基于Spartan-6的高速数据采集、处理和实时传输研究

最小采样率，在25MHz带宽上具有高达80

的无杂散动态范围(SFDR)，中频采样率可达70MSPS, 功率消耗大约710mW，采用采用5V单电源供电，片上自带T/R和参考电压，数据以二进制补码形式输出，CMOS输出电平兼容3.3V和5V。2)下变频部分，采用的是美国ADI公司的中频数字接收机专用数字信号处理器AD6620。它的内部集成了NCO(数控晶体振荡器)、数字混频器、二阶级联积分梳妆滤波器(CIC2)、五阶级联积分梳妆滤波器(CIC5)、系数可编程的抽取滤波器(RCF)等。3)控制部分，选用了Xilinx公司的Spartan 6芯片来进行采集控制、数据缓冲、数据处理、数据传输控制及通信等。

　　3.2 高速数据采集及下变频处理部分软件设计

　　宽带中频数字下变频器件AD6620内部主要由以下单元组成：频率变换单元、二阶固定系数级联积分梳状滤波器(CIC2)单元、五阶固定系数级联积分梳状滤波器(CIC5)单元以及一个可变系数的RAM系数抽取滤波器(RCF)单元。其中频率变换模块实现中频到数字基带的下变频，CIC2单元和CIC5单元是完成采样速率的抽取功能，通过设置不同的抽取倍数可得到不同速率的基带信号，而可变系数的 RCF单元则是将抽取后的信号进行整形滤波处理，使得滤波器的通带纹波、过渡带带宽以及阻带衰减等设计参数设计的更优化。

　　下面分别对频率转换单元、CIC2和CIC5滤波器单元以及可变系数RCF滤波器单元分别进行编程介绍。

　　3.2.1频率变换单元编程设置

　　频率变换单元主要是利用片内集成的数控晶体振荡器(NCO)来产生一组正交的数字本振信号。NCO模块的目标就是产生理想的正弦波和余弦波，以便与高速模数转换器件AD6640传输的中频实信号进行频率转换，把中频信号的频谱搬移到数字基带。NCO模块产生的正交数字本振信号频率是通过式来计算：

　　(式 1)

　　其中，为NCO模块的本振频率，为相应通道IF信号输入的频率，在本文中为70Mhz，为采样频率，本文中应为56MHz，实际为60MHz，

根据式可计算得到的值为：0010 1010 1010 1010 1010 1010 1010 1010共32位二进制数，那么通过FPGA向地址为0x303的地址写入上述32bit的二进制数。

　　3.2.2 固定系数CIC滤波器设计及其编程

　　二阶和五阶级联积分梳状滤波器都是固定系数的抽取滤波器。CIC2处理的信号时频率变换后输出的I、Q两路数字基带信号，

均为60MHz，为了减轻后续处理器的处理难度，需要利用CIC2和CIC5抽取滤波器进行合理抽取滤波，经CIC2抽取滤波后的信号频率为式所示：

(式 1)

　　其中，为经过抽取系数抽取滤波降速后的信号频率。可通过微控制器对CIC2滤波器抽取系数进行编程，取值范围为2~6中得某一个整数值。第一级的抽取系数取值越大相应的整个芯片功耗就越低。CIC2滤波器的增益和通带衰减计算公式如式2和式3所示：

(式 2)

(式 3)

　　其中，为CIC2滤波器增益衰减因子，取值范围为0~6之间的整数值。为了获得最优的动态范围需要将设置为最小值，但是要注意防止出现溢出。

为输入信号的电平。

　　CIC2滤波器的离散和连续频率响应公式分别如式4和5所示：

(式 4)

(式 5)

　　相应的CIC5滤波器和CIC2滤波器的功能是一致的，也是实现抽取和滤波，CIC5滤波器是对CIC2这一级处理后的信号再一次抽取。下面利用ADI公司的SoftCell滤波器设计软件，设计CIC2、CIC5、RCF滤波器，以便获得相应滤波器参数，进行因为对于70MHz中频信号而言，依据射频带通采样定理，可以确定带通采样率为56MSPS就可以满足要求，但是为了增大信噪比的性能可将降采样率设成60MHz，输出频率为0.4MSPS，那么抽取倍数为140。打开滤波器设计软件后的界面如图3所示：

在软件的PortSelect菜单中选择AD6620作为设计的对象，然后在面板的左中间位置输入信号频率60MHz，以及抽取滤波后的输出频率0.4MHz，在Passband这个地方输入通带带宽4MHz，通带纹波设置为0.18，另外在Stopband这个地方设置阻带频率为4.5MHz，衰减为60dB，在5MHz这个频率点，设置衰减为80dB。然后点击compute按钮后就可以计算得到设计好的滤波器频率相应以及相应的各级滤波器系数和RCF滤波器的抽头数。设计完成后CIC2以及CIC5以及RCF滤波器系数可能有多种组合，这种情况下可以对比分析滤波器的响应，选

择一种最佳的设计方案。表 1为不同抽取倍数下的带宽和混叠衰减规格：

　　最后确定选择CIC2滤波器抽取倍数为15，CIC5抽取倍数为2，RCF抽取倍数为2就可以满足系统设计的要求。

　　3.2.3 可变系数RCF滤波器参数设置

　　根据2.2.1节设计得到的RCF抽取倍数为30，可以根据式来计算得到抽取滤波器的抽头数为150。

　　其中，为60MHz，为15，为CIC5滤波器抽取降速后的频率也即2MHz，当输入通道模式时单通道实模式时为1。对可变系数的RCF滤波器进行编程设置时需要先向地址0x30C写入整数 149(=59)。然后滤波器的响应逐一写入到地址0x000~0xFF中。这样就完成了RCF寄存器的编程设置。