【高速中频采样和数字下变频的研究】第九章 数字下变频的设计

第九章数字下变频的设计

数字下变频又称数字I、Q复解调。它广泛应用于雷达、声纳和无线电接收机中。数字下变

频的原理已经在第一章和第八章得到阐述。在本章中先介绍主要的数字下变频芯片，然后介绍

数字I、Q复解调板的设计。

第一节主要的数字下变频芯片

对于不同的厂商，数字下变频（digital down converter）芯片有时又被称为数字解调器（digital tuner）或数字接收信号处理器(digital receive signal processor) 。目前世界上生产数字下变频芯片

的厂家主要有GrayChip、Harris Semiconductor、Analog Device、National Semiconductor等，其

中GrayChip公司虽然是一个小公司，但它却是一个专门生产数字下变频ASIC芯片的专业公司。

其生产的品种多、功能全、是选择数字下变频芯片的首选公司。Harris公司生产数字下变频芯

片的历史也较长。由于其具备产生高速A/D变换器的功能，所以其数字下变频芯片和ADC芯

片配合良好，可以配套使用。由于软件无线电技术的发展和市场对数字接收机的大量需求，近

几年来，半导体芯片的头号厂商Analog Device和National Semiconductor也涉足数字下变频芯

片市场，并且发展势头非常迅猛。特别是生产ADC芯片的龙头老大Analog Device公司，凭借

其雄厚的模拟和数字电路芯片的设计和生产技术，开发了先进的数字接收器芯片AD6620和

AD6624。与此同时，Analog Device公司还将其新一代中频A/D转换器芯片和DSP芯片与其数

字下变频芯片相结合，提出了多套完整的数字接收机的完整解决方案。表9-1-1是市场上常用的

数字下变频芯片。

表9-1-1 常用的数字下变频芯片的对照表

名称AD6620 HSP50214 CLC5902 GC1012A

生产厂家ADI Harris NS Graychip 输入数据宽度16bit 16bit 16bit 12bit

输入数据速率65MHz 52MHz 52MHz 80MHz

NCO精度0.02Hz 0.02Hz 0.02Hz 0.1Hz

CIC5 CIC4 无

CIC滤波器CIC2

CIC5

固定系数FIR

系数FIR RAM系数FIR1，

FIR滤波器 RAM

系数FIR RAM

FIR2

随着软件无线电的发展，通信、雷达、声纳等领域将需要更多的数字下变频芯片，从而也

会出现更多的新芯片和厂家。

9-1-1. 窄带数字下变频芯片AD6620

AD6620数字接收器芯片主要由四部分组成，如图9-1-1所示，包括一个频率转换部分（NCO

和混频器）、两个固定系数的抽选滤波器、一个程控系数的抽选滤波器。

图9-1-1 AD6620的功能框图

AD6620的多种数据输入输出方式设计使其能非常方便地连接高速ADC芯片和通用DSP 芯片。其输入接口可接受16位基数，3位指数输入，并且还有A/B选择输入。这样可使它具备三种输入方式：单通道实模式（real），单通道复模式（complex）和多通道实模式（real）。

高精度的NCO可以使AD6620能从高速数据流中选择出一个单个载波。其滤波器不仅具有大范围的抽选比，而且动态范围大，适用于窄带和宽带载波的提取。它的基于RAM的可编程系数滤波器可适用于多种模式的应用，如抗混叠、匹配滤波、静态均衡功能等。

AD6620的主要性能指标如下：

高速数据输入率：

65MHz 单通道实模式（single channel real）

32.5MHz 单通道复模式 (single channel complex）

32.5MHz 多通道实模式(diversity channel real)

NCO性能：

最小伪波（worst spur）小于 –100dBc

最小频率精度 0.02Hz

2阶CIC滤波器：

线性相位，固定系数

程控抽取因子：2, 3, …16.

5阶CIC滤波器：

线性相位，固定系数

程控抽取因子：1, 2, 3, …32.

程控抽取、RAM系数FIR滤波器

256个20bit可程控系数

程控抽取因子：1, 2, 3, …32.

多种数据输出方式：

输入管脚设置选择串口或并口输出方式

串口输出与大多数DSP串口输入相匹配

16位I、Q交替并行输出

两个独立的控制与配置端口：

通用微处理器端口

通用串口

AD6620的内部各部分结构如图9-1-2所示，其中数据输入可以是16位整数形式，输入到IN[15:0]；也可以是浮点数形式，基数输入到IN[15:0]，指数输入到EXP[2:0]。NCO由一个32bit 数控制，产生不同的频率。通过乘法器产生I、Q两路，并把中频转换到基带。

图9-1-2 AD6620的内部结构

NCO的初始相位是可以设置的，并且它有相位和幅度dither使能功能，一旦dither功能打开，可以使NCO的SFDR性能提高。紧接着NCO和频率转换器（混频器）的是一个2阶CIC 滤波器，它的抽选比可设置为2到16，它的滤波器频率响应和输出数据速率都是由抽选因子M CIC2决定的。在CIC2后的第二个固定系数的滤波器是一个5阶CIC滤波器。它的抽选比是1到32，它的滤波器频率响应和输出数据速率也是由抽选因子M CIC5所决定。前面的CIC滤波器实际上也是一种结构简单的FIR滤波器。它们的主要作用是降低输入信号的速率。这样，最后一级RAM系数FIR滤波器(RCF)就可以在每次输出时计算更多的次数，以实现更高的阶数。从图9-1-2中可以看出，对于每路RCF滤波器，其乘法器只有一个，因此，每个时钟周期只进行一次乘法运算。所以，要使RCF成为高阶FIR滤波器，前面两级CIC滤波器必须进行抽选，使输入到RCF的数据速率降低，即多个时钟周期输入一个数据。这样RCF就有时间完成高阶滤波运算。从图9-1-2中还能看到，两路RCF滤波器是公用一组RAM系数的。这就是说，两路的滤波特性是完全一样的。RCF的系数是20bit数，最多存放256个，因此，RCF的最大阶数是256。然而，很少有用到256阶FIR滤波器的情况。这时，这256个系数可以进行分组，以构成多个不同频率响应的滤波器，通过软件设置来选用其中不同的滤波器系数。

总之，AD6620总的滤波特性是CIC2、CIC5、RCF三个滤波器频率响应的乘积。CIC滤波器实现起来简单，但频率响应较差，其过渡带较长。RCF的频率响应好，能实现很陡的过渡带，