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          數(shù)字下變頻器GC4016及其在軟件無(wú)線電中的應(yīng)用

          作者: 時(shí)間:2005-09-29 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
          摘要:是Craychip公司生產(chǎn)的一種高性能、多通道。文中介紹了的主要特點(diǎn)和性能,給出了中的方法,同時(shí)給出了基于GC4016的數(shù)據(jù)采集卡和微機(jī)構(gòu)成的雙通道高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和測(cè)試結(jié)果。

          關(guān)鍵詞:;高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);下變頻(DDC);GC4016

          1 引言

          是近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)及微電子技術(shù)的高速發(fā)展而產(chǎn)生的一種全新的無(wú)線電技術(shù)。它的出現(xiàn)是無(wú)線電通信從模擬到、從固定到移動(dòng)后,由硬件到軟件的第三次變革。其基本思想是:將模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的硬件單元以總線的方式連接起來(lái)構(gòu)成基本平臺(tái),然后通過(guò)軟件加載來(lái)實(shí)現(xiàn)各種無(wú)線通信功能(包括不同頻段、不同制式);由于受微機(jī)運(yùn)算速度的影響,若在信號(hào)接收端將A/D采樣后的數(shù)據(jù)直接送計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理,則實(shí)時(shí)性難以保證,因此利用數(shù)字下(DDC)對(duì)采樣數(shù)據(jù)做一定的預(yù)處理后再通過(guò)總線送至微機(jī)是很有必要的。Graychip公司生產(chǎn)的多通道數(shù)字下GC4016的主要功能是將高速的數(shù)據(jù)流下變頻成基帶數(shù)據(jù),從而在很大程度上緩解了A/D采樣后數(shù)據(jù)處理的困難。

          2 GC4016的主要特點(diǎn)

          GC4016的原理框圖和四個(gè)數(shù)字下變頻通道中每一個(gè)通道的數(shù)字信號(hào)處理原理框圖分別如圖1和圖2所示,該器件的主要特點(diǎn)如下:

          ●輸入信號(hào)速率可達(dá)100Msps;

          ●具有大于115dB的無(wú)寄生動(dòng)態(tài)范圍;

          ●有四個(gè)獨(dú)立的可編程下變頻通道,每個(gè)通道的最大可用基帶帶寬為2.25MHz,而且每個(gè)通道的參數(shù)都可以靈活、獨(dú)立地編程和設(shè)置;也可合并為兩個(gè)通道,每通道的最大可用基帶帶寬為4.5MHz;若將其合并為單一通道,則最大可用基帶帶寬為9MHz;

          ●每個(gè)通道均支持一個(gè)用戶可編程基帶濾波器和一個(gè)可編程重采樣器,從而使器件適合于中頻處理;

          ●總的抽取因子為8~16384,其中32~16384 對(duì)應(yīng)每個(gè)單通道;16~32對(duì)應(yīng)兩通道聯(lián)合;8~16對(duì)應(yīng)四通道聯(lián)合;

          ●采樣輸出可為12bit、16bit、20bit或24bit;

          ●輸出形式靈活多樣,即可并行輸出又可串行輸出,同時(shí)可選擇輸出幅度、相位、頻率或正交I、Q兩路數(shù)據(jù)等所需信息;

          ●具有獨(dú)立的調(diào)制、相位和增益控制功能;

          ●采用32位的數(shù)控本振(NCO),分辨率為0.02Hz;

          ●各獨(dú)立通道的濾波器為五級(jí)CIC、可編程21階FIR、可編程63階FIR和重采樣FIR。

          此外,GC4016還具有靈活的可編程特性,其內(nèi)部共有255個(gè)32位控制字寄存器(偏移地址為00h~0FFh),可用于決定內(nèi)部各功能模塊的參數(shù)設(shè)置(如載波中心頻率、FIR濾波器系數(shù)、抽取因子、數(shù)據(jù)輸出的格式與方式等);用戶通過(guò)控制接口既可以寫(xiě)控制字,也可以讀出某些狀態(tài)信息。但在對(duì)控制接口進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí),32位的數(shù)據(jù)與8位地址是分為5個(gè)字節(jié)并按一定順序依次寫(xiě)入的,這給系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)了或多或少的麻煩。盡管GC4016在設(shè)置上比較復(fù)雜,但其功能非常強(qiáng)大,使用相當(dāng)靈活。

          3 GC4016的主要功能

          GC4016的主要功能是數(shù)據(jù)抽取和多種調(diào)制信號(hào)的解調(diào)。

          (1)數(shù)據(jù)抽取

          當(dāng)信號(hào)由中頻搬移至基帶時(shí),采樣頻率將隨之降低以減輕后續(xù)數(shù)據(jù)傳輸與處理的負(fù)擔(dān)。由級(jí)聯(lián)積分/梳狀濾波器、半波濾波器以及可編程FIR濾波器所組成的低通抽取濾波器的最大抽取因子為214,可以將100Msps的輸入速率降至6k~12.5Msps。

          圖2

          (2)多種調(diào)制信號(hào)的解調(diào)

          GC4016內(nèi)部的載波NCO與后續(xù)的濾波器可實(shí)現(xiàn)輸入中頻信號(hào)的正交解調(diào),產(chǎn)生I、Q兩路基帶或更低頻率的中頻信號(hào),隨后送入輸出格式選擇單元;該輸出格式選擇單元中包含有坐標(biāo)變換與鑒頻器等模塊,不僅可以直接輸出I、Q通道數(shù)據(jù),還可將(I,Q)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為(幅度,相位)坐標(biāo)并輸出,同時(shí)也可進(jìn)一步將相位信號(hào)輸入鑒頻器以輸出頻率信號(hào)。因此,GC4016很容易實(shí)現(xiàn)多種幅度調(diào)制與相位調(diào)制信號(hào)的解調(diào)。

          4 GC4016的

          根據(jù)軟件無(wú)線電的基本原理,筆者設(shè)計(jì)了如圖3所示的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)由高速數(shù)據(jù)采集卡(Echotek公司生產(chǎn),型號(hào)為ECDR-GC214 -PCI)和通用計(jì)算機(jī)構(gòu)成,該采集卡采用的主要芯片是AD6644、GC4016和PCI9080。這套系統(tǒng)的主要特性如下:

          ●兩個(gè)寬帶IF輸入通道,每通道一路A/D,每通道帶128k字節(jié)的FIFO;

          ●IF輸入信號(hào)的頻率范圍是60kHz~300MHz;

          ●最大可達(dá)70MHz的采樣速率, 具有14Bit A/D分辨率;

          ●既可用外部時(shí)鐘,也可選用自帶時(shí)鐘;

          ●采用DMA方式和PCI總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,其32Bit PCI總線符合PCI局部總線規(guī)范2.1版;

          ●輸出的數(shù)據(jù)有三種模式:16bit實(shí)數(shù)、16bit復(fù)數(shù)和20bit復(fù)數(shù);

          ●采樣起始既可由軟件觸發(fā),也可由外接門(mén)信號(hào)控制。

          系統(tǒng)開(kāi)始工作前,首先必須對(duì)其各寄存器進(jìn)行初始化以確定其工作模式(如采集模式、外接門(mén)控信號(hào)的設(shè)置、輸出數(shù)據(jù)模式、接收機(jī)通道的選取、采樣時(shí)鐘的范圍等),而這些寄存器的設(shè)置主要與GC4016有關(guān)。筆者在使用GC4016的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)以下兩個(gè)量的設(shè)定是比較重要的:第一是NCO中調(diào)制頻率的確定;方式為:fREQ=232 f/fCK ,其中f是需要調(diào)制的頻率,fCK是時(shí)鐘頻率。第二是帶寬的確定,一般情況下,帶寬是數(shù)據(jù)輸出采樣率與帶寬系數(shù)的乘積,而帶寬系數(shù)則由CFIR和PFIR兩個(gè)濾波器的值確定。只有確定好中心頻率和帶寬,才能保證采樣工作的正常進(jìn)行和所得數(shù)據(jù)的正確。

          5 結(jié)束語(yǔ)

          多次實(shí)驗(yàn)證明,這套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠很好地實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)的采樣,它可以在采樣速率很高的情況下,通過(guò)選取合適的抽樣率來(lái)保證采樣數(shù)據(jù)的連續(xù)。由于這套系統(tǒng)在數(shù)據(jù)帶寬的設(shè)置上比較直接、方便,因此可用于實(shí)現(xiàn)從窄帶到寬帶的多種帶寬模式的采樣。此外,該系統(tǒng)的工作模式靈活多樣,不僅能夠很好地對(duì)連續(xù)信號(hào)、脈沖信號(hào)進(jìn)行采樣,對(duì)于調(diào)幅、調(diào)頻等調(diào)制信號(hào),其采樣結(jié)果也能很好地還原出原始信號(hào)。同時(shí),該系統(tǒng)還可以很好地完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理(如對(duì)調(diào)制信號(hào)采樣后的實(shí)時(shí)調(diào)解和保存等)。

          由此可以看出,由GC4016構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有采樣速度高、動(dòng)態(tài)范圍大、抽樣率設(shè)置靈活等特點(diǎn),能較好地完成數(shù)據(jù)的高速采集和處理,充分體現(xiàn)了軟件無(wú)線電的思想和技術(shù),為發(fā)展新一代軟件數(shù)字接收機(jī)奠定了良好的基礎(chǔ)。



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