数字下变频器GC4016及其在软件无线电中的应用

GC4016是Craychip公司生产的一种高性能、多通道数字下变频器。文中介绍了GC4016的主要特点和性能，给出了GC4016在软件无线电中的应用方法，同时给出了基于GC4016的数据采集卡和微机

　　1　引言

　　软件无线电是近年来随着计算机及微电子技术的高速发展而产生的一种全新的无线电技术。它的出现是无线电通信从模拟到数字、从固定到移动后，由硬件到软件的第三次变革。Graychip公司生产的多通道数字下变频器GC4016的主要功能是将高速的数据流下变频成基带数据，从而在很大程度上缓解了A/D采样后数据处理的困难。

　　2 GC4016的主要特点

　　GC4016的原理框图和四个数字下变频通道中每一个通道的数字信号处理原理框图分别如图1和图2所示，

　　该器件的主要特点如下：

　　●输入信号速率可达100Msps;

　　●具有大于115dB的无寄生动态范围;

　　●有四个独立的可编程下变频通道，每个通道的最大可用基带带宽为2.25MHz，而且每个通道的参数都可以灵活、独立地编程和设置;也可合并为两个通道，每通道的最大可用基带带宽为4.5MHz;若将其合并为单一通道，则最大可用基带带宽为9MHz;

　　●每个通道均支持一个用户可编程基带滤波器和一个可编程重采样器，从而使器件适合于中频处理;

　　●总的抽取因子为8～16384，其中32～16384 对应每个单通道;16～32对应两通道联合;8～16对应四通道联合;

　　●采样输出可为12bit、16bit、20bit或24bit;

　　●输出形式灵活多样，即可并行输出又可串行输出，同时可选择输出幅度、相位、频率或正交I、Q两路数据等所需信息;

　　●具有独立的调制、相位和增益控制功能;

　　●采用32位的数控本振(NCO)，分辨率为0.02Hz;

　　●各独立通道的滤波器为五级CIC、可编程21阶FIR、可编程63阶FIR和重采样FIR。

　　此外，GC4016还具有灵活的可编程特性，其内部共有255个32位控制字寄存器(偏移地址为00h～0FFh)，可用于决定内部各功能模块的参数设置(如载波中心频率、FIR滤波器系数、抽取因子、数据输出的格式与方式等);用户通过控制接口既可以写控制字，也可以读出某些状态信息。但在对控制接口进行写操作时，32位的数据与8位地址是分为5个字节并按一定顺序依次写入的，这给系统设计带来了或多或少的麻烦。尽管GC4016在设置上比较复杂，但其功能非常强大，使用相当灵活。

　　 3 GC4016的主要功能

　　GC4016的主要功能是数据抽取和多种调制信号的解调。

　　(1)数据抽取

　　当信号由中频搬移至基带时，采样频率将随之降低以减轻后续数据传输与处理的负担。由级联积分/梳状滤波器、半波滤波器以及可编程FIR滤波器所组成的低通抽取滤波器的最大抽取因子为214，可以将100Msps的输入速率降至6k～12.5Msps。

　　(2)多种调制信号的解调

　　GC4016内部的载波NCO与后续的滤波器可实现输入中频信号的正交解调，产生I、Q两路基带或更低频率的中频信号，随后送入输出格式选择单元;该输出格式选择单元中包含有坐标变换与鉴频器等模块，不仅可以直接输出I、Q通道数据，还可将(I，Q)坐标转换为(幅度，相位)坐标并输出，同时也可进一步将相位信号输入鉴频器以输出频率信号。因此，GC4016很容易实现多种幅度调制与相位调制信号的解调。

　　4 GC4016的应用

　　根据软件无线电的基本原理，笔者设计了如图3所示的数据采集系统。

　　该系统由高速数据采集卡(Echotek公司生产，型号为ECDR-GC214 -PCI)和通用计算机构成，该采集卡采用的主要芯片是AD6644、GC4016和PCI9080。这套系统的主要特性如下：

　　●两个宽带IF输入通道，每通道一路A/D，每通道带128k字节的FIFO;

　　●IF输入信号的频率范围是60kHz～300MHz;

　　●最大可达70MHz的采样速率, 具有14Bit A/D分辨率;

　　●既可用外部时钟，也可选用自带时钟;

　　●采用DMA方式和PCI总线进行数据传输，其32Bit PCI总线符合PCI局部总线规范2.1版;

　　●输出的数据有三种模式：16bit实数、16bit复数和20bit复数;

　　●采样起始既可由软件触发，也可由外接门信号控制。

系统开始工作前，首先必须对其各寄存器进行初始化以确定其工作模式(如采集模式、外接门控信号的设置、输出数据模式、接收机通道的选娶采样时钟的范围等)，而这些寄存器的设置主要与GC4016有关。笔者在使用GC4016的过程中发现以下两个量的设定是比较重要的：第一是NCO中调制频率的确定;方式为：fREQ=232 f/fCK ，其中f是需要调制的频率，fCK是时钟频率。第二是带宽的确定，一般情况下，带宽是数据输出采样率与带宽系数的乘积，而带宽系数则由CFIR和PFIR两个滤波器的值确定