寬帶數(shù)字變頻轉(zhuǎn)換器GC5016及應(yīng)用

　　中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院信息工程系 鄭曉紅 王艷芬 武學(xué)強(qiáng)

　　摘 要： 文章介紹了Gray Chip公司（TI子公司）推出的GC5016寬帶四通道數(shù)字上/ 下變頻轉(zhuǎn)換器的功能和主要特性，以及其在CDMA中作為通用濾波器使用時(shí)的結(jié)果分析。

　　關(guān) 鍵 字：數(shù)字上/下變頻器；GC5016；CDMA

　　引言

　　移動(dòng)通信系統(tǒng)的最終目標(biāo)是提供任意時(shí)間、任意地點(diǎn)、任意人的信息交換業(yè)務(wù)。對(duì)此目標(biāo)的追求，推動(dòng)了移動(dòng)通信業(yè)務(wù)需求的迅猛增長(zhǎng)，并促使產(chǎn)業(yè)界研制開(kāi)發(fā)第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)。而第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的實(shí)施，涉及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信號(hào)處理、電波傳播和天線(xiàn)技術(shù)等諸多方面，對(duì)技術(shù)方案的選擇要具有先進(jìn)性、可實(shí)現(xiàn)性和適中的性能價(jià)格比，還應(yīng)具有一定的預(yù)見(jiàn)性，以適應(yīng)未來(lái)的技術(shù)。其中軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)是其中的關(guān)鍵技術(shù)之一。

　　軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的提出是為了解決多種通信標(biāo)準(zhǔn)和頻譜擁擠問(wèn)題，目標(biāo)是達(dá)到多種通信頻段、多種信道調(diào)制和多種數(shù)據(jù)格式的“互操作性”。

　　軟件無(wú)線(xiàn)電目前沒(méi)有統(tǒng)一的定義，一般認(rèn)為其基本思想是將寬帶模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換器盡可能靠近天線(xiàn)處理，以軟件方式替代硬件實(shí)施信號(hào)處理。作為一種新的通信體制，為通信多種標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一建立了橋梁。它充分利用現(xiàn)代先進(jìn)的通信與信號(hào)處理、微電子和軟件等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多媒體、多模式的通信系統(tǒng)"無(wú)縫"連接。它的最大特點(diǎn)是基于同樣的硬件環(huán)境，由軟件來(lái)完成不同的功能，對(duì)于系統(tǒng)升級(jí)和多種模式運(yùn)行，則可以自適應(yīng)地完成。軟件無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)包含：寬帶多頻段天線(xiàn)、射頻部分、A/D和D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)字下變頻和數(shù)字上變頻、高速DSP專(zhuān)用可編程處理器和低速DSP或者計(jì)算機(jī)等幾大部分，其中數(shù)字下/上變頻是它的核心技術(shù)。本文講到的GC5016正是一種理想的可編程寬帶四通道數(shù)字上/下變頻器，在CDMA/WCDMA、雷達(dá)和軟件無(wú)線(xiàn)電有很好的發(fā)展前景。

　　GC5016簡(jiǎn)介

　　概述

　　GC5016是GrayChip公司（TI子公司）推出的寬頻帶四通道的可編程數(shù)字上變頻／下變頻轉(zhuǎn)換器，是業(yè)界第一顆單晶片數(shù)字上變頻器和下變頻器，它是為了滿(mǎn)足高速、寬帶的數(shù)字信號(hào)處理而設(shè)計(jì)，提供150MSPS時(shí)脈、杰出的3G性能、靈活的寬帶數(shù)字濾波、多個(gè)輸入與輸出接口選項(xiàng)以及超低功耗。同時(shí)，它也可以作為普通的數(shù)字濾波器使用。四個(gè)完全相同的處理通道能夠獨(dú)立的配置成上變頻、下變頻或者是兩個(gè)上變頻和兩個(gè)下變頻組合的通道。

　　在上變頻模式，信道接收實(shí)數(shù)據(jù)或者復(fù)數(shù)據(jù)，用可編程的數(shù)值1到4096進(jìn)行抽取，并將其調(diào)制到選定的中心頻率上。已調(diào)信號(hào)可以是四個(gè)通道的信號(hào)之和，也可以是任選的其他GC5016芯片的已調(diào)信號(hào)相加。信道可以成對(duì)使用以增加輸出采樣率或者增加輸入信號(hào)的帶寬，或者二者均可實(shí)現(xiàn)。每個(gè)通道包含一個(gè)用戶(hù)可編程輸入濾波器（PFIR），這個(gè)濾波器可以用作發(fā)射數(shù)據(jù)的整形濾波器或用以生成QPSK、GMSK或者QAM信號(hào)等的Nyquist濾波器。

　　在下變頻轉(zhuǎn)換模式，信道接收的還是實(shí)數(shù)據(jù)或者復(fù)數(shù)據(jù)，并解調(diào)到選定的載頻上，再用可編程的數(shù)值1到4096進(jìn)行抽取，然后進(jìn)行自動(dòng)增益控制放大，并產(chǎn)生20位的輸出。下變頻轉(zhuǎn)換模式下，信道的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)格式化后以實(shí)數(shù)或者復(fù)數(shù)的形式加到四個(gè)輸出端口，完成數(shù)字信號(hào)的下變頻。

　　基本特征

　�。�1）寬頻帶四組獨(dú)立信道的可編程數(shù)字上變頻/下變頻轉(zhuǎn)換器；

　�。�2）下變頻轉(zhuǎn)換器通道的模式；

　　--四個(gè)通道的輸入時(shí)鐘速率可達(dá)150MSPS，而兩個(gè)通道則可以達(dá)到300 MSPS

　　--四組寬頻帶下變頻轉(zhuǎn)換器通道可支持UMTS標(biāo)準(zhǔn)

　　--具有115dB 無(wú)失真動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）的處理能力

　　--具有16個(gè)能達(dá)到255階的FIR濾波器

　　--64個(gè)并行輸入/輸出位，提供靈活的I/O選項(xiàng)

　　（3）上變頻轉(zhuǎn)換器通道模式；

　　--四個(gè)通道的輸出時(shí)鐘速率可到150MSPS，而兩個(gè)通道同樣可以達(dá)到300 MSPS

　　--四組寬頻帶的上變頻轉(zhuǎn)換器通道也可支持UMTS標(biāo)準(zhǔn)

　　--具有16個(gè)能達(dá)到255階的FIR濾波器

　　--64個(gè)并行輸入/輸出位，提供靈活的I/O選項(xiàng)

　　--輸出可以是獨(dú)立的，可以是一兩個(gè)輸出的和，也可以是任意的幾個(gè)GC5016芯片輸出信號(hào)的融合

　�。�4）采用JTAG 封裝；

　�。�5）I/O電源是3.3V，核電源是1.8W；

　�。�6）四個(gè)通道的電源散熱功率均小于1W。

　　配置軟件

　　cmd5016是GC5016的配置軟件程序。該程序接收用戶(hù)需要的信號(hào)處理要求，并生成一系列輸出文件。這里面包含配置文件，分析文件，調(diào)試文件和列表文件。一般期望軟件被嵌在用戶(hù)接口的后面。配置文件以一種格式定義所有寄存器的設(shè)置以適合GC101的估計(jì)模式。分析文件提供用戶(hù)內(nèi)部到芯片的增益反饋信息，并且提供任何其他有用的信息給用戶(hù)讀取。調(diào)試文件是給軟件程序的調(diào)試者使用的，而且這個(gè)文件對(duì)其他人可能是保密的。列表文件包含每個(gè)控制區(qū)的值。這種格式可以使用戶(hù)較容易地看出每個(gè)控制區(qū)采用的是哪種設(shè)置。

　　程序在編譯中發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤要顯示到屏幕上，并輸入到所有輸出文件中。這些工作必須在配置芯片之前就要完成；而發(fā)現(xiàn)的警告要送到分析文件中。

　　在前面已經(jīng)講到，每個(gè)通道都有兩種工作模式：發(fā)射和接收。芯片可以讓四個(gè)通道都用于發(fā)射，或者接收，或者兩個(gè)通道（AB）用于發(fā)射，兩個(gè)通道（CD）用于接收。由于不同的參數(shù)適合于不同的工作模式，所以使用時(shí)要先進(jìn)行模式設(shè)置。模式的設(shè)置可以用一條模式命令完成：
mode [AB|CD] [transmit| receive]

　　用戶(hù)在命令文件中定義變量。這些變量可以是區(qū)（硬件控制寄存器的位區(qū)）或者pseudo_fields（僅僅在軟件中存在的變量而在硬件中沒(méi)有與之直接對(duì)應(yīng)的元素）。變量可以有六種類(lèi)型：mandatory（M）、defaulted（D）、computed（C）、unused（U）、expert(E)和not available（-）。Not available只能用在只讀變量中。在發(fā)射和接收模式中，變量有不同的類(lèi)型。例如，cic_int在發(fā)射中是M（mandatory）型，而在接收中則是U（unused）型。任何變量均可以由用戶(hù)定義，而且它們的值可用于芯片的編程也可用于其他區(qū)的計(jì)算。用戶(hù)要想修改這些變量的值，就應(yīng)該在軟件中給出C和E區(qū)定義值。有一點(diǎn)需要注意，為了提高程序的可讀性，往往需要加一些注釋?zhuān)�注釋的格式是：�?#"或者"/"開(kāi)始，在注釋中允許有空行。

　　應(yīng)用實(shí)例

　　下面描述的是GC5016在CDMA2000 1X下變頻濾波響應(yīng)的一個(gè)實(shí)例。GC5016的設(shè)置值是：輸入采樣信號(hào)頻率為78.643MSPS，CIC抽取因子為8，PFIR抽取因子是4，輸出采樣信號(hào)頻率是2.4576MSPS（2*芯片的速率），255階的PFIR。包括CIC和PFIR的整個(gè)濾波器的響應(yīng)如圖1和圖2所示。在圖2所示的過(guò)渡帶中，濾波器的響應(yīng)滿(mǎn)足CDMA20001X阻帶衰減的要求：在頻率為750kHz處，衰減為 50dB，而在頻率為900kHz處，衰減是 87dB。

　　在發(fā)射端，輸入假定是以1.2288MHz的頻率操作，PFIR抽取因子是4，用一個(gè)192階濾波器完成相位預(yù)畸變，脈沖整形，相鄰?fù)ǖ赖慕刂购虲IC 延時(shí)補(bǔ)償。在這里使用六級(jí)CIC抽取器。Cmd5016配置文件和濾波器的階數(shù)是可以從網(wǎng)絡(luò)得到。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　軟件無(wú)線(xiàn)電以開(kāi)放性的最簡(jiǎn)單的硬件為通用平臺(tái)，它是用可升級(jí)、可重配置的應(yīng)用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)各種無(wú)線(xiàn)電功能的設(shè)計(jì)新思路，所以越來(lái)越受到人們的青睞。本文介紹了GrayChip公司的GC5016寬帶數(shù)字上/下變頻器的基本特征、工作環(huán)境和配置軟件，以及作為通用濾波器在CDMA中的使用。這種數(shù)字變頻器的使用可以使軟件無(wú)線(xiàn)電的硬件平臺(tái)變得更加簡(jiǎn)潔，對(duì)軟件無(wú)線(xiàn)電的發(fā)展有重要意義。


摘自《世界電子元器件》