多片DDC接口的設(shè)計

多片DDC接口的設(shè)計
Interface Design of Multiple DDCs
北京理工大學電子工程系   趙華 馬永峰 陶然

摘要：本文提出了用DSP芯片控制多片數(shù)字下變頻器的接口設(shè)計方案，分析了多片DDC同步工作的關(guān)鍵技術(shù),最后給出了該接口電路在“無源雷達信號處理”項目中的具體應用。
關(guān)鍵詞：DDC；HSP50214B；DSP；同步
*國家自然科學基金資助項目（60232010）。2005年5月26日收到修改稿。
引言
數(shù)字下變頻的處理功能是將采樣后的中頻信號轉(zhuǎn)換成基帶數(shù)字信號，廣泛應用于雷達、聲納和無線電接收機中。數(shù)字下變頻器(DDC)是數(shù)字下變頻的硬件實現(xiàn)方案之一，能夠?qū)?shù)字化的中頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成能夠被標準DSP處理的基帶數(shù)據(jù)。將DDC和DSP芯片直接連接就可以傳遞和處理數(shù)字基帶信號和狀態(tài)數(shù)據(jù)。由于轉(zhuǎn)換時間短、可編程控制和數(shù)字化、易集成等優(yōu)越性能，DDC在雷達、通信等電子系統(tǒng)中應用越來越廣泛；在多路信號處理等場合，也常使用多片DDC進行下變頻、抽取濾波處理。筆者在多通道無源雷達信號處理機的設(shè)計中，采用了DSP芯片TMS320VC5409控制4片DDC芯片HSP50214B的接口電路，研究了同步控制多片HSP50214B等關(guān)鍵技術(shù)。

DDC芯片HSP50214B
數(shù)字下變頻器HSP50214B是一個非常靈活的數(shù)字調(diào)諧器,是INTERSIL公司為了滿足一個寬范圍的通信商業(yè)標準要求而設(shè)計的,主要用于軟件無線電中A/D后的處理。HSP50214B 的下變頻處理功能是將被抽樣的中頻信號轉(zhuǎn)變成基帶數(shù)字抽樣信號,完成該功能的模塊包括本振產(chǎn)生器(NCO),積分梳狀濾波器(CIC),多級半帶濾波器(HB)以及可編程有限脈沖響應濾波器(FIR),具有重復抽取,自動增益控制,頻率鑒別,以及多片同步檢測等功能。如果將HSP50214B和一個DSP處理芯片直接連接就可以傳遞和處理數(shù)字基帶信號和狀態(tài)數(shù)據(jù)。可編程下變頻器HSP50214B能夠?qū)?shù)字化的中頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成能夠被標準的DSP微處理器處理的基帶數(shù)據(jù)。

多片DDC與DSP接口電路
HSP50214B的配置通過DSP對其內(nèi)部控制字操作來實現(xiàn)，共有255個32bit的控制字可以分別控制HSP50214B的輸入、抽取、濾波、輸出格式等環(huán)節(jié)。通過地址線A0-A2和數(shù)據(jù)線 D0-D7，可以實現(xiàn)對其內(nèi)部控制字的讀寫操作，如圖1所示。

圖1 HSP50214B和DSP接口電路
四片HSP50214B的8位數(shù)據(jù)線同時占用DSP數(shù)據(jù)線的低8位,3位地址線同時占用DSP地址線的低3位。由于HSP50214B沒有讀寫寄存器片選信號,因此需要利用DSP的讀寫信號RD/WR
和高位地址線A15-A14位,并由EPLD對其進行譯碼分別控制四片HSP50214B器件的寫信號WR,該寫信號負責把數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)寫入到HSP50214B控制寄存器中,這樣就實現(xiàn)了片選不同HSP50214B的目的。
HSP50214B的寫操作過程采用間接尋址方式, 32bit的控制字首先通過8bit數(shù)據(jù)線分4次寫入主寄存器,該4次寫操作過程中地址線A2-0應依次為[000:011],之后DSP將該控制字對應的8bit目標寄存器地址寫入HSP50214B內(nèi)部專有寄存器,此時地址線應為[100],該操作觸發(fā)一個脈沖,將主寄存器中的32bit控制字加載入目標寄存器?？刂谱衷赪R信號的上升沿鎖存入主寄存器。需要格外注意的是,在相鄰控制字加載過程之間需等待4個時鐘周期,由HSP50214B進行內(nèi)部加載配置。
由于DSP的數(shù)據(jù)總線和地址總線需要同時與EPLD和四片HSP50214B相連接，為了提高總線的驅(qū)動能力，DSP輸出的總線需要通過TI公司的SN74LVTH162245芯片進行驅(qū)動后才能與這些異步接口的器件相連接。但是，這樣直接加上驅(qū)動的數(shù)據(jù)和地址總線被四片HSP50214B分時復用會帶來傳輸阻抗不匹配的問題，系統(tǒng)采用的方法是使被復用的DSP總線上的每一路信號首先驅(qū)動SN74LVTH162245上的四個輸入端，這樣就可以從它的輸出端得到四個被相互隔離的四路相同信號，然后再各自加端接匹配電阻，對每路信號進行匹配后再接到各自的終端。這樣不僅解決了信號隔離問題，還很好地解決了一路信號線因驅(qū)動多路終端所引起的傳輸阻抗不匹配的問題。
此外,DSP的控制信號通過EPLD譯碼產(chǎn)生DDC的輸入使能信號ENI,決定DDC芯片開啟工作時刻。在DSP加載DDC芯片控制字,HSP50214B芯片開始工作后產(chǎn)生輸出數(shù)據(jù)有效信號DATA_RDY,通過EPLD對此信號進行計數(shù)監(jiān)控,可以實時計算DDC輸出的數(shù)據(jù)量,并進而向后級DSP發(fā)出讀數(shù)據(jù)請求中斷,實現(xiàn)合理的時序分配。

多片DDC同步工作的關(guān)鍵技術(shù)
為了實現(xiàn)多路中頻信號同步處理,要求DDC同步工作。DSP通過EPLD譯碼控制著四片DDC的輸入使能信號ENI,在DSP寫DDC控制字期間,ENI處于無效狀態(tài),DSP寫操作結(jié)束后向EPLD發(fā)出控制信號,將四片DDC芯片的輸入端同時使能,從而實現(xiàn)了多DDC同步啟動工作。

圖2 多片HSP50214B同步工作電路
多片DDC的同步還需要內(nèi)部工作時鐘的同步,這是通過主從配置實現(xiàn)的，芯片的前端工作電路由輸入時鐘（CLKIN）實現(xiàn)同步，而后端電路由工作時鐘（PROCLK）實現(xiàn)同步, 為了使四片DDC和EPLD之間系統(tǒng)時鐘同步，系統(tǒng)要求用一個時鐘信號源產(chǎn)生四路相干時鐘分別分配給EPLD和四片HSP50214B，這給保證時鐘信號的驅(qū)動能力和信號完整性帶來了難度。系統(tǒng)的解決辦法是將溫補晶振產(chǎn)生的40MHz時鐘信號首先傳送到一個零延遲時鐘驅(qū)動芯片CY2305的輸入端，再由該芯片輸出五路同步時鐘信號，其中一路時鐘直接供給EPLD，其它四路時鐘分別輸入HSP50214B的輸入時鐘CLKIN和工作時鐘PROCLK。
DDC之間由SYNCOUT,SYNCIN1,SYNCIN2,MSYNCO和MSYNCI來控制同步時序, 如圖2所示。MSYNCO是多芯片同步輸出引腳,系統(tǒng)中HSP50214B_1配置為主芯片,它的MSYNCO輸出連接至四片HSP50214B的MSYNIN引腳;SYNCOUT引腳由前端時鐘CLKIN或工作時鐘PROCLK產(chǎn)生,用以同步芯片內(nèi)部工作,其中HSP50214B_1的SYNCOUT引腳連接至四片HSP50214B芯片的SYNCIN2引腳,用以同步DDC芯片內(nèi)部的FIR濾波以及自動控制增益(AGC)部分;HSP50214B_2的SYNCOUT引腳連接至四片HSP50214B芯片的SYNCIN1引腳,用以同步DDC芯片內(nèi)部的CIC抽取濾波以及數(shù)控振蕩器部分。

結(jié)語
在“基于電視信號的無源雷達信號處理”項目中,筆者設(shè)計的中頻采集板卡對接收機輸出的4路伴音和圖像中頻信號進行高速采集與數(shù)字下變頻。筆者在電路設(shè)計中采用了本文提出的DSP控制多片DDC芯片的接口設(shè)計方案,對于4路A/D轉(zhuǎn)換后的高速信號,分別通過DDC進行下變頻和多級抽取濾波。
該無源雷達信號處理機已經(jīng)通過了外場試驗驗證,其中的中頻采集板卡經(jīng)測試可以精確實現(xiàn)數(shù)字下變頻功能,精確度為0.01Hz;抽取模塊實現(xiàn)信號速率400倍降低;濾波環(huán)節(jié)有效地增大了采集卡的動態(tài)范圍31dB,很好地滿足了無源雷達信號處理機的指標要求。

參考文獻：
1. HSP50214B Data Sheet,Intersil Corporation,Doc No 4450.3