AD6636在宽带数字中频接收机中的应用

摘　要：数字下变频技术是软件无线电的关键技术之一。本文介绍了AD公司新近推出的高性能数字下变频(DDC)器件AD6636的主要特性和工作原理，通过对宽带和窄带信号滤波器的仿真结果，提出了在数字中频接收机(DIFR)的设计中，能够利用AD6636片内高精度的数字正交下变频器和抽取滤波器，同时利用FPGA实现宽带滤波，可以弥补AD6636的宽带滤波性能较差的缺陷，从而实现宽带数字滤波。

关键词：数字中频接收机(DIFR)；AD6636；数字下变频器(DDC)；数字控制振荡器(NCO)

引　言

近年来，DIFR(数字中频接收机)受到军用和商用通信的高度重视，发展非常迅速，并在技术上取得了一系列的突破。与传统的超外差接收机相比，DIFR是对中频信号直接采样，典型框图如图1所示。其主要的技术优势在于:数字下变频输入信号几乎可以做到完全正交；利用数字滤波器实现通道选择，并具有现场编程能力；数字电路元件的一致性较好，不存在温漂和非线性失真问题；适于接收和处理多载波，多模式信号，电子设备的利用率高；成本低、体积小、重量轻、维护方便。


在DIFR的设计中，为了保证有较宽的频带覆盖和较高的灵敏度，这就要求A/D有较高的工作速率和足够的位宽，从而使得A/D输出的高速率数据与后端DSP的低处理速率成为设计的瓶颈。因此，如何在降低A/D输出数据速率的同时尽量保证信号不失真，是DIFR设计中的关键技术。数字下变频是降低数据率的一种方法，通过对信号进行下变频，经低通滤波后进行抽取得到后端DSP便于处理的低速基带信号。在DIFR的设计中，采用AD公司的用于宽带输入信号的数字下变频器AD6636实现中频采样信号的下变频。

AD6636的主要特性简介

AD6636是AD公司于2004年推出的一款宽带数字下变频器(DDC)，其主要特性如下:
4/6个独立的，宽带的处理通道；
4个单端或2个LVDS并行输入端口，工作时钟可达150MHz；外部接口逻辑支持300MSPS的信号输入；
具有实信号和复信号输入端口；并对复信号输入具有正交纠错和直流纠错能力；
3个16位的并行输出端口，工作时钟可达200MHz；外部增益的改变由可编程的衰减器来控制，6个可编程的数字AGC环具有96dB的变化范围；
每个通道有3个可编程系数FIR滤波器和2个半带宽抽取滤波器；
支持8位或16位的微型口。

该芯片由4个实信号(或2个复信号) 输入端口和4个(或6个) 数字下变频组成，其内部结构框图如图2所示。每个通道分别由1个变频器，一组(CIC5，FIR1，HB1，FIR2，HB2，MRCF，DRCF，CRCF和LHB) 低通滤波器，数字AGC模块和输入/输出布线阵列组成，支持多种输入输出模式，并可以通过串口或微处理器进行在线编程。


数字控制振荡器(NCO)
数字控制振荡器在DDC中相对是比较复杂的，也是决定DDC性能的最主要因素之一。AD6636内部每个通道都有1个数字下变频器(DDC)，每个DDC都由1个正交混频器和1个正交数控振荡器(NCO) 组成。NCO输出的正交本振信号的频率，由写入NCO的频率寄存器的1个32位频率字来控制。该频率字可以产生1个20位的相位字，其中的18位用于产生所需NCO频率的正弦和余弦信号。NCO的频率调谐范围为- F_s/2～ F_s/2，分辨率为F_s/2³²，Fs为输入信号的速率(时钟频率)。32位的NCO频率字可以通过下面的方程计算得到:



其中，F_ch是数字中频信号的载波频率，F_clk是期望的该通道的时钟速率，mod()是求余函数。

NCO 的相位偏移量是通过对NCO的相位累加器写入1个16b 的无符号整数，既相位偏移字来控制的。如希望NCO的相位偏移量为$H，则相位偏移字OFF_ PHASE 为:


信道化低通滤波器组
AD6636的信道化低通滤波器组是由CIC5，半带滤波器模块，RCF(RAM系数滤波器)和LHB (插值半带滤波器)组成。其中，LHB的最大输入数据速率为17MHz，最大输出数据速率为34MHz。C IC5是1个5阶定系数抽取级联积分梳状滤波器，其输入数据速率和DDC的输入数据速率相同，其输出数据速率等于数据速率除以抽取率M_CIC，M _CIC在2～32之间可编程。若MCIC被旁路，则相当于抽取率等于1。C IC5滤波器的传输特性为:


式中，SCIC是校正系数，在0～20之间可编程。半带滤波器模块由1阶级联的FIR1滤波器，半带滤波器(HB1)和2阶级联的FIR2滤波器和半带滤波器(HB2)级联组成的。FIR1滤波器是一个3点定系数乘加滤波器，HB1滤波器是抽取率为2的11点定系数半带滤波器；FIR2滤波器是一个6点定系数乘加滤波器，HB2滤波器是抽取率为2的27点定系数半带滤波器。并且，FIR1，FIR2，HB1，HB2分别可以被使能或者旁路。RAM系数滤波器由MRCF，DRCF和CRCF级联组成。MRCF(单一速率RAM 系数滤波器) 是可编程的乘加FIR滤波器，其点数和系数均可编程，最大点数为8点，系数为6b的对称数或非对称数，MRCF没有抽取功能。DRCF(抽取RAM系数滤波器)是一个抽取率在1～ 16之间可编程的FIR滤波器，最大能够实现64点非对称滤波器点数或128点对称滤波器。CRCF(通道RAM系数滤波器) 与DR2CF基本相同，惟一区别在于DRCF滤波器的系数宽度为14位，CRCF滤波器的系数宽度为20位。

AD6636在DIFR中的应用

AD6636在处理宽带信号时，由于输入数据速率和输入时钟速率相同，其滤波特性受滤波器的抽取率和点数限制。因此，在处理宽带信号时，可以把AD6636片内多个信道设计成多相滤波器，从而得到更宽的通带带宽和更好的带内平坦度。

下面利用ADI公司提供的专用仿真软件Soft cell de2sign来仿真AD6636的通带滤波特性，设定的仿真参数如下:

输入的中频数字信号速率：70MHz；

输入的时钟频率：70MHz；

PLL的工作频率：192.5MHz (小数分频：倍频系数M = 11；分频系数N = 4) ；

输出的基带数字信号速率：17.5MHz；

CIC5旁路，FIR1和FIR2使能，HB1旁路，HB2的抽取率为2；

MRCF的点数为4；DRCF的点数为4；CRCF的点数为10；

通带上限截止频率为10MHz；带外衰减为-80dB@15MHz。

按照上述参数进行仿真得出滤波器的一系列通带幅频特性曲线，从中选取了带外衰减和带内平坦度较好的滤波器，其幅频特性曲线如图3所示。

同理，对AD6636用于窄带滤波时的通带特性进行仿真，设定的参数如下:

输入的中频信号速率：70MHz；

输入的时钟频率：70MHz；

PLL的工作频率：192.5MHz (小数分频：倍频系数M = 11，分频系数N = 4) ；

输出的基带数字信号速率：2.1875MHz；



C IC5 的抽取率为4，FIR1和FIR2使能，HB1旁路，HB2的抽取率都为2；

MRCF的点数为7；DRCF的点数为43；CRCF的点数为87；

通带上限截止频率为1MHz；带外衰减为-80dB@1.1MHz。

按照上述参数进行仿真，得到滤波器的一系列通带幅频特性曲线，从中选出带外衰减和带内平坦度较好的滤波器，其幅频特性曲线如图4所示。

比较图3和图4可以看出，AD6636用于宽带滤波时，通带滤波特性较差；而用于窄带滤波时，具有近乎理想的带内平坦度和带外衰减特性。

结　语

由于AD6636在用于宽带滤波时，要实现更宽的通带，滤波器的抽取率和点数往往都比较小，其通带滤波特性不可能很好。同时，AD6636用于宽带滤波时，尽管可以较好的满足带外衰减需求，但带内平坦度一般都较差。因此，在DIFR的设计中，利用AD6636片内高精度的数字正交下变频器和抽取滤波器，同时利用FPGA实现宽带滤波，可以弥补AD6636的宽带滤波性能较差的缺陷，从而实现宽带数字滤波。