寬帶數字上/下轉換器GC5016及其應用

中國礦業大學信電學院信息工程系 鄭曉紅 王艷芬 武學強

引言

移動通信系統的終目標是提供任意時間、任意地點、任意人的信息交換業務。對此目標的追求，推動了移動通信業務需求的迅猛增長，并促使產業界研制開發第三代移動通信系統。而第三代移動通信系統的實施，涉及網絡技術、信號處理、電波傳播和技術等諸多方面，對技術方案的選擇要具有先進性、可實現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、多種信道調制和多種數據格式的“互操作性”。

軟件無線電目前沒有統一的定義，一般認為其基本思想是將寬帶模/數和數/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一建立了橋梁。它充分利用現代先進的通信與信號處理、微電子和軟件等技術，實現多媒體、多模式的通信系統"無縫"連接。它的特點是基于同樣的硬件環境，由軟件來完成不同的功能，對于系統升級和多種模式運行，則可以自適應地完成。軟件無線電系統包含：寬帶多頻段天線、射頻部分、A/D和D/A轉換、數字下變頻和數字上變頻、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，其中數字下/上變頻是它的技術。本文講到的GC5016正是一種理想的可編程寬帶四通道數字上/下，在CDMA/WCDMA、雷達和軟件無線電有很好的發展前景。

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字上變頻／下變頻轉換器，是業界顆單數字上變頻器和下變頻器，它是為了滿足高速、寬帶的數字信號處理而設計，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，信道接收實數據或者復數據，用可編程的數值1到4096進行抽取，并將其調制到選定的中心頻率上。已調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。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射數據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據或者復數據，并解調到選定的載頻上，再用可編程的數值1到4096進行抽取，然后進行自動增益控制放大，并產生20位的輸出。下變頻轉換模式下，信道的輸出信號經過格式化后以實數或者復數的形式加到四個輸出端口，完成數字信號的下變頻。

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。

推薦操作環境

引腳功能描述

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。調試文件是給軟件程序的調試者使用的，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的值。這種格式可以使用戶較容易地看出每個控制區采用的是哪種設置。

程序在編譯中發現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；而發現的警告要送到分析文件中。

在前面已經講到，每個通道都有兩種工作模式：發射和接收。芯片可以讓四個通道都用于發射，或者接收，或者兩個通道（AB）用于發射，兩個通道（CD）用于接收。由于不同的參數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 [ABCD] [transmit receive]

用戶在命令文件中定義變量。這些變量可以是區（硬件控制寄存器的位區）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。在發射和接收模式中，變量有不同的類型。例如，cic_int在發射中是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是可以從網絡得到。

結束語

軟件無線電以開放性的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寬帶數字上/下變頻器的基本特征、工作環境和配置軟件，以及作為通用濾波器在CDMA中的使用。這種數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，對軟件無線電的發展有重要意義。