??? 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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