??? 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ISL5216在短波寬帶多波道接收機中的應用和配置作了詳細分析，最后給出了其在短波陣列信號處理設備系統(tǒng)中的實際應用結(jié)果，具有較強的實用性。
??? 關(guān)鍵詞： 數(shù)字下變頻；多波道接收機；ISL5216
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??? 短波頻段的陣列信號處理設備通常包括短波天線陣、短波多波道接收機、后端陣列信號處理機三個主要部分。其中，短波天線陣接收空間短波信號；短波接收機對射頻信號進行頻譜搬移和數(shù)字化；陣列信號處理機則對短波多波道接收機輸出信號進行相應的陣列信號處理算法，給出最終運算結(jié)果。
??? 短波多波道接收機對接收信號的數(shù)字化過程是對采樣信號進行以下處理：(1)對中頻采樣信號進行數(shù)字下變頻(DDC)，得到基帶信號；(2)將接收機整個帶寬劃分為一個個較窄的子信道，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對輸入信號進行處理，經(jīng)抽取濾波降低數(shù)據(jù)率，同時通過設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時修改ISL5216內(nèi)部寄存器的配置來實現(xiàn)。此方案結(jié)構(gòu)簡單，處理方式靈活，非常適用于短波陣列信號接收系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)總體方案
??? 無線信號進入多波道接收機，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和時鐘均為TTL方式，因此信號在進入下變頻芯片之前要進行LVDS/TTL的轉(zhuǎn)換。經(jīng)轉(zhuǎn)換后的信號傳輸?shù)綌?shù)字下變頻組進行信道劃分和數(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，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，實現(xiàn)通道校正。
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2 ISL5216的功能及主要特性
??? ISL5216是Intersil公司推出的性能強大的可編程數(shù)字下變頻芯片，能將中頻采樣信號轉(zhuǎn)換為基帶采樣信號。其單通道結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
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??? ISL5216有4個獨立的下變頻通道，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到lMHz，還能通過芯片內(nèi)部的總線路由將通道級聯(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采樣率為95 MS/s時可提供小于1Hz的頻率分辨率，其無雜散動態(tài)范圍>115dB。1～5級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濾波器(FIR)模塊、自動增益控制(AGC)模塊和笛卡爾坐標到極坐標轉(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模塊可提供動態(tài)或固定的增益控制，增益最高可達96db。笛卡爾坐標到極坐標轉(zhuǎn)換器提供幅度和相位輸出，之后與鑒頻器相連接實現(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位定點或一路到多路的17位浮點輸入信號。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個獨立通道每個通道提供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位定點到32位浮點等多種輸出格式中選擇。ISL5216還提供微處理器接口以對內(nèi)部寄存器進行讀寫操作，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)中的應用
3.1 系統(tǒng)需求
??? DDC組是短波寬帶多波道接收機數(shù)字化部分的核心，依據(jù)系統(tǒng)需求對DCC組中的ISL5216進行配置，從而實現(xiàn)各項功能。系統(tǒng)采樣頻率為60MHz，總帶寬為4MHz，需劃分為56個子信道，每個子信道寬71.5kHz，兩端各加5kHz的保護帶，則子信道帶寬為81.5kHz。因此以81.5kHz為步進作為各子信道的中心頻率。由于每片ISL5216中有四個獨立通道，則共需14片數(shù)字下變頻芯片。將子信道信號下變頻到零中頻，經(jīng)CIC濾波器及半帶濾波器進行抽取濾波后，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定點數(shù)據(jù)。根據(jù)以上要求設置ISL5216寄存器參數(shù)。
3.2 ISL5216的配置過程
??? ISL5216共有73個32位控制字、128個32位濾波器運算指令寄存器和192個22位的濾波器系數(shù)需要編程和設置，可以根據(jù)不同信號的下變頻要求設計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/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，需將數(shù)據(jù)按照字節(jié)的高低順序，分兩次寫入到兩個16位數(shù)據(jù)鎖存器中。在進行寄存器參數(shù)設置時，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16位的地址鎖存器中。在寫完一個控制字后，必須等待四個處理時鐘才可以寫下一個控制字，以保證上一個控制字的正確傳輸。
3.3 ISL5216重要參數(shù)配置
3.3.1 變頻模塊參數(shù)設計
??? 這部分的設計完成載波NCO中心頻率與初始相位的設定和相應控制字參數(shù)的計算。下變頻載波混頻器部分的NCO頻率通過設置載波NCO中心頻率寄存器實現(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；fc為正弦載波NCO的中心頻率；fs為輸入信號的采樣頻率。
??? NCO初始相位通過設置載波相位偏置寄存器實現(xiàn)。其相位字為32位，其中高16位為符號擴展，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。當將其分別設為96dB和0dB時，AGC可自動調(diào)整，使輸入信號達滿量程，從而提高信號的分辨率。若希望得到固定的增益值，則將AGC上下限設為相同數(shù)值。
3.3.3 濾波器模塊的參數(shù)設計
??? 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。在本模塊中主要應用到ISL5216的CIC、HB和FIR三種濾波器，這也是ISL5216參數(shù)設計的重點。濾波器模塊的主要作用是進行抽取濾波，三種均有此功能的濾波器級聯(lián)，關(guān)鍵是設計各個濾波器的抽取率及通帶寬度。
??? CIC濾波器處于第一級，1～5級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有用信號帶寬和輸出速率之比有關(guān)，要使CIC混疊衰減達到100dB以上，則CIC濾波器抽取輸出的速率至少要大于有用信號帶寬的11倍。半帶（HB）濾波器處于第二級，ISL5216提供了5種不同系數(shù)長度的HB濾波器（HB1-HB5）。基于HB濾波器的阻帶抑制能力很強，因此，在處理速度允許的條件下，應盡可能多地利用多級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，為使感興趣信號不受混疊，HB濾波器的輸出速率至少為有用信號帶寬的4倍。FIR濾波器處于最后一級，這部分的設計目標是盡可能讓有用信號通過，并抑制無用信號和干擾，要求濾波器通帶波動盡可能小，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。要達到上述目標，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。在濾波處理時鐘速率一定的條件下，F(xiàn)IR濾波器信號輸入數(shù)據(jù)流的速率越小，允許設計的濾波器階數(shù)越大，但輸入數(shù)據(jù)流的速率受有用信號帶寬的限制。在設計時，必須同時考慮CIC、HB和可編程FIR三種抽取濾波器，才能設計出最優(yōu)的數(shù)字信道。
??? 根據(jù)系統(tǒng)要求，信號帶寬為40.75kHz，輸入信號采樣率60MHz，輸出信號采樣速率為100kHz，抽取率600。采用5級CIC濾波器、2級HB5濾波器、1級FIR濾波器，經(jīng)由以上分析各級抽取率依次為30，2，2，5。此時FIR濾波器的階數(shù)為182階，阻帶衰減為120dB。
4 信號處理流程及測試結(jié)果
??? 下面以一片ISL5216為實例說明信號處理流程，多片與此類同。為敘述簡便，假設天線陣為二元陣，這就決定了多波道接收機的波道數(shù)為2。另外，一片ISL5216內(nèi)共有4個信道通路，用來劃分4個子信道，總帶寬為81.5kHz×4=326kHz，假設頻率的上限和下限分別為4877.75kHz和5203.75kHz，則ISL5216四個子信道的中心頻率分別為4918.5kHz、5000kHz、5081.5kHz、5163kHz。假設輸入多波道接收機為兩個單頻信號，頻率分別為：信號一4930kHz、信號二5020kHz。經(jīng)下變頻芯片抽取濾波后，相對于子信道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，因此信號二被濾除。同理，在子信道2中，信號一被濾除；在子信道3和4中兩信號均被濾除。由于多波道接收機的波道數(shù)為2，分別對應于各自的天線陣元，因此上述處理過程進行了完全相同的兩次，理想情況下，兩波道輸出信號的幅度和相位完全相同，但由于天線互偶，接收機通道的不一致等因素，會形成幅相差，經(jīng)后續(xù)處理模塊計算后，回傳給ISL5216，修改其相位和幅度，完成校正。兩個波道信號的輸出結(jié)果顯示本設計完成了信道劃分和數(shù)字下變頻的功能，且對通道的幅度和相位差進行了校正，性能指標達到設計要求。
??? 試驗表明，采用ISL5216完成短波寬帶多波道接收機的數(shù)字下變頻、信道劃分、波道校正等功能，可有效降低設備的復雜性，縮短開發(fā)周期，提高設備的穩(wěn)定性、可靠性和靈活性。
參考文獻
[1] ISL5216 Data Sheet[R].Intersil，2002.
[2] 姜宇柏，游思晴.軟件無線電原理與工程應用.北京：機械工業(yè)出版社，2006.