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摘要: 數字下變頻是無線通信鏈路層的重要組成部分，寬帶信號和窄帶信號的下變頻由于信號帶寬不同而抽取因子不同，使得同時具有寬帶和窄帶信號的系統(tǒng)采用基于FPGA的系統(tǒng)很難實現。本文提出采用專用數字下變頻率芯片GC5016同時實現寬帶和窄帶信號的變頻；采用FPGA實現對寬/窄帶數據的接收和存儲，存儲后數據使用高性能DSP芯片C6455實現對這些數據的處理。文中詳細介紹了該系統(tǒng)的軟硬件設計方法。
引言
隨著電子技術和信號處理技術的發(fā)展，寬帶數據的應用越來越多，同時窄帶數據通信也仍然廣泛存在。同時對寬帶和窄帶數據進行處理是目前無線通信遇到的問題。由于數字接收機系統(tǒng)中，寬帶和窄帶數據的需求不是事先固定的，而是在信號分析和識別后，自適應地或者由用戶現場下發(fā)命令，實現寬帶或者窄帶信號的監(jiān)測。在這種應用背景下，基于FPGA的數字下變頻就面臨現場編程問題，一般FPGA解決方法是將各種帶寬的參數存儲在其FLASH芯片中，隨時根據命令來調用不同帶寬下的工作參數，但需要的存儲空間較大，占用FPGA的資源也較多，基于此方法設計的系統(tǒng)需要大容量的FPGA芯片，系統(tǒng)的功耗較大，價格較高。
為此，本文提出一種基于專用數字下變頻芯片GC5016的寬/窄帶數據下變頻解決方案，使用小規(guī)模FPGA實現對GC5016輸出數據的讀取和存儲，應用高性能DSP芯片C6455實現對下變頻后數據的分析和解調。
1 GC5016及其結構
GC5016是TI公司推出的寬帶4通道的可編程數字上下變頻器，提供160 Msps輸入速率，可以采用雙通道聯合處理最高320 Msps的輸入速率，滿足目前絕大部分A/D器件的速率要求。4個完全相同的通道可以獨立配置成上變頻、下變頻或兩個上變頻、兩個下變頻的組合通道。本文主要介紹其下變頻功能。GC5016的內部結構如圖1所示。圖中給出了GC5016在接收工作模式下的結構圖，其內部有4個通道，圖中給出了A和B兩個通道的結構圖，通道C和D具有和這兩個通道完全一致的結構。
圖1 GC5016內部結構圖
輸入數據經過數據選擇單元進入混頻器，數據選擇格式有定點16位、浮點16位以及AB雙路合成數據3種格式。數字混頻器將按照軟件配置對信號進行混頻，為了便于后面的濾波，一般轉換到零頻為中心的基帶數據。基帶數據可以兩路合成分別經過濾波器，也可以每路單獨進行濾波。濾波器組包括CIC濾波器和可編程濾波器：CIC濾波器可以實現1~256的整數抽取，降低了數據速率；可編程濾波器一般使用FIR濾波器，對信號進一步抽取和整形，這里抽取可以為1~16，可見GC5016可以實現最大的抽取為4 096（16 256）。FIR濾波后的數據經過AGC功率檢測和控制模塊，數據最后經過輸出格式化后輸出。
圖中配置口是一個并行數據接口，必須經過這個接口配置GC5016的寄存器，也可以通過配置口來讀取芯片的寄存器，查看芯片工作是否正常、初始化是否正確等；GC5016具有一個同步輸入和同步輸出口，可以用于多個GC5016的同步，也可以用于單個芯片內幾個通道的同步；JTAG口用于芯片的測試，用戶一般不需要連接；電源和時鐘復位接口是芯片正常工作的基本配置。
2 硬件系統(tǒng)設計
硬件系統(tǒng)主要由ADC、GC5016、FPGA和DSP組成，如圖2所示。
圖2 硬件系統(tǒng)
模/數轉換芯片ADC采用ADI公司的16位芯片AD9467，其采樣頻率高達200 MHz，具有75 dB的SNR和90 dB的SFDR，是一款性能較高的高速ADC。其對外接口是差分LVDS數據和時鐘總線，差分輸出不能直接連接到GC5016，需要采用FPGA將差分信號轉換成單端信號。FPGA以ADC輸出的差分時鐘為基準時鐘對差分數據進行讀取和轉換，將處理好的單端信號數據仍然在該時鐘基準下輸出給GC5016。由于FPGA的差分端口是相對應的，因此連接ADC的差分數據線和差分時鐘線要注意不能隨便連接，盡量安排在FPGA的同一Bank中，否則可能導致傳輸路徑不一致，在高速數據讀寫下容易產生相位畸變，使得輸入和傳輸數據錯誤。
DSP和FPGA之間的數據通過HPI接口，由FPGA寫入DSP，節(jié)省DSP的數據讀寫時間。DSP和FPGA之間還有EMIF接口，用于DSP對FPGA的控制，DSP和FPGA之間的控制狀態(tài)由GPIO總線傳輸。同時，DSP還連接一個EMIF接口到GC5016，用于DSP對GC5016的控制和狀態(tài)讀取。
3 軟件設計
3.1 GC5016的控制寄存器設置
GC5016的控制寄存器被劃分為兩部分：8個全局寄存器和總共88頁的寄存器，每個頁包含了16個寄存器。全局寄存器的訪問地址是0x00~0x0F。頁寄存器的訪問地址需先在全局寄存器的地址2寫入頁地址，然后再訪問0x10~0x1F，就可以訪問該頁下的寄存器。每一個控制寄存器在芯片內被分配唯一的地址。這樣接口的設計就可以將GC5016作為處理器的一個外部存儲器來訪問。
3.2 GC5016的初始化
GC5016的初始化根據電路的不同可以分為三種情況：第一種是單個GC5016芯片，第二種是多個GC5016芯片配置由主GC5016芯片同步，第三種是多個GC5016芯片配置由外部源同步。而此次設計中只用一塊GC5016進行寬帶下變頻的驗證，所以屬于獨立GC5016芯片的配置。其配置步驟如下：
① 寫0xFF00到地址0，復位芯片。
② 寫0x0000到地址3，禁止所有輸出。
③ 寫0x0004到地址1，產生單觸發(fā)脈沖。
④ 裝載所有的配置寄存器。
⑤ 如果幾個通道需要同步控制，需要選擇一個同步源，可以通過在輸入文件中加入如下程序來實現同步控制：
soB_sync 4; fir_sync 4; sck_sync 4; nco_sync4; cic_sync 4；
⑥ 寫0x0100到地址0，清除復位。
⑦ 寫0x0004到地址1，產生同步脈沖，完成GC5016的設置。
3.3 GC5016的cmd5016軟件應用
可以使用專門提供的GC5016的配置軟件實現對其寄存器的設置。這些配置包括以下內容。
(1) 關鍵字的類型
關鍵字的類型，共5種，分別是mandatory(M)、defaulted(D)、computed(C)、unused(X)、expert(E)。其中M是需要用戶進行選擇的變量，D是初始化默認值，C是軟件控制的變量，X是不用的變量，E一般是一個計算變量，不需要人為設置。
(2) 偽指令
在配置文件中，偽指令mode AB receive 和mode CD receive 可以使GC5016工作在4通道DDC模式。在此模式下需要設置的偽指令有：
◆ mode AB（CD） receive（定義DDC收發(fā)模式）；
◆ rin_rate（全局變量，接收輸入數據速率，0代表半速率，1代表全速率，2代表雙速率）；
◆ rin_cmplx（全局變量，接收輸入數據，0為接收的為實數數據，1為接收的為復數數據）；
◆ splitiq,splitiqAB,splitipCD（兩通道或者4通道模式變量）；
◆ freq,fck,bypass_mix（復數混頻器freq_msb,freq_mid,freq_lsb的設置）；
◆ bypass_cic,cic_dec（雙CIC濾波器的抽取因子）；
◆ bypass_fir,fir_dec,fir_diff,fir_nchan,fir_coef（PFIR模式和濾波器抽頭）；
◆ gain,overall_gain（手動增益設置）；
◆ agc_cf,agc_mode,agc_tc（AGC增益設置）；
◆ pwr_mtr_on（接收功率計設置）；
◆ routf_tdm（接收輸出格式控制通道D的TDM模式）。
3.4 DSP軟件流程
系統(tǒng)的DSP軟件流程如圖3所示。
DSP上電復位后，初始化相關接口，這些接口包括EMIF接口、HPI接口以及網絡和GPIO接口。初始化接口后，DSP等待從網口下發(fā)的控制命令，控制命令一般包括解調頻率、解調帶寬和解調方式等各種信息。DSP根據這些信息設置GC5016的寄存器，并將這些寄存器值寫入GC5016，使得GC5016可以正常工作，然后啟動FPGA采集GC5016輸出的數據，FPGA按照1024個數據一幀進行存儲，滿一幀后通知DSP讀取這些數據，DSP對這些數據解調后輸出到上位機顯示或者存儲。
圖3 DSP軟件流程
結語
GC5016是一種理想的可編程4通道數字上下變頻器，根據需要可配置為兩路作為上變頻、兩路作為下變頻。當接收或發(fā)射的數據量龐大時，還可以使用多塊GC5016并行處理。再加上它的高速率、寬帶寬、高無雜散動態(tài)范圍、低功耗和靈活配置等各種優(yōu)點，使得GC5016的應用非常廣泛，在CDMA/WCDMA、雷達及軟件無線電中都有強大的生命力和很好的發(fā)展前景。
參考文獻
［1］ Texas Instruments Incorporated.GC5016 Datasheet［EB/OL］.[201301].http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/slws142j/slws142j.pdf.
［2］ 邵震洪，李玉生，沈連豐，等．基于GC5016的數字上變頻電路設計［J］．信息化研究，2010(11).
［3］ 徐志鵬，張興敢，唐嵐，等．基于GC5016的并行多通道接收機研究［J］．現代電子技術，2012(1).
曾娟英(碩士研究生)，主要研究方向為FPGA。
作者：曾娟英 詹華群 來源：單片機與嵌入式系統(tǒng)應用
