寬帶數(shù)字變頻轉換器GC5016及應用

　　中國礦業(yè)大學信電學院信息工程系 鄭曉紅 王艷芬 武學強

　　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的結果分析。

　　關 鍵 字：數(shù)字上/下變頻器；GC5016；CDMA

　　引言

　　移動通信系統(tǒng)的最終目標是提供任意時間、任意地點、任意人的信息交換業(yè)務。對此目標的追求，推動了移動通信業(yè)務需求的迅猛增長，并促使產(chǎn)業(yè)界研制開發(fā)第三代移動通信系統(tǒng)。而第三代移動通信系統(tǒng)的實施，涉及網(wǎng)絡技術、信號處理、電波傳播和天線技術等諸多方面，對技術方案的選擇要具有先進性、可實現(xiàn)性和適中的性能價格比，還應具有一定的預見性，以適應未來的技術。其中軟件無線電技術是其中的關鍵技術之一。

　　軟件無線電技術的提出是為了解決多種通信標準和頻譜擁擠問題，目標是達到多種通信頻段、多種信道調(diào)制和多種數(shù)據(jù)格式的“互操作性”。

　　軟件無線電目前沒有統(tǒng)一的定義，一般認為其基本思想是將寬帶模/數(shù)和數(shù)/模轉換器盡可能靠近天線處理，以軟件方式替代硬件實施信號處理。作為一種新的通信體制，為通信多種標準的統(tǒng)一建立了橋梁。它充分利用現(xiàn)代先進的通信與信號處理、微電子和軟件等技術，實現(xiàn)多媒體、多模式的通信系統(tǒng)"無縫"連接。它的最大特點是基于同樣的硬件環(huán)境，由軟件來完成不同的功能，對于系統(tǒng)升級和多種模式運行，則可以自適應地完成。軟件無線電系統(tǒng)包含：寬帶多頻段天線、射頻部分、A/D和D/A轉換、數(shù)字下變頻和數(shù)字上變頻、高速DSP專用可編程處理器和低速DSP或者計算機等幾大部分，其中數(shù)字下/上變頻是它的核心技術。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、雷達和軟件無線電有很好的發(fā)展前景。

　　GC5016簡介

　　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，它是為了滿足高速、寬帶的數(shù)字信號處理而設計，提供150MSPS時脈、杰出的3G性能、靈活的寬帶數(shù)字濾波、多個輸入與輸出接口選項以及超低功耗。同時，它也可以作為普通的數(shù)字濾波器使用。四個完全相同的處理通道能夠獨立的配置成上變頻、下變頻或者是兩個上變頻和兩個下變頻組合的通道。

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

　　在下變頻轉換模式，信道接收的還是實數(shù)據(jù)或者復數(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進行抽取，然后進行自動增益控制放大，并產(chǎn)生20位的輸出。下變頻轉換模式下，信道的輸出信號經(jīng)過格式化后以實數(shù)或者復數(shù)的形式加到四個輸出端口，完成數(shù)字信號的下變頻。

　　基本特征

　　（1）寬頻帶四組獨立信道的可編程數(shù)字上變頻/下變頻轉換器；

　　（2）下變頻轉換器通道的模式；

　　--四個通道的輸入時鐘速率可達150MSPS，而兩個通道則可以達到300 MSPS

　　--四組寬頻帶下變頻轉換器通道可支持UMTS標準

　　--具有115dB 無失真動態(tài)范圍（SFDR）的處理能力

　　--具有16個能達到255階的FIR濾波器

　　--64個并行輸入/輸出位，提供靈活的I/O選項

　　（3）上變頻轉換器通道模式；

　　--四個通道的輸出時鐘速率可到150MSPS，而兩個通道同樣可以達到300 MSPS

　　--四組寬頻帶的上變頻轉換器通道也可支持UMTS標準

　　--具有16個能達到255階的FIR濾波器

　　--64個并行輸入/輸出位，提供靈活的I/O選項

　　--輸出可以是獨立的，可以是一兩個輸出的和，也可以是任意的幾個GC5016芯片輸出信號的融合

　�。�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。該程序接收用戶需要的信號處理要求，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接口的后面。配置文件以一種格式定義所有寄存器的設置以適合GC101的估計模式。分析文件提供用戶內(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，而且這個文件對其他人可能是保密的。列表文件包含每個控制區(qū)的值。這種格式可以使用戶較容易地看出每個控制區(qū)采用的是哪種設置。

　　程序在編譯中發(fā)現(xiàn)的錯誤要顯示到屏幕上，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，每個通道都有兩種工作模式：發(fā)射和接收。芯片可以讓四個通道都用于發(fā)射，或者接收，或者兩個通道（AB）用于發(fā)射，兩個通道（CD）用于接收。由于不同的參數(shù)適合于不同的工作模式，所以使用時要先進行模式設置。模式的設置可以用一條模式命令完成：
mode [AB|CD] [transmit| receive]

　　用戶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有與之直接對應的元素）。變量可以有六種類型：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)的計算。用戶要想修改這些變量的值，就應該在軟件中給出C和E區(qū)定義值。有一點需要注意，為了提高程序的可讀性，往往需要加一些注釋，注釋的格式是：以"#"或者"/"開始，在注釋中允許有空行。

　　應用實例

　　下面描述的是GC5016在CDMA2000 1X下變頻濾波響應的一個實例。GC5016的設置值是：輸入采樣信號頻率為78.643MSPS，CIC抽取因子為8，PFIR抽取因子是4，輸出采樣信號頻率是2.4576MSPS（2*芯片的速率），255階的PFIR。包括CIC和PFIR的整個濾波器的響應如圖1和圖2所示。在圖2所示的過渡帶中，濾波器的響應滿足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192階濾波器完成相位預畸變，脈沖整形，相鄰通道的截止和CIC 延時補償。在這里使用六級CIC抽取器。Cmd5016配置文件和濾波器的階數(shù)是可以從網(wǎng)絡得到。

　　結束語

　　軟件無線電以開放性的最簡單的硬件為通用平臺，它是用可升級、可重配置的應用軟件來實現(xiàn)各種無線電功能的設計新思路，所以越來越受到人們的青睞。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線電的硬件平臺變得更加簡潔，對軟件無線電的發(fā)展有重要意義。


摘自《世界電子元器件》