计算机构成，该采集卡采用的主要芯片是ＡＤ６６４４、ＧＣ４０１６和ＰＣＩ９０８０。这套系统的主要特性如下： ●两个宽带ＩＦ输入通道，每通道一路Ａ／Ｄ，每通道带１２８ｋ字节的ＦＩＦＯ； ●ＩＦ输入信号的频率范围是６０ｋＨｚ～３００ＭＨｚ； ●最大可达７０ＭＨｚ的采样速率, 具有１４Ｂｉｔ Ａ／Ｄ分辨率； ●既可用外部时钟，也可选用自带时钟； ●采用ＤＭＡ方式和ＰＣＩ总线进行数据传输，其３２Ｂｉｔ ＰＣＩ总线符合ＰＣＩ局部总线规范２.１版； ●输出的数据有三种模式：１６ｂｉｔ实数、１６ｂｉｔ复数和２０ｂｉｔ复数； ●采样起始既可由软件触发，也可由外接门信号控制。 系统开始工作前，首先必须对其各寄存器进行初始化以确定其工作模式（如采集模式、外接门控信号的设置、输出数据模式、接收机通道的选取、采样时钟的范围等），而这些寄存器的设置主要与ＧＣ４０１６有关。笔者在使用ＧＣ４０１６的过程中发现以下两个量的设定是比较重要的：第一是ＮＣＯ中调制频率的确定；方式为：ｆＲＥＱ＝２３２ ｆ／ｆＣＫ ，其中ｆ是需要调制的频率，ｆＣＫ是时钟频率。第二是带宽的确定，一般情况下，带宽是数据输出采样率与带宽系数的乘积，而带宽系数则由ＣＦＩＲ和ＰＦＩＲ两个滤波器的值确定。只有确定好中心频率和带宽，才能保证采样工作的正常进行和所得数据的正确。 ５ 结束语 多次实验证明，这套数据采集系统能够很好地实现高速数据的采样，它可以在采样速率很高的情况下，通过选取合适的抽样率来保证采样数据的连续。由于这套系统在数据带宽的设置上比较直接、方便，因此可用于实现从窄带到宽带的多种带宽模式的采样。此外，该系统的工作模式灵活多样，不仅能够很好地对连续信号、脉冲信号进行采样，对于调幅、调频等调制信号，其采样结果也能很好地还原出原始信号。同时，该系统还可以很好地完成数据的实时处理（如对调制信号采样后的实时调解和保存等）。 由此可以看出，由ＧＣ４０１６构成的数据采集系统具有采样速度高、动态范围大、抽样率设置灵活等特点，能较好地完成数据的高速采集和处理，充分体现了软件无线电的思想和技术，为发展新一代软件数字接收机奠定了良好的基础。