基于AD6620的中频数字直扩接收机本地载波的同步恢复

摘　要：直接序列扩频接收机对本地载波的同步要求非常严格，以往所需电路复杂。本文方法在数字域通过粗、细双环调整达到载波同步，具有同步时间短、精度高、灵活性强、所需器件少、易于实现的优点。本方法已在基于AD6620数字下变频信号处理器的中频数字直扩接收机中得到应用，并可广泛用于数字化扩频电台、遥控遥测等通信系统中。

关键词：直接序列扩频通信；接收机；软件无线电；数字下变频；锁相环

引　言

直接序列扩频(以下简称直扩)通信的解扩解调需要本地载波的严格同步，通常在模拟域采用锁相环的方法完成，所需元件数量多，调试复杂，并且缺乏灵活性。

软件无线电是通信技术发展的必然趋势，但限于当前器件发展水平，难以在射频端直接完成A/D变换和信号处理。在中频阶段进行数字化处理是当前比较可行的途径。

AD6620是美国AD公司推出的功能强大的数字下变频信号处理器，某中频数字直扩接收机采用了该芯片。在该方案中，采用了本文给出的双环本地载波同步控制方法，具有同步时间短、精度高、灵活性强等优点。实验结果表明，在电台改变通信参数的情况下仍能达到满意的效果，符合软件无线电思想。

系统设计及本地载波的同步恢复方法

中频数字化直扩接收机设计
设计框图如图1所示。

图1 中频数字化直扩接收机原理框图

中频模拟信号经AD6640模/数变换器转换后送入AD6620。AD6620进行数字下变频后完成抽取和低通滤波，将I/Q 支路基带数据送往FPGA。在FPGA内部通过匹配滤波器对信号进行解扩，然后将解扩后的数据送往DSP进行原始信息恢复。

DSP完成AD6620的初始化控制和AGC控制。同时DSP利用解扩后的数字信息通过FFT计算得到本地载波与接收信号的频率误差，从而完成本地载波频率的粗调；通过内部软件Costas环由解扩后的数据计算出载波相位误差，实现本地载波的频率微调。DSP通过系统总线实时调整AD6620的参数实现两个反馈控制环。

AD6620是美国AD公司推出的高性能数字信号处理芯片，可以完成高速数字信号的下变频及抽取滤波工作，功能强大。内部信号处理单元由4个部分组成：频率变换器单元、二阶固定系数梳状抽取滤波器(CIC2)单元、五阶固定系数梳状抽取滤波器(CIC5)单元和一个系数可编程的抽取滤波器(RCF)单元，内部结构如图2所示。

图2　AD6620内部结构

　　AD6620有以下几个主要特征：①高数据吞吐率：采用16位线性比特补码输入(另加3 bit指数输入)，单信道实数输入模式最大输入数据速率高达67MSPS。输出具有并、串两种模式，并行模式为16比特补码输出；②内部采用三级抽取滤波，总的抽取率在2 ～16 384之间可变，每一级均有增益控制。最后一级为可编程F IR滤波器，最多可以使用256级数字滤波；③控制灵活。内部主要的控制寄存器都可以在工作过程中实时地被改写(见表1)。

AD6620中混频器由2 个乘法器和一个32 bit数控振荡器(NCO)组成，提供同相和正交的本振频率。NCO可以产生-fSAMP/2～+fSAMP/2 的本振信号，频率分辨率可达f_SAMP/232。NCO采用先进的数字频率合成器(DDS)技术，可由外部控制器实时控制本振信号的频率和相位补偿。

DSP通过数据总线完成AD6620的工作模式、NCO参数、滤波器参数等的设置。AD6620的一个重要特征是工作过程中其部分控制寄存器可以被动态地读写，实现AD6620的动态实时控制。可动态控制的寄存器如表1所示。

表1　AD6620动态控制寄存器

　　DSP通过对AD6620表中寄存器进行动态的控制，完成对输入输出信号幅度、NCO振荡频率、相位补偿和滤波器衰减量等的调整，实现载波同步以及自动增益控制。

需要指出的是，一般来说发射机本地载波的相位总是要求连续变化，接收机则无此要求。用户可以选择AD6620本地载波在改变工作频率时相位连续变化或不连续变化。这是非常重要的，因为锁相环实质上是通过调整频率减少相位误差，从而实现频率锁定，本方法中才可以在数字域使用锁相环的方法实现载波的频率微调。

利用FFT计算频率误差进行频率粗调
本系统用于空地通信，工作时多普勒频移很明显，其范围不超过5kHz。DSP通过对解扩后的数据进行FFT变换，得到本地载波与接收信号的频率误差，转换成频率控制字实时调整AD6620的NCO工作频率，完成对本地载波的频率粗调。

利用Costas环进行频率微调
DSP对解扩后的数据进行Costas环运算得到相位误差，转换成频偏数据去实时控制AD6620的NCO，实现频率微调跟踪。微调控制环框图如图3所示。

图3　频率微调控制框图
　　
软件设计

整个系统中与载波同步相关的软件流程如图4所示。

图4　载波同步程序流程图

程序开始由DSP对AD6620进行初始化工作。需要在始化设定的参数包括工作模式、工作频率、各级数字滤波器的抽取系数、衰减系数，以及第三级F IR滤波器系数。然后由DSP对解扩后的数据进行FFT变换，找到当前信号频率与本振频率差，得到当前需要的工作频率，并将此频率设为AD6620的NCO工作频率。接着对接收数据进行循环的解调工作。当解出的数据流帧头不正确，或是对错误码元的计数超过限定值的时候，自动进入FFT载波频率粗调子程序，调整完毕后再次进入数据解调过程。

载波频率微调由程序中的频率微调计数器进行控制。每接收到一个信息码元，频率微调计数器就会加一。当计数器达到最大值时，就会通过Costas环计算一次频率误差，去调整一次AD6620的本地载波工作频率。计数器的值决定了对频率进行微调的频繁度，在系统CPU能承受的条件下，值越小越好。值越大，对频率进行调整越少；值越小，对频率进行微调就越频繁。实际应用中需要反复调整才能达到较好的效果。

实验验证

某中频数字化直扩通信接收机中，采用了上述的中频载波同步方案，并在不同的通信参数下进行了实验验证(见表2)，相对应的AD6620参数设置见表3。

表2　实验验证的通信参数

表3　AD6620相应参数设置

　　本系统的中频采样率保持为19.6608 MHz，中频频率和Symbol速率降低时，需要改变AD6620的中频频率设置、滤波器抽取率和F IR滤波器参数等。I、Q两路信号从AD6620通过数据总线输出，AD6620的实际输出速率应为Chip速率的2倍。FIR滤波器可以使用256个抽头中的任意一段，并可在程序运行中切换(修改表1中地址30B内容)，

因此在达到性能的前提下，滤波器级数越少越好，可以增加系统的灵活性，本系统中使用16级。系统为了使带宽很窄，使用了500kHz的中频、640bit/s的Symbol速率。更改通信参数时，只需修改软件即可，外围硬件保持不变，体现了软件无线电的思想。DSP程序运行过程中，在恢复原始数据的同时监测数据的变化，并在误码较多或突然丢失帧头的时候，自动进入载波频率粗调子程序，通过FFT变换得到频率误差，加上固定值得到需要的本地工作频率，把计算结果写入AD6620的频率控制寄存器，改变AD6620的本地振荡频率。

FFT载波频率粗调只在数据发生突变的时候进行，稳定工作后频率粗调不起作用，此时进入频率微调过程。而载波频率的微调跟踪则由频率微调计数器控制，当计数器达到最大值时才进行一次频率微调。对于不同的系统，对频率微调的精度和速度有不同的要求。本系统经过反复调整后所使用的微调频繁度为：每收到10个Symbol进行一次频率微调可以收到很好的效果。

实验结果表明，进行128点FFT变换时，可以达到的频率粗调精度最坏为±50Hz，频率微调跟踪精度最坏约为±0.05Hz，同步效果非常好，且工作稳定。

结　论

本方案较好地解决了中频数字化接收机的本地载波同步问题。同模拟锁相环载波同步相比，具有同步时间短、精度高、灵活性强、所需器件少的优点。还可以根据系统需要灵活配置，对软件可简单修改以适应不同系统的要求。而且不需要任何外围模拟器件，反馈通道由共用的系统总线完成。本方案对解决中频数字化后本地载波的同步恢复问题有一定的参考价值，并可广泛用于数字化扩频电台、遥控遥测等通信系统中。