一種高精度中頻信號數(shù)據(jù)采集卡的硬件設計

0 引言
傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡的主要功能是完成對模擬信號的基帶數(shù)字化。由于數(shù)字化是在基帶進行，其下變頻、濾波全部采用模擬方式，因此，對于不同頻段、不同調(diào)制方式的通信系統(tǒng)，應當對應專門的硬件結(jié)構，但這樣的系統(tǒng)缺乏靈活性，且隨著系統(tǒng)采樣率和采樣精度的提高，對數(shù)據(jù)實時性傳輸也帶來了很大的困難。
軟件無線電(software radio)是近年來隨著微電子及計算機技術應運而生的一種新的無線電技術，理想的軟件無線電系統(tǒng)強調(diào)體系結(jié)構的開放性和可編程性，專注于減少靈活性差的硬件電路，并把數(shù)字化處理(A／D)盡量靠近天線，力求通過軟件的更新來改變硬件的配置結(jié)構，以求解決傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡存在的問題。
結(jié)合軟件無線電思想，可將AD采樣后得到的數(shù)據(jù)直接送入數(shù)字下變頻器，然后通過FPGA程序的改變來實現(xiàn)對數(shù)字下變頻器內(nèi)部寄存器的重新配置，從而完成數(shù)字下變頻功能，該方法既提高了系統(tǒng)的靈活性，又能很好的滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)母邔崟r性要求。

1 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡的特點與缺陷
傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡的結(jié)構一般如圖l所示。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡的特點是先對模擬輸入信號進行模擬混頻正交解調(diào)，混頻后的信號經(jīng)模擬低通濾波器后再進行AD采樣。由于兩路模擬乘法器以及低通濾波器難以達到一致，因此，采樣后得到的I、Q兩路信道間的幅度往往不平衡，相位正交誤差較大。同時，隨著模擬輸入頻率的增加，對于模擬低通濾波器、AD器件的采樣率設計要求也越來越高。另外，隨著采樣率和采樣精度的提高，現(xiàn)有的PCI、PCI―E等接口規(guī)范，其數(shù)據(jù)傳輸速率也難以達到設計要求。

2 新型數(shù)據(jù)采集卡設計思想
數(shù)據(jù)采集作為數(shù)字接收機的重要組成部分，其在處理帶寬和數(shù)據(jù)傳輸速率方面應當具有很好的靈活性和可擴展性，而傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集卡難以滿足這些要求?；跀?shù)字信號處理的優(yōu)點，是將模擬中頻輸入先進行AD采樣，采樣后得到的數(shù)據(jù)再送入數(shù)字下變頻器件進行數(shù)字下變頻處理后，再通過PCI總線將數(shù)據(jù)讀入上位機。圖2所示為新型數(shù)據(jù)采集卡的結(jié)構框圖。

同模擬I、Q正交解調(diào)相比，數(shù)字I、Q不僅省掉了一個ADC，更為重要的是，兩個支路的乘法器、濾波器功能均可在數(shù)字域內(nèi)通過算法的編寫靈活實現(xiàn)，并可完全做到一致，從而有效地提高了鏡像抑制比，且數(shù)字濾波性能也高于模擬濾波器。同時，將采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)字下變頻器進行下變頻處理，也可以降低數(shù)據(jù)流速率，從而滿足對后續(xù)數(shù)據(jù)實時性處理的要求。因此，在中頻、甚至射頻對輸入信號進行數(shù)字化，對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制具有重要意義。