周玉庭，郭偉，周建英

基于GC5016的短波收發(fā)機(jī)數(shù)字上下變頻設(shè)計(jì)?

周玉庭1，郭偉2，周建英2

（1.南京工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，南京210009；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)第三十六研究所，浙江嘉興314001）

鑒于傳統(tǒng)中頻數(shù)字化短波收發(fā)機(jī)性能及復(fù)雜度受模擬前端電路制約，介紹了射頻直接低通采樣的數(shù)字化處理方案，其中GC5016用于數(shù)字上下變頻，重點(diǎn)對(duì)GC5016中的級(jí)聯(lián)積分梳狀濾波器（CIC）和可編程有限沖激響應(yīng)濾波器（PFIR）的聯(lián)合設(shè)計(jì)進(jìn)行了仿真研究和硬件驗(yàn)證。該數(shù)字上下變頻的帶外抑制達(dá)100 dB，帶內(nèi)平坦度控制在0.1 dB，完全滿足射頻數(shù)字化收發(fā)機(jī)的設(shè)計(jì)要求。

短波收發(fā)機(jī)；數(shù)字上下變頻；CIC濾波器；PFIR濾波器

1 引言

軟件無(wú)線電作為無(wú)線電工程的現(xiàn)代方法，其基本思想是將數(shù)模／模數(shù)轉(zhuǎn)換器件（AD／DA）盡量靠近天線［1］。目前基于該思想設(shè)計(jì)的短波設(shè)備一般對(duì)經(jīng)模擬混頻器搬移得到的中頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化［2］，這就引入了較多模擬前端電路，從而影響了系統(tǒng)性能，并增加了復(fù)雜性和成本。短波設(shè)備工作頻段集中在3～30 MHz，帶寬為3～6 kHz范圍，以目前AD／DA器件的轉(zhuǎn)換速率（已突破100 MHz），可直接對(duì)射頻接收信號(hào)進(jìn)行低通采樣數(shù)字化［3-4］，也可直接將數(shù)字射頻發(fā)送信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬射頻信號(hào)。而要最終實(shí)現(xiàn)射頻直接采樣的短波收發(fā)機(jī)，還須設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)數(shù)字混頻和采樣率變換能力的數(shù)字上下變頻器。其中，數(shù)字下變頻器（DDC）應(yīng)能將數(shù)字射頻信號(hào)（如30 MHz）變換到的基帶范圍（如26 kHz），并將采樣率（如100 MHz）降低到數(shù)字信號(hào)處理器易于處理的低速率（如96 kHz），對(duì)數(shù)字上變頻器（DUC）也有類(lèi)似的要求。

TI公司的專(zhuān)用可編程四通道數(shù)字上／下變頻芯片GC5016，單個(gè)通道支持最高速率為160 Msample／s的采樣數(shù)據(jù)流，可進(jìn)行最高達(dá)4 096倍的內(nèi)插／抽取及變頻處理工作。根據(jù)需要可將4個(gè)通道靈活地配置成兩路DUC／兩路DDC模式，從而可實(shí)現(xiàn)單芯片同時(shí)完成數(shù)字上下變頻處理，因而具有較高的性價(jià)比。本文研究利用GC5016實(shí)現(xiàn)射頻直接采樣短波收發(fā)機(jī)中的數(shù)字上下變頻方案，重點(diǎn)對(duì)GC5016中的濾波器設(shè)計(jì)進(jìn)行了仿真研究，并通過(guò)PFIR濾波器校正CIC濾波器帶內(nèi)波動(dòng)的方法改進(jìn)了濾波性能，仿真和硬件實(shí)測(cè)結(jié)果表明，DDC／DUC的帶外抑制可達(dá)100 dB，帶內(nèi)平坦性控制在0.1 dB以內(nèi)，完全滿足該射頻數(shù)字化收發(fā)機(jī)的設(shè)計(jì)要求。

2 短波電臺(tái)設(shè)計(jì)方案

該短波收發(fā)機(jī)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中，DSP作為主控制器，完成音頻信號(hào)采集與回放、報(bào)文收集與上報(bào)、GC5016配置等；FPGA作為基帶信號(hào)處理器，完成音頻／報(bào)文的基帶調(diào)制與解調(diào)，并提供與GC5016的數(shù)據(jù)接口。GC5016作為數(shù)字下變頻器，對(duì)高速AD芯片采集到的數(shù)字射頻信號(hào)（天線感應(yīng)到的模擬射頻信號(hào)經(jīng)帶通濾波器選出短波頻段，再經(jīng)低噪聲放大器進(jìn)行放大，最后送往高速AD芯片完成從模擬射頻到數(shù)字射頻信號(hào)的轉(zhuǎn)換）進(jìn)行下變頻、降采樣、濾波等處理，從而完成從數(shù)字射頻信號(hào)到數(shù)字基帶信號(hào)的轉(zhuǎn)換，最后送往FPGA進(jìn)行音頻／數(shù)據(jù)解調(diào)，恢復(fù)出原始音頻／報(bào)文信息。GC5016作為數(shù)字上變頻器，對(duì)FPGA調(diào)制好的基帶數(shù)字信號(hào)進(jìn)行上變頻、升采樣、濾波等處理，從而完成從基帶信號(hào)到數(shù)字射頻信號(hào)的轉(zhuǎn)換，經(jīng)高速DA芯片變換成模擬射頻信號(hào)后送往射頻前端和天線完成發(fā)射。可見(jiàn)，GC5016在收發(fā)機(jī)中同時(shí)完成上下變頻，從而可使短波收發(fā)機(jī)工作在異頻全雙工通信方式。

3 GC5016內(nèi)部濾波器設(shè)計(jì)

DUC中在內(nèi)插后濾波，濾除因內(nèi)插產(chǎn)生的鏡像分量；DDC中在抽取前濾波，防止因抽取產(chǎn)生頻譜混疊。當(dāng)內(nèi)插／抽取倍數(shù)較高時(shí)，要求數(shù)字濾波器的通帶極窄，一般方法不易實(shí)現(xiàn)。采用CIC和FIR濾波器聯(lián)合濾波的方法是一種能提供較高內(nèi)插／抽取倍數(shù)、復(fù)雜度低、性能優(yōu)良的方案，GC5016即采用此方案，其提供滿足最高256倍內(nèi)插／抽取的CIC濾波器和最大16倍的PFIR濾波器來(lái)完成數(shù)字上下變頻中的濾波處理。以DDC為例，其處理結(jié)構(gòu)如圖2所示。

DUC中內(nèi)插濾波器及DDC中的抽取濾波器的總特性即為射頻信號(hào)采樣率下PFIR和CIC濾波器的聯(lián)合傳輸函數(shù)，如式（1）：

式中，HP（f）、HCIC（f）分別為射頻信號(hào)采樣率下PFIR和CIC濾波器的頻域傳輸函數(shù)?？梢?jiàn)，PFIR和CIC濾波器的聯(lián)合濾波特性對(duì)數(shù)字上下變頻器的性能有至關(guān)重要的影響［5］，下面詳細(xì)分析這兩個(gè)濾波器的設(shè)計(jì)。

3.1 CIC濾波器

GC5016內(nèi)部的CIC濾波器由積分濾波器和梳狀濾波器組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

該濾波器的頻域傳輸函數(shù)為

式中，D為CIC濾波器階數(shù)，等于內(nèi)插或抽取倍數(shù)；N為CIC濾波器級(jí)數(shù)，GC5016內(nèi)DDC中的CIC級(jí)數(shù)為5級(jí)，DUC中的CIC級(jí)數(shù)為6級(jí)。本短波收發(fā)機(jī)數(shù)字上下變頻方案中的CIC內(nèi)插／抽取倍數(shù)均為256，以DDC為例，其中CIC濾波器歸一化幅頻響應(yīng)如圖4所示。

圖4中，橫坐標(biāo)w為實(shí)際頻率對(duì)應(yīng)的數(shù)字頻率，縱坐標(biāo)H（w）為w處的幅度響應(yīng)，單位為dB。通帶幅頻響應(yīng)放大后如圖5所示。

首先，由圖5可見(jiàn)，DDC中CIC濾波器的第一旁瓣比主瓣衰減約70 dB，DUC中的CIC濾波器雖然級(jí)數(shù)更高，衰減也僅為80 dB，因此單獨(dú)采用CIC濾波器并不能滿足帶外抑制100 dB的設(shè)計(jì)要求。其次，由圖5可見(jiàn)，該CIC濾波器幅頻響應(yīng)通帶有一定波動(dòng)。另外，該短波收發(fā)機(jī)的射頻信號(hào)采樣率為98.304 MHz，而CIC內(nèi)插和抽取倍數(shù)均為256，因此DDC中CIC抽取后的采樣率為384 kHz，DUC中CIC內(nèi)插前的采樣率也為384 kHz，384 kHz的采樣率對(duì)于音頻和低速數(shù)據(jù)基帶信號(hào)仍顯較高。為解決DUC和DDC中的這三個(gè)問(wèn)題，需采用PFIR濾波器來(lái)做進(jìn)一步的處理，以提高帶外抑制，校正通帶的波動(dòng)性，并進(jìn)一步降低采樣率。

3.2 濾波器綜合設(shè)計(jì)

在MATLAB中采用切比雪夫窗函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR濾波器，采樣率選為384 kHz，濾波器中心頻率選為26 kHz，帶寬選為3 kHz，過(guò)渡帶選為5 kHz，帶外衰減選為100 dB，階數(shù)設(shè)定為256階，將設(shè)計(jì)好的濾波器系數(shù)按照GC5016規(guī)定的16 bit位數(shù)進(jìn)行量化，量化后DDC中CIC和PFIR濾波器的聯(lián)合幅頻響應(yīng)特性如圖6所示。其中，橫坐標(biāo)f為實(shí)際頻率，單位為Hz，縱坐標(biāo)H（f）為幅度響應(yīng)，單位為dB。可見(jiàn)帶外抑制達(dá)到了100 dB的設(shè)計(jì)要求。將DDC中的CIC和PFIR濾波器聯(lián)合幅頻響應(yīng)通帶放大后如圖7所示?？梢?jiàn)，DDC中的CIC與PFIR聯(lián)合幅頻響應(yīng)的通帶波動(dòng)約為0.1 dB。這主要是由于CIC濾波器通帶的波動(dòng)性造成的，對(duì)于DUC部分來(lái)講，由于其CIC級(jí)數(shù)更高，從而使聯(lián)合幅頻響應(yīng)通帶波動(dòng)更大。因此，PFIR濾波器需做改進(jìn)設(shè)計(jì)，以校正CIC濾波器通帶內(nèi)波動(dòng)。

首先預(yù)設(shè)一個(gè)通帶內(nèi)完全平坦的濾波器，用其通帶內(nèi)的幅頻響應(yīng)與CIC通帶內(nèi)的幅頻響應(yīng)相除，并做歸一化處理后與PFIR濾波器通帶內(nèi)的幅頻響應(yīng)求積，便可校正聯(lián)合幅頻響應(yīng)通帶，使其變平坦，校正后的PFIR和CIC聯(lián)合幅頻響應(yīng)通帶如圖8所示。經(jīng)校正后的PFIR濾波器頻域響應(yīng)經(jīng)256次傅里葉逆變換即可得到對(duì)應(yīng)256階FIR濾波器的時(shí)域脈沖響應(yīng)系數(shù)。

在DDC中完成PFIR濾波后，即可進(jìn)行進(jìn)一步的抽取，本收發(fā)機(jī)方案中的FIR抽取倍數(shù)為4，因此經(jīng)過(guò)PFIR濾波抽取后的采樣率將降低至96 kHz，而DUC處理之前的基帶信號(hào)采樣率也為96 kHz，這對(duì)音頻和低速數(shù)據(jù)基帶信號(hào)來(lái)講已經(jīng)足夠，也使得FPGA／DSP的基帶調(diào)制、解調(diào)等處理變得容易。

4 測(cè)試驗(yàn)證

將GC5016的A通道配置為DUC模式，上變頻頻率設(shè)定為30 MHz，外加1 kHz單音信號(hào)。收發(fā)機(jī)中基帶信號(hào)采樣率為96 kHz，因此經(jīng)數(shù)字上變頻后的采樣率為98.304 MHz，實(shí)測(cè)發(fā)送射頻SSB信號(hào)的頻譜如圖9所示。可見(jiàn)，DA輸出30.001 MHz的SSB信號(hào)，測(cè)試帶內(nèi)平坦度控制在0.1 dB以內(nèi)，因此GC5016能較好地完成短波收發(fā)機(jī)中的數(shù)字上變頻任務(wù)。

將GC5016的C通道配置為DDC模式，下變頻頻率設(shè)定為30 MHz，外加30.001 MHz正弦信號(hào)。AD采樣率為98.304 MHz，因此數(shù)字下變頻處理后的采樣率為96 kHz，實(shí)測(cè)接收音頻信號(hào)的幅度譜如圖10所示?？梢?jiàn)音頻DA輸出1 kHz的信號(hào)，測(cè)試帶內(nèi)平坦度控制在0.1 dB以內(nèi)，因此GC5016較好地完成了短波收發(fā)機(jī)中的數(shù)字下變頻任務(wù)。

5 總結(jié)

本文介紹了射頻直接低通采樣的短波收發(fā)機(jī)數(shù)字化處理方案，與傳統(tǒng)中頻數(shù)字化接收機(jī)相比，具有較低的復(fù)雜度和較好的性能。利用單片GC5016芯片即實(shí)現(xiàn)了短波收發(fā)機(jī)中的數(shù)字上下變頻任務(wù)，完全滿足射頻數(shù)字化短波收發(fā)機(jī)對(duì)數(shù)字上下變頻的設(shè)計(jì)要求，具有較高的性價(jià)比。GC5016的高數(shù)據(jù)速率、強(qiáng)混頻能力、高內(nèi)插／抽取倍數(shù)等特點(diǎn)，使射頻信號(hào)與基帶信號(hào)的相互變換、射頻采樣率與基帶采樣率的相互轉(zhuǎn)換等易于實(shí)現(xiàn)。CIC和PFIR兩級(jí)級(jí)聯(lián)的濾波器結(jié)構(gòu)，使數(shù)字上下變頻器具有較好的帶外抑制和帶內(nèi)波動(dòng)性能。另外，GC5016工作模式及參數(shù)可在線配置的特點(diǎn)，使數(shù)字上下變頻器的設(shè)計(jì)和使用簡(jiǎn)明、靈活。

［1］楊小牛，樓才義，徐建良.軟件無(wú)線電技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2010.

YANG Xiao-niu，LOU Cai-yi，XU Jian-liang.Software radio technology and application［M］.Beijing：Beijing Institute of Technology Press，2010.（in Chinese）

［2］周學(xué)科，張?zhí)?，王小?基于軟件無(wú)線電的短波中頻數(shù)字化［J］.重慶郵電學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，16（4）：34-37.

ZHOU Xue-ke，ZHANG Tai-yi，WANG Xiao-jun.IFdigitalization of SW based on software radio［J］.Journal of Chongqing University of Posts and Telecommunications，2004，16（4）：34-37.（in Chinese）

［3］陳牧，高俊，劉全，等.短波射頻數(shù)字化接收機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電訊技術(shù)，2009，49（7）：59-62.

CHEN Mu，GAO Jun，LIU Quan，et al.Design and Implementation of a HF RF Digitized Receiver［J］.Telecommunication Engineering，2009，49（7）：59-62.（in Chinese）

［4］遠(yuǎn)海鵬，劉峰，龍騰.基于射頻采樣的短波偵察接收機(jī)設(shè)計(jì)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2008，24（22）：173-174.

YUAN Hai-peng，LIU Feng，LONG Teng.Design of RF Sampling Short Wave Reconnaissance Receiver［J］.Microcomputer Information，2008，24（22）：173-174.（in Chinese）

［5］張惠軍，程翥，皇甫堪.GC5016中濾波器的理論分析與綜合設(shè)計(jì)［J］.電訊技術(shù)，2007，47（2）：144-148.

ZHANG Hui-jun，CHENG Zhu，HUANGFU Kan.Filtertheoretical analysis and synthesis design in GC5016［J］.Telecommunication Engineering，2007，47（2）：144-148.（in Chinese）

ZHOU Yu-ting was born in Nanjing，Jiangsu Province，in 1972.She received the M.S.degree in 1999.She is now a lecturer.Her research concerns electrical engineering and automation.

Email：yt-zhou2010＠163.com

郭偉（1984—），男，陜西咸陽(yáng)人，2010年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為助理工程師，主要研究方向?yàn)檐浖o(wú)線電和無(wú)線通信；

GUO Wei was born in Xianyang，Shaanxi Province，in 1984.He received the M.S.degree in 2010.He is now an assistant engineer.His research concerns software radio and wireless communication.

Email：guowei8487574＠163.com

周建英（1983—），男，安徽碭山人，2008年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線通信。

ZHOU Jian-ying was born in Dangshan，Anhui Province，in 1983.He received the M.S.degree in 2008.He is now an engineer.His research concerns wireless communication.

Design of DUC／DDC for HF Transceiver Based on GC5016

ZHOU Yu-ting1，GUO Wei2，ZHOU Jian-ying2
（1.College of Automation＆Electrical Engineering，Nanjing University of Technology，Nanjing 210009，China；2.The 36th Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Jiaxing 314001，China）

In view of the analog front circuits′restrictions on the performance and complexity of traditional Intermediate Frequency（IF）digitalizing transceiver，a Radio Frequency（RF）digitalizing scheme based on low-pass sample theory is introduced，in which Digital Up／Down Convert（DUC／DDC）are performed by GC5016.This paper focuses on the joint design of Cascaded Integrated Comb（CIC）and Programmable Finite Impulse Response（PFIR）filter in GC5016 through simulation research and hardware verification.The out-band rejection of the DUC／DDC is up to 100 dB，and band flatness is limited to 0.1 dB，so，the design fully satisfies the HF transceiver′s requirement.

HF transceiver；digital up／down convert；CIC filter；PFIR filter

TN924

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.07.010

周玉庭（1972—），女，江蘇南京人，1999年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為講師，主要研究方向?yàn)殡姎夤こ碳捌渥詣?dòng)化；

1001-893X（2012）07-1102-05

2011-12-20；

2012-03-29