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數字下變頻器GC1012B原理及配置方法

    數字下變頻技術是軟件無線電的一項核心技術,其性能的好壞直接影響數字接收機的精度。數字下變頻器的作用在于對A/D之后的數字信號進行頻譜搬移,并與頻譜翻轉、抽取、濾波等信號處理相結合,達到下變頻及分離頻譜成分的目的,因此,在實際應用中,選擇一種合適的數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字下變頻器,是一種全數字化的調協器,具有高度的可編程性。采用高速的CMOS工藝技術,大輸入帶寬可達50MHz,帶內任何信號都可以直接下變頻到零中頻。
本文從GC1012B的結構特點和內部功能框圖出發,分析其工作原理,并介紹GC1012B幾個主要寄存器的配置方法,從而實現對頻率、濾波模式、增益大小等參數的設置,后給出了一個具體配置實例作為參考。

1 GC1012B的結構特點
GC1012B具有靈活的可編程性,可通過8位數據端口、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與外處理器(CPLD、FPGA或者DSP)通信,同時通過外處理器對芯片進行配置、控制、監視等操作。另外,GC1012B還自帶一個片上診斷電路,可用于簡化系統的調試和維護。
GC1012B的主要特點有:100MSPS(106個采樣點每秒)輸入速率;0.1Hz調協分辨率;動態范圍大于75dB;輸出帶寬可編程;可12位輸入,10、12、14或16位輸出;采用復數或實數輸出格式;帶有內建的選通/同步發生器;步長為0.03dB增益調節;可用微處理器接口控制輸出和診斷;時鐘丟失時,可自動關閉電源模式;內含片上診斷電路;工作在60MHz、3.3V時,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,其內部結構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、數字振蕩器、混頻器、可編程低通濾波器、增益調節電路、輸出格式化電路和診斷電路等組
控制接口電路是GC1012B與外處理器通信的部分,可以通過讀寫上面的引腳來控制GC1012B的16個8位控制寄存器,從而實現4個功能:使外處理器配置芯片;外處理器捕獲、讀取芯片的采樣輸出;使外處理器實現芯片診斷;產生內部同步選通信號。下面詳細介紹幾個主要的控制寄存器的配置方法,這些控制寄存器通過與控制總線連接的引腳(CS,WE,RE,A[0..3]和C[0..7]進行訪問。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、輸出信號頻譜的格式以及診斷電路的輸入模式,其功能見表2。
圖2給出了輸出譜受到實/復轉換、平移、翻轉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SIN-COS信號發生器構成數字振蕩器部分。控制寄存器0-3組成了頻率寄存器,它有28個可讀寫位(寄存器3的后4位不用),外處理器通過將28位的頻率字FREQ裝載到這3個頻率寄存器中,從而設置中心頻率,頻率字的算法可由下式確定:
式中:W為頻率字;F為需要產生的頻率;rc為時鐘速率。
當頻率字W在累加器中累加后,可由累加的高13位產生精度為12位的正、余弦信號,以將信號混頻到零中頻。

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,通過下式可設定輸出增益:
 式中:G為增益;S[0-3]為寄存器7的0-3位;B與DEC的對應關系(表2中已經列出)。

3 GC1012B在一種應用中的配置及優點
由于GC1012B是中頻寬帶全數字下變頻器。同時具有高度的可編程性,因此特別適用于系統中的下變頻應用部分,利用它對帶寬數字中頻信號直接進行下變頻。筆者在設計一個雷達信號處理系統中就需要對GC1012B進行配置。其系統中完成的具體功能是:將輸入的40MHz數據率的采樣信號轉換成5MHz數據率的正交數字基帶信號。GC1012B系統時鐘為40MHz,由于模擬中頻信號為30MHz,NCO(數字控制振蕩器)頻率也調諧在30MHz。GC1012B的各種參數通過控制口寫入。具體參數配置見DDC配置字(只配置以上介紹的4個控制寄存器),描述每個配置字的功能。
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
與傳統的模擬電路相比,采用GC1012B的電路系統具有以下優點:
a)高度數字化。GC1012B可以實現完全的正交雙通道解調,同時,系統可對中頻數字信號直接進行正交解調變換和分析,從而避免傳統模擬電路在正交解調時的不足。
b)高度靈活性。GC1012B具有高度可編程性,可以使設計者很容易通過DSP編程下變頻器、改變帶寬等,使系統靈活應用在各種帶寬分析系統中。
此外,GC1012B還具有協調精度高,電路設計簡單等特點,在通信、雷達、軟件無線電等許多領域都有廣泛的應用。

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