一种通用中频数字化接收机的实现

摘要：为满足雷达中频数字化接收机通用性设计要求，给出基于可编程的四通道数字下变频器ISL5416结合高速A／D器件AD6645实现通用中频数字接收机的设计方案。利用AD6645实现直接中频采样，在ISL5416中完成频谱搬移，数字滤波和抽取，实现数字下变频到基带；用FPGA实时控制，给ISL5416配置参数和系统时序控制。详细讨论了数字滤波器的设计和仿真。测试结果显示，系统动态范围大，镜像抑制比高，这是模拟中频接收机不具有的。整个系统集成度高，可靠性好，使用灵活，已在多个雷达产品中运用。
关键词：中频数字接收机；直接中频采样；数字下变频；数字滤波器

0 引 言
    数字化接收机是软件无线电的重要内容，软件无线电的主要思想是将数字化推向前端，即将模数／数模转换器(ADC／DAC)尽量设在射频端，它是理想的软件无线电实现方法，也是数字化接收机的发展方向。早期的数字化接收机受模数转换器件(ADC)水平的制约，采用正交双通道零中频方案，即通过变频将射频变换到零中频(基带)，正交解调得到模拟的正交信号，再进行数字化。由于该方案的主体变换都在模拟部分实现，数字化工作较少，不是真正意义上的数字化接收机。实现起来设备量较大，而且该方案中的正交混频器是模拟器件，得到的正交I，Q信号很难保证幅相正交精度。目前理论和实现上较成熟的数字化接收机方案是中频数字化接收机，即将射频信号经低噪声放大，经一次或二次下变频后，在中频(或高中频)直接采样，在数字下变频到基带得到正交的I，Q信号。目前，中频数字化接收机已在通讯、雷达上普遍使用。为适应灵活多样的模式，建立一个通用的中频数字化处理平台是十分必要的，现在有较高性价比的专用DSP芯片也为中频数字化接收机的实现提供了有力的硬件支持。ISL5416以其强大的可编程能力，使得中频数字化接收机的设计变得更为灵活和方便。本文即是采用专用DDC芯片ISL5416实现雷达中频数字化接收机的一例。该设计非常方便地在信号中频实现了数字化，而且可通过配置不同参数，实现不同模式、不同频率的接收和解调。

1 设计原理
    中频数字化接收机主要由模数转换器(ADC)、数字下变频器(DDC)组成，如图1所示。其中，A／D主要完成对模拟中频信号进行采样，得到数字化的中频信号，DDC将感兴趣的信号转换至基带，同时做抽样率变换及滤波处理，得到正交的I，Q信号送后续的数字信号处理器(DSP)进行基带信号处理。DDC是整个中频数字化接收机的核心，DDC由数控振荡器(NCO)、混频器、低通滤波器和抽取器组成。

    设输入模拟中频信号为：

    本地数字振荡器(NCO)产生的正交信号为：cos(ωcn)和sin(ωcn)，与中频信号在混频器相乘后得：

   
    通过低通滤波器滤除倍频分量后，可以得到有用的正交I，Q信号：

    
    由于信号的采样频率较高，也就是上式的I(n)，Q(n)速率很高，一般远大于窄带信号的带宽，这时可对其进行速率转换(抽取)，以降低此时的输出数据率。不过，抽取后的数据率应不小于信号带宽。在此之前，需经抗混叠滤波器滤波，以保证信号可靠完整地恢复。
    图1中的中频信号是中频带限信号，如果此时中频信号的中心频率较低，可取高采样时钟过采样，依Nyquist采样定理，取采样率fs>2fH采样(fH为信号的高端)，能够不混叠地恢复原信号。如果此时中频信号的中心频率较高，采样率与信号中心频率的关系不满足Nyquist采样定理条件，这时考虑是否满足带通信号的采样定理。这个定理是中频信号采样的理论依据，而Nyquist采样定理是带通信号采样定理的特例。带通采样定理：如果一个中心频率为fo频率带限信号，其频率限制在(fL，fH)内。
    fo=(fL+fH)／2，当采样时钟fs与fo满足关系：

   
式中：n取能满足fs≥2B的最大正整数，B=fH-fL，则用fs进行等间隔采样，所得到的信号采样值能准确地确定原信号。
    满足式(1)的中心频率为fo的信号经采样时钟fs采样后，f(t) 展开项中 cos(2 πfon／fs) 与sin(2πfon／fs)交替取值为零，当它们不为零时，取±1。可交替得到I，Q样值，不过这时的I，Q值已是经二分之一抽取，时域相差半个采样点，这时的I，Q值要在时间上对齐，符号修正，这样就很方便地实现了下变频。之后，只要将处理后的数据经数字滤波器滤波，按合适的抽取因子抽取就可得到所需的I，Q值。这种方法特别适合用FPGA设计的数字下变频器，不需要NCO，节省了设计数字混频器的逻辑资源，而且早期的商用数字下变频器件也是这种数字混频器，要求fo，fs满足式(1)的关系，如HARIS公司(现为Intersil公司)的HSP43216。
    当信号中心频率fo较高，即是高中频信号时，用fs对信号采样属欠采样。当然fo，fs不一定严格满足式(1)的关系。fo，fs选用的总原则是从频谱上分析，采样后的信号经混频、滤波和适当抽取后，基带频谱没有混叠。本设计只是构建一个通用平台，以下的设计用采样率80 MSPS时钟采样，中频信号为中心频率10 MHz，带宽2 MHz，最后输出数据率2．5 MSPS。采样率和信号的最高频率满足过采样关系。

2 器件选用及参数设计
    设计中的主要器件：模数转换器和数字下变频器分别选用AD公司的AD6645和Intersil公司的ISL5416，这两款器件都是具有较高性价比的器件。AD6645是高速、高性能的模数转换器，具有14 b，105 MSPS采样率。该芯片是目前用于直接中频采样的性能较好的一款芯片，片内包括采保和参考时钟，提供CMOS兼容的输出，输入信号带宽可到270 MHz。
    AD6645的采样时钟要求质量高且相位噪声低，如果时钟信号抖动大，信噪比容易恶化，很难保证精度。为了优化性能，AD6645的采样时钟采用差分形式。时钟信号可通过一个变压器或ECL的差分芯片交流耦合到A／D的时钟输入引脚。
    数字下变频器ISL5416是四通道宽带可编程下变频器，专为大动态范围应用而设计，输人数据率最高可达95 MSPS，片内包含数控振荡器(NCO)、数字混频器(Mixer)、数字滤波器(CIC和FIR)、自动增益控制AGC和重采样滤波器等。四个并行16 b定点或17 b浮点输入通道，NCO控制字是32 b可编程的、无杂散动态范围SFDR>110 dB。数字滤波器包括可编程级联的CIC滤波器，两个可编程的FIR滤波器级联，第一个FIR滤波器为32阶，第二个FIR滤波器是64阶，每个数字滤波器后接一个可编程抽取计数器，整个器件的总抽取比可从1～4 096。数字AGC增益范围可达96 dB,，内部数据通道是20 b宽度。
    时序控制和信号预处理芯片采用Altera公司的A-PEX系列的一款器件。该芯片包括典型的200 000个逻辑门，片内带有逻辑存储单元，具有106 496 b RAM。运算速度和内部资源能满足时序控制和一般信号处理的要求。这个系统的时序控制电路采用Verilog硬件描述语言编程实现。
    本系统采用AD6645实现模数变换，用ISL5416完成数字下变频，用FPGA进行时序控制，再配以外围电路构成中频数字接收机电路。用AD6645结合ISL5416是灵活设计中频数字接收机具有较高性价比的组合。
    本设计的主要工作是ISL5416的参数选取，主要是数字下变频器芯片ISL5416的NCO和数字滤波器的参数设计和设置。NCO的频率设置范围为-109～+109Hz，本设计NCO选用10 MHz。中频信号经Mixer混频后，需经抗混叠滤波，首先是CIC滤波器，其后是2级FIR滤波器。CIC一般采取5级级联，5级级联可满足杂波抑制的一般要求。其后第一级FIR滤波器主要是进一步降低CIC后数据率，最大化FIR2的效能，FIR2提供最终的滤波效果。中间包括三次抽取。一般抽取器放在滤波器之后，这样即可滤除高频分量，又可确保输出不混叠。图2是滤波器通道流程图。

    FIR滤波器可借用专门的滤波器设计软件或Mat-lab软件设计。抽取因子的选取根据不同采样率或数据率进行选取，总抽取因子为各因子相乘，三个抽取器抽取比的选取，一般考虑将大抽取比放在CIC处，因为CIC只做位和加法运算，不做乘法运算，适合实时处理，灵活方便。经过大抽取后降低了后面FIR滤波器设计的压力。最后经滤波，抽取后总效果应做到心中有数，用Matlab进行仿真，以检验各滤波器设计是否合理。
    本设计滤波器考虑用5级CIC级联后8级抽取；32阶FIR滤波器后2级抽取；64阶FIR滤波器后2级抽取。这样的总抽取也实现了2．5 MSPS输出数据率。对于FIR1滤波器的设计参数：经8级CIC抽取后，其数据率为10 MHz。选定32阶的FIR滤波器的参数是：采样率10 MHz，通带1 MHz，止带2．5 MHz，通带起伏0．01 dB，阻带衰减80 dB，设计结果如图3所示。

    对于FIR2滤波器设计参数：经2级FIR1抽取后，其数据率为5 MHz。选定64阶FIR滤波器的参数是：采样率5 MHz，通带1 MHz，止带1．4 MHz，通带起伏O．01 dB，阻带衰减80 dB，设计结果如图4所示。
    ISL5416经8级CIC滤波抽取，2级32阶FIR滤波抽取，2级64阶FIR滤波抽取后总效果用Matlab软件仿真如图5所示。图中显示了3个辛格函数(sinc)的旁瓣。从图5可以看出，带外抑制在90 dBFS以下能够满足实际要求。

3 测试结果和分析
    利用图形化编程软件LabVIEW设计一套系统指标测试程序，用该程序对采集的数据分析后结果如图6所示。图6所示的是80 MHz系统采样时钟，输入信号是10．2 MHz的单点频信号，输出为2．5 MSPS数据率。可以看出，信噪比(SNR)为71 dB，无杂散动态范围(SDFR)为77 dB，镜像抑制比为96 dB。这说明I，Q的正交度高，这一点是模拟中频接收机无法比拟的。

    该中频数字接收机可处理信号带宽达到20 MHz以上，因此能够满足通讯和雷达系统的一般要求，虽然现在流行用FPGA设计数字接收机，但大容量、高速的FPGA价格昂贵。另外，软件设计也较复杂，而ISL5416功能强大，设计灵活，价格适中，因此ISL5416相对FPGA设计具有较大的性价比优势。但在使用时，要注意的是，ISL5416输出数据具有不可恢复性，若工作时钟受干扰或中途切换，输出数据将出错。
    ISL5416提供的两个信号RESET是复位信号，SYNCin是全局同步信号，RESET有效使整个芯片停止工作，所有寄存器置默认值，而SYNCin有效则刷新NCO控制字，抽取计数器，则重新启动滤波器。输出数据计数器时钟和混频滤波通道时钟是两个支路时钟。因此，系统电路的时钟和同步信号受干扰或中途切换，最好用RESET复位，再重新加载数据工作，不能简单用SYNCin来复位。

4 结 语
    目前，中频数字化接收机已在通讯和雷达产品中普遍运用，产品的通用性、可靠性、可移植性代表了产品的生命力，也符合软件无线电的思想。本设计的电路能够较好地实现中频数字接收机的总体指标，已在多个雷达产品中实现中频直接采样，而且也实现了米波段射频直接采样数字下变频，性能稳定可靠，实时处理性强。