摘 要： 介紹了HSP50214B可編程" title="可編程">可編程下變頻器的結構組成、工作機理、引腳功能、技術特性和應用范圍，并結合作者的開發(fā)經(jīng)驗談了幾點應用體會，最后給出了一個實用的數(shù)字中頻" title="數(shù)字中頻">數(shù)字中頻軟件無線電" title="軟件無線電">軟件無線電實驗系統(tǒng)。
關鍵詞： 軟件無線電 數(shù)字下變頻器 HSP50214B
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軟件無線電[1][2]代表著包括無線通信在內(nèi)的幾乎所有的無線電電子信息系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，其核心思想就是將模數(shù)/數(shù)模變換器" title="變換器">變換器盡量靠近天線，在對信號充分數(shù)字化的基礎上依靠軟件來定義無線電的各項功能。在現(xiàn)階段、由于各種關鍵器件，特別是受ADC(模數(shù)變換器)和DSP(數(shù)字信號處理器)發(fā)展水平的限制，數(shù)字中頻軟件無線電[3]正成為理想軟件無線電的一種經(jīng)濟、適用的折中選擇。在數(shù)字中頻軟件無線電接收機中，ADC直接采樣的是模擬中頻信號，輸出的高速數(shù)字信號經(jīng)由數(shù)字下變頻器(DDC)的變頻、抽取(Decimation)和低通濾波處理之后成為低速的基帶信號，供后續(xù)的DSP作進一步的處理。Intersil公司(1999年8月更名前為Harris公司)一直占據(jù)著商用數(shù)字中頻標準產(chǎn)品市場的較大份額，尤其是DDC系列產(chǎn)品更是倍受青睞；HSP50214B PDC(Programmable Downconverter)就是該公司繼HSP50016、HSP50214和HSP50214A之后推出的單通道DDC中性能最好、功能最強的新款DDC產(chǎn)品。
1 結構組成與工作機理
HSP50214B可大體分為13個功能模塊：同步電路、輸入模塊、輸入電平檢測、變頻模塊(正交混頻器與數(shù)控振蕩器)、CIC(Cascaded Integrator－Comb)抽取濾波器" title="抽取濾波器">抽取濾波器、HB(Half－band)抽取濾波器、255階可編程FIR濾波器、自動增益控制器(AGC)、重采樣與HB內(nèi)插濾波器、定時數(shù)控振蕩器、坐標變換器、鑒頻(幅)模塊和輸出模塊。圖1為HSP50214B的功能組成框圖。
從其結構組成可見，HSP50214B可以完成通常DDC所應具有的三大功能：一是頻率變換；二是采樣率壓縮(抽取)；三是濾波整形。其中的變頻功能由圖1中所示的正交混頻器完成，抽取和濾波功能則由圖1中所示的CIC抽取濾波器、HB抽取濾波器、255階FIR抽取濾波器、重采樣和HB內(nèi)插(Interpolation)濾波器級聯(lián)完成。事實上，這里的變頻和低通濾波合在一起就是帶通信號的正交調(diào)制過程[5]。而其中的抽取功能實際上是通過采樣率變換的多級級聯(lián)實現(xiàn)的。就系統(tǒng)所需的運算量和存儲量來說，采樣率變換的多級實現(xiàn)通常要比單級實現(xiàn)更有效[5]。因此，HSP50214B工作機理的理論淵源就是帶通信號的正交調(diào)制理論和采樣率變換的多級實現(xiàn)理論。除了上述的三大功能以外，HSP50214B還可以完成諸如自動增益控制、片內(nèi)和片間的同步控制、載波和碼元跟蹤以及對部分常規(guī)通信信號的解調(diào)等功能。
2 引腳描述與技術特性
HSP50214B是一個超大規(guī)模集成芯片，共有120個引腳，各引腳的說明如表1所示。
概括地說，HSP50214B具有的技術特性如下：
· 前端處理速度CLKIN達到65MSPS，后端處理速度PROCLK達55MSPS。
· 全部處理過程的無虛假信號動態(tài)范圍(SFDR)大于100dB。
· 在低通輸出帶寬為982kHz的時候輸出速率可達12.94MSPS。
· 總抽取因子范圍為4～16384，由于有了重采樣級，抽取因子可以是非整數(shù)。
· 32－bit的可編程載頻數(shù)控振蕩器(NCO)可用于信道分選和載波跟蹤，頻率分辨率可達0.015Hz(CLKIN＝65MSPS時)。
· 32－bit的重采樣NCO可用于碼元跟蹤。
· 數(shù)字AGC可用于進一步擴大信號的位分辨率，增益容限可在0～96.332dB、增益調(diào)整速率可在0.000106～3.275dB/PS之內(nèi)可編程，增益調(diào)整有固定和自動兩種選擇。另外還有輸入電平檢測器用來構成外部模擬增益控制環(huán)路。
· 輸入分辨率為14－bit，輸出分辨率為16－bit，支持直接串行、直接并行、FIFO式緩存和快照式緩存輸出。
· 笛卡兒坐標到極坐標轉換器和鑒頻(幅)器可用于AM、SSB、FM、PM、ASK、FSK、PSK、QPSK和M進制QAM等信號的解調(diào)。
3 應用體會
HSP50214B的最大特點是通過其靈活的可編程性可獲得功能的多樣性。它可以與HSP50210數(shù)字科斯塔斯環(huán)(Digital Costas Loop)一起用于PSK信號的接收。當用于單信道軟件無線電時，它可同時支持寬帶和窄帶處理。當應用于基站接收時，若通過適當?shù)木幊?，HSP50214B可以滿足各種各樣的通信標準，如FDMA中的AMPS(IS－91)；TDMA中的IS－54、GSM、PCN和北美TDMA IS－136；CDMA中的IS－95等等。它還可很好地用于第三代移動通信的各種應用研究中。
為了最優(yōu)地配置HSP50214B，必須對該PDC芯片進行仔細地研究，既要了解整個PDC芯片的結構功能，又要明確芯片中各個模塊在PDC中的地位、功能和特性。這是因為在芯片設計時，其中的每個模塊都被賦予了特殊的作用。HSP50214B的核心是完成三大功能的兩大模塊：變頻模塊和采樣率變換模塊(兼有濾波整形功能)；前者的配置相對簡單一些，比較復雜的是后者。在采樣率變換模塊中，CIC抽取濾波器用來完成主要的抽取任務；5個HB抽取濾波器用來完成抽取因子為2的冪次的采樣率壓縮任務；255階FIR抽取濾波器其實是指該FIR濾波器的最大可用階數(shù)為255，整個采樣率變換模塊的濾波整形功能主要由它來承擔，它還可用來補償其前面的濾波器如CIC濾波器在通帶內(nèi)的衰減等；重采樣級用來實現(xiàn)采樣率的非整數(shù)倍變換；2級HB內(nèi)插濾波器可以恢復由于前面對信號進行抽取而損失的時間分辨率，并且還可以讓前面的255階FIR濾波器工作在盡量接近Nyquist采樣率的低采樣率下，以使255階FIR濾波器的可用濾波器階數(shù)增大，從而更好地完成對信號的濾波整形處理[6]。在采樣率變換模塊的配置中需要特別考慮的還有PDC芯片的硬件制約因素，如各級間的接口速率是否匹配以及各級濾波器在進行濾波整形處理時能夠正常工作的濾波器指標范圍等。
此外，在PDC的配置中還必須考慮以下模塊：使整個PDC芯片正常工作的AGC模塊；解調(diào)各種常規(guī)通信信號的鑒頻(幅)模塊；使單片PDC內(nèi)的各個模塊以及在多片PDC聯(lián)合使用時各PDC間都能協(xié)調(diào)工作的同步控制功能模塊等。
4 一個實用的數(shù)字中頻軟件無線電實驗系統(tǒng)
在此給出一個實用的數(shù)字中頻軟件無線電實驗系統(tǒng)，如圖2所示。其中用于中頻采樣的ADC為Analog Device公司的AD6644，接收機中頻為10.7MHz。數(shù)字信號源是為了進行各種軟件無線電的相關研究而設置的。PDC后的基帶處理器既可以是通用DSP，也可以是高檔PC機。前面的模擬接收機根據(jù)實際需要既可以掛接寬帶接收機，也可以掛接窄帶接收機。全部系統(tǒng)都是通過PC機控制運行的。通過實驗，HSP50214B可以很好地完成變頻、采樣率壓縮、濾波整形以及對幾種常規(guī)通信信號如AM、FM、FSK和PSK等的解調(diào)。
事實上，不止是在通信領域，對于各種用途的無線電電子信息接收系統(tǒng)，都可以考慮應用象HSP50214B這樣高性能的PDC芯片來開發(fā)具有軟件無線電意義上的新一代產(chǎn)品。為了構建一個多通道系統(tǒng)，還可以在一個系統(tǒng)中應用多片HSP50214B。另外，Intersil于2000年最新推出了該公司的首片多通道PDC——HSP50216QPDC(Quad PDC)，該PDC共有4個通道，每個通道的結構與單片HSP50214B基本相同，但在性能上有所提高，而且可以進行獨立的配置。
參考文獻
1 J.Mitola. The Software Radio Architecture. IEEE Communications Magazine，1995；(5)
2 R. J. Lackey、 D. W.Upmal. Speakeasy: The Military Software Radio.IEEE Communications Magazine，1995；(5)
3 D. B.Chester. Digital IF Technology for 3G Systems:An Introduction.IEEE Communications Magazine，1999；(5)
4 HSP50214B Data Sheet. FN4450.2.Harris Semiconductor，1999；(2)
5 R. E. Crochiere and L .R. Rabiner. Multirate Digital Signal Processing. Englewood Cliffs. NJ: Prentice Hall、 1983
6 Cheng Shuiying. Chen Pengju and Wu Chuanhua. Configuration for the Ten Digital Filters of HSP50214 (A/B). Proceedings of ICSP2000. Beijing、August，2000