數(shù)字下變頻器GC1012B原理及配置方法

0 引言

數(shù)字下變頻技術(shù)是軟件無(wú)線電的一項(xiàng)核心技術(shù)，其性能的好壞直接影響數(shù)字接收機(jī)的精度。數(shù)字下變頻器的作用在于對(duì)a/d之后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行頻譜搬移，并與頻譜翻轉(zhuǎn)、抽取、濾波等信號(hào)處理相結(jié)合，達(dá)到下變頻及分離頻譜成分的目的，因此，在實(shí)際應(yīng)用中，選擇一種合適的數(shù)字下變頻器是必不可少的。
gc1012b是graychip（ti子公司）推出的單通道帶寬中頻數(shù)字下變頻器，是一種全數(shù)字化的調(diào)協(xié)器，具有高度的可編程性。采用高速的cmos工藝技術(shù)，最大輸入帶寬可達(dá)50mhz，帶內(nèi)任何信號(hào)都可以直接下變頻到零中頻。

本文從gc1012b的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和內(nèi)部功能框圖出發(fā)，分析其工作原理，并介紹gc1012b幾個(gè)主要寄存器的配置方法，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率、濾波模式、增益大小等參數(shù)的設(shè)置，最后給出了一個(gè)具體配置實(shí)例作為參考。

1 gc1012b的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

gc1012b具有靈活的可編程性，可通過(guò)8位數(shù)據(jù)端口、4位地址端口、讀寫線和1位片選控制線組成的微處理器控制接口來(lái)與外處理器（cpld、fpga或者dsp）通信，同時(shí)通過(guò)外處理器對(duì)芯片進(jìn)行配置、控制、監(jiān)視等操作。另外，gc1012b還自帶一個(gè)片上診斷電路，可用于簡(jiǎn)化系統(tǒng)的調(diào)試和維護(hù)。

gc1012b的主要特點(diǎn)有：100msps（106個(gè)采樣點(diǎn)每秒）輸入速率；0.1hz調(diào)協(xié)分辨率；動(dòng)態(tài)范圍大于75db；輸出帶寬可編程；可12位輸入，10、12、14或16位輸出；采用復(fù)數(shù)或?qū)崝?shù)輸出格式；帶有內(nèi)建的選通/同步發(fā)生器；步長(zhǎng)為0.03db增益調(diào)節(jié)；可用微處理器接口控制輸出和診斷；時(shí)鐘丟失時(shí)，可自動(dòng)關(guān)閉電源模式；內(nèi)含片上診斷電路；工作在60mhz、3.3v時(shí)，功耗為850mw，采用120引腳pqfp封裝。

2 gc1012b配置方法

gc1012b采用120引腳qfp封裝，3.3v電源供電，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理框圖如圖1所示，從圖中可以看出，gc1012b主要由控制接口電路、數(shù)字振蕩器、混頻器、可編程低通濾波器、增益調(diào)節(jié)電路、輸出格式化電路和診斷電路等組成。

控制接口電路是gc1012b與外處理器通信的部分，可以通過(guò)讀寫上面的引腳來(lái)控制gc1012b的16個(gè)8位控制寄存器，從而實(shí)現(xiàn)4個(gè)功能：使外處理器配置芯片；外處理器捕獲、讀取芯片的采樣輸出；使外處理器實(shí)現(xiàn)芯片診斷；產(chǎn)生內(nèi)部同步選通信號(hào)。下面詳細(xì)介紹幾個(gè)主要的控制寄存器的配置方法，這些控制寄存器通過(guò)與控制總線連接的引腳（cs，we，re，a[0..3]和c[0..7]進(jìn)行訪問(wèn)。表1是它們的地址和名稱。

2.1 濾波模式寄存器

控制寄存器5即濾波模塊寄存器，主要控制濾波輸出、輸出信號(hào)頻譜的格式以及診斷電路的輸入模式，其功能見(jiàn)表2。

圖2給出了輸出譜受到實(shí)/復(fù)轉(zhuǎn)換、平移、翻轉(zhuǎn)等控制位影響的例子。

2.2 頻率寄存器

頻率寄存器與頻率累加器和一個(gè)sin－cos信號(hào)發(fā)生器構(gòu)成數(shù)字振蕩器部分。控制寄存器0－3組成了頻率寄存器，它有28個(gè)可讀寫位（寄存器3的后4位不用），外處理器通過(guò)將28位的頻率字freq裝載到這3個(gè)頻率寄存器中，從而設(shè)置中心頻率，頻率字的算法可由下式確定：

式中：w為頻率字；f為需要產(chǎn)生的頻率；rc為時(shí)鐘速率。

當(dāng)頻率字w在累加器中累加后，可由累加的高13位產(chǎn)生精度為12位的正、余弦信號(hào)，以將信號(hào)混頻到零中頻。

2.3 增益控制寄存器

控制寄存器6和7組成了增益控制寄存器，通過(guò)下式可設(shè)定輸出增益：

式中：g為增益；s[0－3]為寄存器7的0－3位；b與dec的對(duì)應(yīng)關(guān)系（表2中已經(jīng)列出）。

3 gc1012b在一種應(yīng)用中的配置及優(yōu)點(diǎn)

由于gc1012b是中頻寬帶全數(shù)字下變頻器。同時(shí)具有高度的可編程性，因此特別適用于系統(tǒng)中的下變頻應(yīng)用部分，利用它對(duì)帶寬數(shù)字中頻信號(hào)直接進(jìn)行下變頻。筆者在設(shè)計(jì)一個(gè)雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)中就需要對(duì)gc1012b進(jìn)行配置。其系統(tǒng)中完成的具體功能是：將輸入的40mhz數(shù)據(jù)率的采樣信號(hào)轉(zhuǎn)換成5mhz數(shù)據(jù)率的正交數(shù)字基帶信號(hào)。gc1012b系統(tǒng)時(shí)鐘為40mhz，由于模擬中頻信號(hào)為30mhz，nco（數(shù)字控制振蕩器）頻率也調(diào)諧在30mhz。gc1012b的各種參數(shù)通過(guò)控制口寫入。具體參數(shù)配置見(jiàn)ddc配置字（只配置以上介紹的4個(gè)控制寄存器），描述每個(gè)配置字的功能。

ddc配置字：0x00，0x00，0x00，0x0c，0x24，0x08，0x05 register0--register3：sample rate：40mhz，dco frequency：30mhz register5：diag＝0，flip＝0，offset＝1，real＝0，dec[2：0]＝100（4dec） register6：f[7：0]＝00001000 register7：s[3：0]＝101（5dec），b＝3（dec），gain＝（2＾（5－3））×（1＋8/256）＝4

與傳統(tǒng)的模擬電路相比，采用gc1012b的電路系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

a）高度數(shù)字化。gc1012b可以實(shí)現(xiàn)完全的正交雙通道解調(diào)，同時(shí)，系統(tǒng)可對(duì)中頻數(shù)字信號(hào)直接進(jìn)行正交解調(diào)變換和分析，從而避免傳統(tǒng)模擬電路在正交解調(diào)時(shí)的不足。

b）高度靈活性。gc1012b具有高度可編程性，可以使設(shè)計(jì)者很容易通過(guò)dsp編程下變頻器、改變帶寬等，使系統(tǒng)靈活應(yīng)用在各種帶寬分析系統(tǒng)中。
此外，gc1012b還具有協(xié)調(diào)精度高，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在通信、雷達(dá)、軟件無(wú)線電等許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。