用GC1012B构建可编程数字无线电接收机

   摘要：介绍了数字下变频器CCl012B，并使用这款芯片构建了一个可编程数字无线电结构的OFDM[1]传输系统的接收机。

现代宽带无线电接收机越来越强调硬件平台的数字化和可编程性，在向软件无线电迈进的过程中，这一点显得尤为突出。可编程数字无线电PDR(programmable digital radio)的概念即是在这一背景下提出的，是指以带通采样、多速率信号处理及数字下变频技术等为理论基础，利用可编程器件CPLD、FPGA及DSP灵活的可重构性及强大的数字处理能力构建的数字化、可编程的无线电硬件平台。PDR结构的硬件平台通常具有富裕的带宽和良好的实时性。在WCDMA、WLAN等宽带系统的接收机中，这种结构被广泛采纳。

数字下变频技术是PDR中一项核心技术。其作用在于对A／D之后的数字信号进行频谱搬移，并与频谱翻转、抽取、滤波等信号处理相结合，达到下变频及分离频谱成分的目的。数字下变频之后的信号通常为降速率的基带信号。

图1

    数字下变频器由数字混频器、数字控制振荡器、低通滤波器三部分组成。从工作原理上讲，数字下变频与模拟下变频相同，即输入一个信号与一个本地振荡信号作乘法运算。但是由于数字下变频器使用数字本振，其变频精度和分辨率可以很高，如GCl012B的频率分辨率为0．1Hz。DDC的频率步进、频率间隔等具有理想的性能，另外，其控制和修改较容易，这些都是模拟下变频器难以比拟的。

本文使用数字下变频器GCl012B构建了一个PDR结构的OFDM传输系统接收机。

1 系统设计

在待设计的接收机中，接收信号为70MHz中频、10MHz带宽的OFDM信号。不同于传统接收机结构对70MHz中频信号模拟下变频然后进行采样的做法，在PDR结构的接收机中，直接在中频上进行采样，采样频率为80MHz，然后对采样后的信号进行数字下变频和4倍的抽取滤波，得到速率为20M Baud的基带信号，送至DSP、FPGA部分解调。降速率的目的在于减轻DSP及FPGA的运算负荷。电路结构如图1所示。

2 GCl012B及其配置

自Graychip公司(现已被TI收购)推出了世界上第一款数字下变频ASIC以来，目前许多公司都开发了数字下变频芯片，比较著名的还有Harris(1999年已更名为Intersil)、ADI和Stanford Telecom等。

电路中使用的数字下变频器是Graychip公司的GCl012B。GCl012B为3．3V电源供电CMOS器件，输入信号最高采样率100MHz，带宽50MHz。GCl012B不兼容5V电平，不可将5V电乎的信号直接接到其任何管脚上，否则将损坏器件。内部模块包括数控振荡器、数字混频器、可变速率抽取低通滤波器、可调增益放大器、数据格式选择模块等。通过微处理器接口对内部寄存器进行配置可以改变芯片的工作状态。其结构如图2所示。

图2

    该芯片为120管脚QFP封装，在3．3V电源供电、70MHz信号输入的情况下功耗约为900mW。其动态范围达75dB以上，频率分辨率0．1Hz，增益调节步进为0．03dB。芯片的输出模式有实数、复数两种选择。设置为实数模式时，仅在I端口输出数据；设置为复数模式时，输出I、Q两路正交数据。输人数据宽度为12位，输出数据宽度为16位。

GCl012B的工作状态由内部寄存器中的控制字确定。系统上电时，可以使用单片机通过与GCl012B的微处理器接口配置。调谐频率／由28bit的FREQ按(1)式确定，其中fs为输入信号的采样频率。

在本系统中，采样频率为80MHz，调谐频率值为10MHz，所以FREQ：(2000000)HEX。GCl012B按照SS#信号同步数据与状态字，变频至基带，进行4倍抽取并翻转频谱，以复数形式输出I、Q两路数据。

频谱变换过程如图3所示，其中F表示模拟频率，即信号的实际频率，f表示数字频率，即经采样频率归一化的频率。对中心频率为70MHz、带宽为10MHz的模拟信号(如图3(a)所示)以80MHz频率采样，得到幅频特性如图3(b)所示的信号，该信号由采样前信号以80MHz为周期延拓得到，图中只画出了信号频谱的主周期。图3(c)绘出了数字下变频后的信号，信号频谱左移10MHz。经低通滤波后只保留零频附近的信号，如图3(d)所示。为保证信号经4倍抽取后频谱无混叠，必须设置低通滤波的数字带宽为1/16。4倍抽取后的信号如图3(e)所示，可以看到信号的数字频谱展宽了4倍。注意到在对信号采样时信号的正频域频谱发生反转，因此将抽取后的频谱再反转一次，恢复出OFDM基带频谱，如图3(f)所示。

图3

    接收机中的核心处理部分DSP和FPGA接收到速率降为20M Baud的基带信号后，对信号进行同步、信道估计、均衡及解调，从而完成了接收机功能。

数字下变频技术是构建可编程数字无线电结构的接收机的一项关键技术。它使得宽带信号在中频上的带通采样得到实际应用，系统关心的信号的频谱可以精确地从采样信号中分离并下变频至基带。