??? 摘 要： 介紹了ISL5216下變頻" title="數(shù)字下變頻">數(shù)字下變頻器的工作原理,、功能和結(jié)構(gòu),，并對(duì)ISL5216在短波寬帶多波道接收機(jī)中的應(yīng)用和配置作了詳細(xì)分析,，最后給出了其在短波陣列信號(hào)處理設(shè)備系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用結(jié)果,，具有較強(qiáng)的實(shí)用性,。
??? 關(guān)鍵詞： 數(shù)字下變頻,；多波道接收機(jī),；ISL5216

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??? 短波頻段的陣列信號(hào)處理設(shè)備通常包括短波天線陣,、短波多波道接收機(jī),、后端陣列信號(hào)處理機(jī)三個(gè)主要部分。其中,，短波天線陣接收空間短波信號(hào),；短波接收機(jī)對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行頻譜搬移和數(shù)字化；陣列信號(hào)處理機(jī)則對(duì)短波多波道接收機(jī)輸出信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的陣列信號(hào)處理算法,，給出最終運(yùn)算結(jié)果,。
??? 短波多波道接收機(jī)對(duì)接收信號(hào)的數(shù)字化過程是對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行以下處理：(1)對(duì)中頻采樣信號(hào)進(jìn)行數(shù)字下變頻(DDC)，得到基帶信號(hào),；(2)將接收機(jī)整個(gè)帶寬劃分為一個(gè)個(gè)較窄的子信道,，便于后續(xù)處理；(3)完成波道間的不一致性校正,，消除幅度相位誤差,。基于以上功能要求,，采用多片數(shù)字下變頻芯片ISL5216對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理,，經(jīng)抽取濾波降低數(shù)據(jù)率，同時(shí)通過設(shè)置濾波器帶寬完成信道劃分,，而各波道間的不一致性校正通過實(shí)時(shí)修改ISL5216內(nèi)部寄存器的配置來實(shí)現(xiàn),。此方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，處理方式靈活,，非常適用于短波陣列信號(hào)接收系統(tǒng),。
1 系統(tǒng)總體方案
??? 無線信號(hào)進(jìn)入多波道接收機(jī)，先由前端模擬模塊完成頻譜搬移,、放大濾波,、A/D采樣，然后經(jīng)接收機(jī)背板通過LVDS方式傳輸?shù)綌?shù)字化模塊,。短波寬帶多波道接收機(jī)數(shù)字化部分的原理框圖如圖1所示,。由于數(shù)字下變頻芯片的輸入信號(hào)和時(shí)鐘均為TTL方式，因此信號(hào)在進(jìn)入下變頻芯片之前要進(jìn)行LVDS/TTL的轉(zhuǎn)換。經(jīng)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)傳輸?shù)綌?shù)字下變頻組進(jìn)行信道劃分和數(shù)字下變頻,；處理后的數(shù)據(jù)由FPGA1經(jīng)光纖接口輸出到后續(xù)處理模塊,。為減輕FPGA1的管腳使用壓力，增加了FPGA2,，同時(shí),，兩片F(xiàn)PGA配合完成ISL5216的配置和參數(shù)修正。另一方面,，光口接收控制參數(shù),，回傳給DDC組，修改ISL5216芯片配置,，實(shí)現(xiàn)通道校正,。

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??? ISL5216有4個(gè)獨(dú)立的下變頻通道,，每條通道都可分為前端部分和后端部分,，前端和后端通過總線路由連接。單通道輸出帶寬能達(dá)到lMHz,，還能通過芯片內(nèi)部的總線路由將通道級(jí)聯(lián)以提供更大的帶寬,。前端部分由數(shù)字混頻器、可編程正交數(shù)字控制振蕩器(NCO),、桶狀移位寄存器和積分梳狀濾波器(CIC)組成,。NCO的32位頻率字在輸入信號(hào)采樣率為95 MS/s時(shí)可提供小于1Hz的頻率分辨率，其無雜散動(dòng)態(tài)范圍>115dB,。1～5級(jí)CIC濾波器可提供最大65 536的抽取率,。后端部分由有限沖擊響應(yīng)濾波器(FIR)模塊、自動(dòng)增益控制(AGC)模塊和笛卡爾坐標(biāo)到極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器組成,。FIR濾波器模塊由一組半帶抽取濾波器(HBF),、內(nèi)插濾波器、最高256階FIR濾波器以及重采樣濾波器組成,，濾波器抽頭總數(shù)最高為384,。AGC模塊可提供動(dòng)態(tài)或固定的增益控制，增益最高可達(dá)96db,。笛卡爾坐標(biāo)到極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器提供幅度和相位輸出,，之后與鑒頻器相連接實(shí)現(xiàn)AM和FM解調(diào)。ISL5216支持最高95MS/s的輸入,，4路并行的17位的輸入支持16位定點(diǎn)或一路到多路的17位浮點(diǎn)輸入信號(hào),。此外,，ISL5216具有110dB的帶外衰減，4～65 536倍的抽取率,，24位的內(nèi)部數(shù)據(jù)通路,，4個(gè)獨(dú)立通道每個(gè)通道提供2路串行輸出，可選擇包括I分量,、Q分量,、幅度、相位,、頻率和AGC增益等多種輸出形式,，且串行輸出的格式能夠從4位定點(diǎn)到32位浮點(diǎn)等多種輸出格式中選擇。ISL5216還提供微處理器接口以對(duì)內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀寫操作,，并能通過此接口將4路通道的數(shù)據(jù)以FIFO的方式讀出,。
3 ISL5216在系統(tǒng)中的應(yīng)用
3.1 系統(tǒng)需求
??? DDC組是短波寬帶多波道接收機(jī)數(shù)字化部分的核心，依據(jù)系統(tǒng)需求對(duì)DCC組中的ISL5216進(jìn)行配置,，從而實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能。系統(tǒng)采樣頻率為60MHz,，總帶寬為4MHz,，需劃分為56個(gè)子信道，每個(gè)子信道寬71.5kHz,，兩端各加5kHz的保護(hù)帶,，則子信道帶寬為81.5kHz。因此以81.5kHz為步進(jìn)作為各子信道的中心頻率,。由于每片ISL5216中有四個(gè)獨(dú)立通道,，則共需14片數(shù)字下變頻芯片。將子信道信號(hào)下變頻到零中頻,，經(jīng)CIC濾波器及半帶濾波器進(jìn)行抽取濾波后,，輸出采樣率降低為100kHz，抽取率為600,，末端的FIR濾波器通帶為40.75kHz,，過渡帶為9.25kHz。下變頻后數(shù)據(jù)以I,、Q兩路形式輸出,，數(shù)據(jù)格式為32bit定點(diǎn)數(shù)據(jù)。根據(jù)以上要求設(shè)置ISL5216寄存器參數(shù),。
3.2 ISL5216的配置過程
??? ISL5216共有73個(gè)32位控制字,、128個(gè)32位濾波器運(yùn)算指令寄存器和192個(gè)22位的濾波器系數(shù)需要編程和設(shè)置，可以根據(jù)不同信號(hào)的下變頻要求設(shè)計(jì)不同的功能模塊參數(shù),，并且通過其靈活的可編程性獲得功能的多樣性,。
??? 本系統(tǒng)由FPGA1（EP2S60）和FPGA2（EPM3256）合作完成ISL5216 的參數(shù)配置,。ISL5216寄存器的寫操作分為外部寫操作和內(nèi)部寫操作兩步。外部寫操作將要配置的目標(biāo)寄存器地址和參數(shù)值分別寫入ISL5216的內(nèi)部數(shù)據(jù)和地址鎖存器中,；內(nèi)部寫操作則將數(shù)據(jù)鎖存器中的參數(shù)值寫入地址鎖存器所指向的ISL5216的內(nèi)部配置寄存器中,。外部寫操作通過數(shù)據(jù)總線P(15:0)和地址總線ADD(2:0)在寫信號(hào)/WR的控制下完成。在寫入過程中,，寄存器的參數(shù)為32位,，而數(shù)據(jù)總線只有16位，在寫入32位數(shù)據(jù)時(shí),，需將數(shù)據(jù)按照字節(jié)的高低順序,，分兩次寫入到兩個(gè)16位數(shù)據(jù)鎖存器中。在進(jìn)行寄存器參數(shù)設(shè)置時(shí),，不但要給定參數(shù)還要指定寄存器地址,，該地址緊跟著參數(shù)被寫入到一個(gè)16位的地址鎖存器中。在寫完一個(gè)控制字后,，必須等待四個(gè)處理時(shí)鐘才可以寫下一個(gè)控制字,，以保證上一個(gè)控制字的正確傳輸。
3.3 ISL5216重要參數(shù)配置
3.3.1 變頻模塊參數(shù)設(shè)計(jì)
??? 這部分的設(shè)計(jì)完成載波NCO中心頻率與初始相位的設(shè)定和相應(yīng)控制字參數(shù)的計(jì)算,。下變頻載波混頻器部分的NCO頻率通過設(shè)置載波NCO中心頻率寄存器實(shí)現(xiàn),。其頻率字為32位，載波NCO中心頻率與頻率字的關(guān)系為：
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其中：N為32位的中心頻率控制字參數(shù)值,；f_c為正弦載波NCO的中心頻率,；f_s為輸入信號(hào)的采樣頻率。
??? NCO初始相位通過設(shè)置載波相位偏置寄存器實(shí)現(xiàn),。其相位字為32位,，其中高16位為符號(hào)擴(kuò)展，初始相位與相位字低16位的關(guān)系為：
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其中,，P為相位字,。
3.3.2 自動(dòng)增益控制(AGC)模塊
??? AGC增益控制范圍寄存器的高16位和低16位分別控制AGC的上限和下限，上限最高為96dB,，下限最低為0dB,。當(dāng)將其分別設(shè)為96dB和0dB時(shí)，AGC可自動(dòng)調(diào)整,，使輸入信號(hào)達(dá)滿量程,，從而提高信號(hào)的分辨率。若希望得到固定的增益值,，則將AGC上下限設(shè)為相同數(shù)值,。
3.3.3 濾波器模塊的參數(shù)設(shè)計(jì)
??? ISL5216中有CIC、HB,、FIR整形濾波器,、重采樣多相濾波器,、內(nèi)插HB濾波器。在本模塊中主要應(yīng)用到ISL5216的CIC,、HB和FIR三種濾波器,，這也是ISL5216參數(shù)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。濾波器模塊的主要作用是進(jìn)行抽取濾波,，三種均有此功能的濾波器級(jí)聯(lián),，關(guān)鍵是設(shè)計(jì)各個(gè)濾波器的抽取率及通帶寬度。
??? CIC濾波器處于第一級(jí),，1～5級(jí)CIC濾波器可提供最大65 536的抽取濾,。除濾波器帶寬、通帶衰減外,，經(jīng)CIC抽取后,，有用信號(hào)的帶寬內(nèi)混疊衰減是需要考慮的重要參數(shù)，它與CIC有用信號(hào)帶寬和輸出速率之比有關(guān),，要使CIC混疊衰減達(dá)到100dB以上,，則CIC濾波器抽取輸出的速率至少要大于有用信號(hào)帶寬的11倍。半帶（HB）濾波器處于第二級(jí),，ISL5216提供了5種不同系數(shù)長(zhǎng)度的HB濾波器（HB1-HB5）,。基于HB濾波器的阻帶抑制能力很強(qiáng),，因此,，在處理速度允許的條件下,，應(yīng)盡可能多地利用多級(jí)HB濾波器,。HB濾波器同樣存在混疊衰減問題，HB濾波器(HB5)在輸出速率1/4處有約100dB混疊衰減,，為使感興趣信號(hào)不受混疊,，HB濾波器的輸出速率至少為有用信號(hào)帶寬的4倍。FIR濾波器處于最后一級(jí),，這部分的設(shè)計(jì)目標(biāo)是盡可能讓有用信號(hào)通過,，并抑制無用信號(hào)和干擾，要求濾波器通帶波動(dòng)盡可能小,，通帶寬度與有用帶寬一致,，過渡帶盡可能陡峭，阻帶衰減盡可能大,。要達(dá)到上述目標(biāo),，就要求FIR濾波器有足夠的階數(shù)，ISL5216允許的FIR最大階數(shù)為256,。在濾波處理時(shí)鐘速率一定的條件下,，F(xiàn)IR濾波器信號(hào)輸入數(shù)據(jù)流的速率越小,，允許設(shè)計(jì)的濾波器階數(shù)越大，但輸入數(shù)據(jù)流的速率受有用信號(hào)帶寬的限制,。在設(shè)計(jì)時(shí),，必須同時(shí)考慮CIC、HB和可編程FIR三種抽取濾波器,，才能設(shè)計(jì)出最優(yōu)的數(shù)字信道,。
??? 根據(jù)系統(tǒng)要求，信號(hào)帶寬為40.75kHz,，輸入信號(hào)采樣率60MHz,，輸出信號(hào)采樣速率為100kHz，抽取率600,。采用5級(jí)CIC濾波器,、2級(jí)HB5濾波器、1級(jí)FIR濾波器,，經(jīng)由以上分析各級(jí)抽取率依次為30,，2，2,，5,。此時(shí)FIR濾波器的階數(shù)為182階，阻帶衰減為120dB,。
4 信號(hào)處理流程及測(cè)試結(jié)果
??? 下面以一片ISL5216為實(shí)例說明信號(hào)處理流程,，多片與此類同。為敘述簡(jiǎn)便,，假設(shè)天線陣為二元陣,，這就決定了多波道接收機(jī)的波道數(shù)為2。另外,，一片ISL5216內(nèi)共有4個(gè)信道通路,，用來劃分4個(gè)子信道，總帶寬為81.5kHz×4=326kHz,，假設(shè)頻率的上限和下限分別為4877.75kHz和5203.75kHz,，則ISL5216四個(gè)子信道的中心頻率分別為4918.5kHz、5000kHz,、5081.5kHz,、5163kHz。假設(shè)輸入多波道接收機(jī)為兩個(gè)單頻信號(hào),，頻率分別為：信號(hào)一4930kHz,、信號(hào)二5020kHz。經(jīng)下變頻芯片抽取濾波后,，相對(duì)于子信道1,，頻率分別變?yōu)?1.5kHz和101.5kHz,，由于各子信道的基帶帶寬僅有81.5kHz/2=40.75kHz，因此信號(hào)二被濾除,。同理,，在子信道2中，信號(hào)一被濾除,；在子信道3和4中兩信號(hào)均被濾除,。由于多波道接收機(jī)的波道數(shù)為2，分別對(duì)應(yīng)于各自的天線陣元,，因此上述處理過程進(jìn)行了完全相同的兩次,，理想情況下，兩波道輸出信號(hào)的幅度和相位完全相同,，但由于天線互偶,，接收機(jī)通道的不一致等因素，會(huì)形成幅相差,，經(jīng)后續(xù)處理模塊計(jì)算后,，回傳給ISL5216，修改其相位和幅度,，完成校正,。兩個(gè)波道信號(hào)的輸出結(jié)果顯示本設(shè)計(jì)完成了信道劃分和數(shù)字下變頻的功能，且對(duì)通道的幅度和相位差進(jìn)行了校正,，性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求,。
??? 試驗(yàn)表明，采用ISL5216完成短波寬帶多波道接收機(jī)的數(shù)字下變頻,、信道劃分,、波道校正等功能，可有效降低設(shè)備的復(fù)雜性,，縮短開發(fā)周期,，提高設(shè)備的穩(wěn)定性,、可靠性和靈活性,。
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