《電子技術(shù)應(yīng)用》
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HSP50214B PDC及其在軟件無線電中的應(yīng)用

2008-12-12
作者:程水英 陳鵬舉 武傳華

  摘 要: 介紹了HSP50214B可編程" title="可編程">可編程下變頻器的結(jié)構(gòu)組成、工作機(jī)理、引腳功能、技術(shù)特性和應(yīng)用范圍,并結(jié)合作者的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)談了幾點(diǎn)應(yīng)用體會(huì),最后給出了一個(gè)實(shí)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。
  關(guān)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(shì),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(duì)信號(hào)充分?jǐn)?shù)字化的基礎(chǔ)上依靠軟件來定義無線電的各項(xiàng)功能。在現(xiàn)階段、由于各種關(guān)鍵器件,特別是受ADC(模數(shù)變換器)和DSP(數(shù)字信號(hào)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(jì)、適用的折中選擇。在數(shù)字中頻軟件無線電接收機(jī)中,ADC直接采樣的是模擬中頻信號(hào),輸出的高速數(shù)字信號(hào)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(hào),供后續(xù)的DSP作進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品市場(chǎng)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(qiáng)的新款DDC產(chǎn)品。
1 結(jié)構(gòu)組成與工作機(jī)理
  HSP50214B可大體分為13個(gè)功能模塊:同步電路、輸入模塊、輸入電平檢測(cè)、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(dòng)增益控制器(AGC)、重采樣與HB內(nèi)插濾波器、定時(shí)數(shù)控振蕩器、坐標(biāo)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(jié)構(gòu)組成可見,HSP50214B可以完成通常DDC所應(yīng)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(jí)聯(lián)完成。事實(shí)上,這里的變頻和低通濾波合在一起就是帶通信號(hào)的正交調(diào)制過程[5]。而其中的抽取功能實(shí)際上是通過采樣率變換的多級(jí)級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)的。就系統(tǒng)所需的運(yùn)算量和存儲(chǔ)量來說,采樣率變換的多級(jí)實(shí)現(xiàn)通常要比單級(jí)實(shí)現(xiàn)更有效[5]。因此,HSP50214B工作機(jī)理的理論淵源就是帶通信號(hào)的正交調(diào)制理論和采樣率變換的多級(jí)實(shí)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(dòng)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(duì)部分常規(guī)通信信號(hào)的解調(diào)等功能。
2 引腳描述與技術(shù)特性
  HSP50214B是一個(gè)超大規(guī)模集成芯片,共有120個(gè)引腳,各引腳的說明如表1所示。


  概括地說,HSP50214B具有的技術(shù)特性如下:
  · 前端處理速度CLKIN達(dá)到65MSPS,后端處理速度PROCLK達(dá)55MSPS。
  · 全部處理過程的無虛假信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)大于100dB。
  · 在低通輸出帶寬為982kHz的時(shí)候輸出速率可達(dá)12.94MSPS。
  · 總抽取因子范圍為4~16384,由于有了重采樣級(jí),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(dá)0.015Hz(CLKIN=65MSPS時(shí))。
  · 32-bit的重采樣NCO可用于碼元跟蹤。
  · 數(shù)字AGC可用于進(jìn)一步擴(kuò)大信號(hào)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(dòng)兩種選擇。另外還有輸入電平檢測(cè)器用來構(gòu)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(biāo)到極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器和鑒頻(幅)器可用于AM、SSB、FM、PM、ASK、FSK、PSK、QPSK和M進(jìn)制QAM等信號(hào)的解調(diào)。
3 應(yīng)用體會(huì)
  HSP50214B的最大特點(diǎn)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(hào)的接收。當(dāng)用于單信道軟件無線電時(shí),它可同時(shí)支持寬帶和窄帶處理。當(dāng)應(yīng)用于基站接收時(shí),若通過適當(dāng)?shù)木幊?,HSP50214B可以滿足各種各樣的通信標(biāo)準(zhǔn),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(dòng)通信的各種應(yīng)用研究中。
  為了最優(yōu)地配置HSP50214B,必須對(duì)該P(yáng)DC芯片進(jìn)行仔細(xì)地研究,既要了解整個(gè)PDC芯片的結(jié)構(gòu)功能,又要明確芯片中各個(gè)模塊在PDC中的地位、功能和特性。這是因?yàn)樵谛酒O(shè)計(jì)時(shí),其中的每個(gè)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(duì)簡(jiǎn)單一些,比較復(fù)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(wù);5個(gè)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(wù);255階FIR抽取濾波器其實(shí)是指該FIR濾波器的最大可用階數(shù)為255,整個(gè)采樣率變換模塊的濾波整形功能主要由它來承擔(dān),它還可用來補(bǔ)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(jí)用來實(shí)現(xiàn)采樣率的非整數(shù)倍變換;2級(jí)HB內(nèi)插濾波器可以恢復(fù)由于前面對(duì)信號(hào)進(jìn)行抽取而損失的時(shí)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(duì)信號(hào)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(jí)間的接口速率是否匹配以及各級(jí)濾波器在進(jìn)行濾波整形處理時(shí)能夠正常工作的濾波器指標(biāo)范圍等。
  此外,在PDC的配置中還必須考慮以下模塊:使整個(gè)PDC芯片正常工作的AGC模塊;解調(diào)各種常規(guī)通信信號(hào)的鑒頻(幅)模塊;使單片PDC內(nèi)的各個(gè)模塊以及在多片PDC聯(lián)合使用時(shí)各PDC間都能協(xié)調(diào)工作的同步控制功能模塊等。


4 一個(gè)實(shí)用的數(shù)字中頻軟件無線電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
  在此給出一個(gè)實(shí)用的數(shù)字中頻軟件無線電實(shí)驗(yàn)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(jī)中頻為10.7MHz。數(shù)字信號(hào)源是為了進(jìn)行各種軟件無線電的相關(guān)研究而設(shè)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(jī)。前面的模擬接收機(jī)根據(jù)實(shí)際需要既可以掛接寬帶接收機(jī),也可以掛接窄帶接收機(jī)。全部系統(tǒng)都是通過PC機(jī)控制運(yùn)行的。通過實(shí)驗(yàn),HSP50214B可以很好地完成變頻、采樣率壓縮、濾波整形以及對(duì)幾種常規(guī)通信信號(hào)如AM、FM、FSK和PSK等的解調(diào)。
  事實(shí)上,不止是在通信領(lǐng)域,對(duì)于各種用途的無線電電子信息接收系統(tǒng),都可以考慮應(yīng)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(gòu)建一個(gè)多通道系統(tǒng),還可以在一個(gè)系統(tǒng)中應(yīng)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P(yáng)DC共有4個(gè)通道,每個(gè)通道的結(jié)構(gòu)與單片HSP50214B基本相同,但在性能上有所提高,而且可以進(jìn)行獨(dú)立的配置。
參考文獻(xiàn)
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

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