基于AD6620的正交解调器设计

摘 要：本文介绍了数字下变频器AD6620芯片的主要结构，阐明了频谱多普勒成像中的正交解调部件的基本原理和方法，详细讨论了用AD6620实现这一功能的设计方法，完成了基于这种方法的正交解调硬件设计和软件编程，并调试成功。
关键词：频谱多普勒成像；正交解调；数字下变频器；AD6620

近年来，人们对数字正交解调进行了一系列的研究，提出了不少方法，其中，数字混频正交变换法与模拟解调原理一致，是一种比较理想的解调法，同其它方法相比，其精度更高，误差更小。
AD6620是美国ADI公司生产的数字下变频信号处理器，采用数字混频正交变换完成数字解调功能，在通信、雷达等电子设备中得到了很好的应用。本文将AD6620成功地应用到超声频谱多普勒成像中，完成了其硬件设计和软件编程。

频谱多普勒系统中的
正交解调部件
超声频谱多普勒系统分为正交解调、距离选通和频谱分析3个部件，它们都受一个CPU控制，需要与该CPU通讯。其中，正交解调部件由一个数字下变频器AD6620实现，它的原理框图如图1所示。
接收到的回波信号放大后可表示为：

把分成两路分别与与相乘,并用低通滤波滤除其高频成分,可得上通道的输出为：

低通滤波后的输出为：

同理可得下通道的输出为：

将和合成复值信号，就可以进行后面的距离选通、频谱分析等处理。

数字下变频器AD6620
AD6620主要有以下特征：16位线性比特补码输入(另加3比特指数输入)；单信道实数输入模式最大输入数据速率高达67MSPS，双信道实数输入模式与单信道复数输入模式最大输入数据速率高达33.5MSPS；具有可编程抽取FIR滤波器与增益控制，抽取率在2~16384之间可编程；具有并行、串行两种输出模式，并行模式为16位补码输出。
AD6620主要由4个内部信号处理单元组成：频率变换单元、二阶固定系数梳状滤波抽取滤波器(CIC2)单元、五阶固定系数梳状滤波抽取滤波器(CIC5)单元和一个系数可编程的RAM系数抽取滤波器(RCF)单元。

方案设计
算法设计
在AD6620中，输入信号为14位的数字信号，它分别与两路32位解调信号cos(2πnf0/fs)和-sin(2πnf0/fs)相乘得到上下两路输出，分别为和，保留结果的高18位，然后经过两级级联CIC滤波器抽取滤波，输出经过低通滤波，最后得到两路16位输出信号Va和Vb。
低通滤波器的设计要综合考虑信号的能量和信噪比，通带增宽可以增强信号能量，但也会增大系统误差，阻带的截止频率和衰减必须能够有效地抑制高次谐波和其它高频噪声的干扰。本文采用的滤波器的通带截止频率为400KHz，阻带截止频率为1.2MHz，阻带衰减大于50dB。
在本系统中，CIC2、CIC5和RCF的抽取率分别为2，4，1。它们的传递函数分别为：
，

值得注意的是，以上传递函数所对应的采样率是不同的，假设AD6620输入数据的采样率为25MHz，则HCIC2对应的采样率为25MHz，HCIC5对应的采样率为12.5MHz，HRCF对应的采样率为3.125MHz，若要得到它们级联后总的频率特性，需要将它们的采样率统一折算到25MHz。折算后的传递函数为：

硬件接口
与CPU接口
CPU采用MCF5206，与CPU接口包括3位地址线 CPU_ADDR[2..0]、8位数据线 CPU_DB[7..0]、片选线 /CPU_CS、读信号CPU-RD和写信号 CPU_WR，其中，CPU的地址线需要先在PLD中完成译码后产生3位地址线再送给AD6620。PLD选用Altera公司的ACEX 1K系列的EP1K100QC208-3芯片。由于CPU的工作电压为5.0V，而AD6620的工作电压为3.3V，因此CPU的控制信号必须经过电平转换电路才能与AD6620相连。本文采用PI74LCX245作为电平转换芯片，它还具有控制数据流动方向的功能。方向控制信号由CPU的R/#W和片选信号组成。
与距离选通部件的接口
输出16位数据DATA[15..0]作为距离选通部件的输入；输出DV的高电平表示输出数据有效，低电平表示输出数据无效；输出I/Q在输出数据有效时，其高电平表示输出I数据，低电平表示输出Q数据；输出的I、Q两路数据分时共用16位数据线，利用DV、I/Q和时钟将两路数据分开，这部分电路在PLD中实现。

图1 正交解调的系统框图

软件设计
AD6620工作参数的配置
AD6620的初始化可以由外部控制单元通过AD6620的微处理器接口进行，完成工作模式、NCO参数、滤波器参数等设置。外部控制单元还可以通过微处理器接口对AD6620内部寄存器进行动态读写，实现对AD6620的动态实时控制。外部控制单元根据AD6620的输出结果，通过对AD6620进行动态控制，完成输入/输出信号幅度、NCO频率与相位的调整，实现载波同步以及自动增益控制。
AD6620的微处理器接口有两种模式：MODE0与MODE1，二者可以通过mode引脚进行选择。

图 2 输出的两路I、Q信号

初始化时如果外部控制单元选择的时钟比AD6620的主时钟低，则对时序的要求较低，外部控制单元与AD6620的主时钟并不要求同步。如外部控制单元选择的工作时钟比AD6620的主时钟高，则对时序的要求很高，必须注意二者的同步关系，或者外部控制单元进行操作时要插入一些等待周期。

图 3 I、Q合成的复信号的功率谱

CPU对AD6620的
初始化设置流程
AD6620在开始工作前，需要初始化，应用AD6620的关键也是根据所要实现的功能对其进行初始化设置。首先，要使RESET引脚有效，保持至少30ns的低电平后变为高电平，这样，就完成了对AD6620的硬启动。然后，CPU就可以对AD6620 的内部寄存器进行初始化配置。采用前文所述算法，初始化设置流程如下：
(1)首先，令模式控制寄存器(0X300)的0位为1，使AD6620处于SOFT_RESET状态，这时可以对寄存器编程，配置完成后，再令0X300的０位为0，使AD6620脱离SOFT_RESET状态，这时AD6620才开始工作。在整个编程过程中，应使AD6620始终处于SOFT_RESET状态，也就是0X300的０位应始终为1;
(2)设置AD6620滤波器的8个系数RAM，数据为20位补码，地址为0x000～0x007，对应数据分别为0x00838、0xE5374、0x10803、0x7FFFF、0x7FFFF、0x10803、0xE5374和0x00838；
(3)将地址为0x100-0x107的8个36位RCF数据RAM全部清零；
(4)将地址为0x301的8位寄存器写为0x06；
(5)将地址为0x302的32位寄存器写为0xFFFFFFFF；
(6)将地址为0x303的32位寄存器写为0x248E8A72；
(7)将地址为0x304的16位寄存器写为0x0000；
(8)将地址为0x305～0x30D的9个8位寄存器分别写为0x00、0x01、0x05、0x03、0x07、0x00、0x00、0x07和0x00；
(9)将地址为0x300的8位寄存器写为0x00。
以上配置完成后，AD6620即可开始工作。

实验结果
将两个频率分别为3.125MHz和1.5625MHz的正弦信号叠加，作为AD6620的输入信号：

n=0，…，255；
采样率为25MHz，共取256个点。可以发现，这256个点中每16个为一个周期，共16个周期，这16个点为：0，5229，8191，7826，4798，1040，-1405，-1557，0，1557，1405，-1040，-4798，-7826，-8191，-5229。将该256个点放在ROM中，作为测试的输入数据，并使AD6620中NCO的解调频率为3MHz。
用逻辑分析仪将输入、输出采下，将经AD6620作正交解调、滤波后，输出的两路I、Q信号分别处理后如图2所示，从图2中可以看出，这两路输出信号为同频率的严格正交的单频正弦信号，将这两路信号合成为一个复信号，其功率谱如图3所示。可见，该信号的频率为0.125MHz，恰好等于3.125MHz减去3MHz，而输入信号中频率为1.5625MHz的成分经解调、滤波后，已被滤除。

结语
本文将广泛应用于通信领域的数字下变频器AD6620成功地应用到超声频谱多普勒成像中，完成了其硬件设计和软件编程，不但实现了正交解调功能，而且大大提高了系统的灵活性和开放性，简化了设计开发过程。■