宽带数字上/下变频转换器GC5016及其应用

中国矿业大学信电学院信息工程系 郑晓红 王艳芬 武学强

引言

移动通信系统的终目标是提供任意时间、任意地点、任意人的信息交换业务。对此目标的追求，推动了移动通信业务需求的迅猛增长，并促使产业界研制开发第三代移动通信系统。而第三代移动通信系统的实施，涉及网络技术、信号处理、电波传播和天线技术等诸多方面，对技术方案的选择要具有先进性、可实现性和适中的性能价格比，还应具有一定的预见性，以适应未来的技术。其中软件无线电技术是其中的关键技术之一。

软件无线电技术的提出是为了解决多种通信标准和频谱拥挤问题，目标是达到多种通信频段、多种信道调制和多种数据格式的“互操作性”。

软件无线电目前没有统一的定义，一般认为其基本思想是将宽带模/数和数/模转换器尽可能靠近天线处理，以软件方式替代硬件实施信号处理。作为一种新的通信体制，为通信多种标准的统一建立了桥梁。它充分利用现代先进的通信与信号处理、微电子和软件等技术，实现多媒体、多模式的通信系统"无缝"连接。它的特点是基于同样的硬件环境，由软件来完成不同的功能，对于系统升级和多种模式运行，则可以自适应地完成。软件无线电系统包含：宽带多频段天线、射频部分、A/D和D/A转换、数字下变频和数字上变频、高速DSP专用可编程处理器和低速DSP或者计算机等几大部分，其中数字下/上变频是它的技术。本文讲到的GC5016正是一种理想的可编程宽带四通道数字上/下变频器，在CDMA/WCDMA、雷达和软件无线电有很好的发展前景。

GC5016简介

概述

GC5016是GrayChip公司（TI子公司）推出的宽频带四通道的可编程数字上变频／下变频转换器，是业界颗单晶片数字上变频器和下变频器，它是为了满足高速、宽带的数字信号处理而设计，提供150MSPS时脉、杰出的3G性能、灵活的宽带数字滤波、多个输入与输出接口选项以及超低功耗。同时，它也可以作为普通的数字滤波器使用。四个完全相同的处理通道能够独立的配置成上变频、下变频或者是两个上变频和两个下变频组合的通道。 在上变频模式，信道接收实数据或者复数据，用可编程的数值1到4096进行抽取，并将其调制到选定的中心频率上。已调信号可以是四个通道的信号之和，也可以是任选的其他GC5016芯片的已调信号相加。信道可以成对使用以增加输出采样率或者增加输入信号的带宽，或者二者均可实现。每个通道包含一个用户可编程输入滤波器（PFIR），这个滤波器可以用作发射数据的整形滤波器或用以生成QPSK、GMSK或者QAM信号等的Nyquist滤波器。

在下变频转换模式，信道接收的还是实数据或者复数据，并解调到选定的载频上，再用可编程的数值1到4096进行抽取，然后进行自动增益控制放大，并产生20位的输出。下变频转换模式下，信道的输出信号经过格式化后以实数或者复数的形式加到四个输出端口，完成数字信号的下变频。

基本特征

（1）宽频带四组独立信道的可编程数字上变频/下变频转换器；

（2）下变频转换器通道的模式；

--四个通道的输入时钟速率可达150MSPS，而两个通道则可以达到300 MSPS

--四组宽频带下变频转换器通道可支持UMTS标准

--具有115dB 无失真动态范围（SFDR）的处理能力

--具有16个能达到255阶的FIR滤波器

--64个并行输入/输出位，提供灵活的I/O选项

（3）上变频转换器通道模式；

--四个通道的输出时钟速率可到150MSPS，而两个通道同样可以达到300 MSPS

--四组宽频带的上变频转换器通道也可支持UMTS标准

--具有16个能达到255阶的FIR滤波器

--64个并行输入/输出位，提供灵活的I/O选项

--输出可以是独立的，可以是一两个输出的和，也可以是任意的几个GC5016芯片输出信号的融合

（4）采用JTAG 封装；

（5）I/O电源是3.3V，核电源是1.8W；

（6）四个通道的电源散热功率均小于1W。

推荐操作环境

引脚功能描述

配置软件

cmd5016是GC5016的配置软件程序。该程序接收用户需要的信号处理要求，并生成一系列输出文件。这里面包含配置文件，分析文件，调试文件和列表文件。一般期望软件被嵌在用户接口的后面。配置文件以一种格式定义所有寄存器的设置以适合GC101的估计模式。分析文件提供用户内部到芯片的增益反馈信息，并且提供任何其他有用的信息给用户读取。调试文件是给软件程序的调试者使用的，而且这个文件对其他人可能是保密的。列表文件包含每个控制区的值。这种格式可以使用户较容易地看出每个控制区采用的是哪种设置。

程序在编译中发现的错误要显示到屏幕上，并输入到所有输出文件中。这些工作必须在配置芯片之前就要完成；而发现的警告要送到分析文件中。

在前面已经讲到，每个通道都有两种工作模式：发射和接收。芯片可以让四个通道都用于发射，或者接收，或者两个通道（AB）用于发射，两个通道（CD）用于接收。由于不同的参数适合于不同的工作模式，所以使用时要先进行模式设置。模式的设置可以用一条模式命令完成：
mode [ABCD] [transmit receive]

用户在命令文件中定义变量。这些变量可以是区（硬件控制寄存器的位区）或者pseudo_fields（仅仅在软件中存在的变量而在硬件中没有与之直接对应的元素）。变量可以有六种类型：mandatory（M）、defaulted（D）、computed（C）、unused（U）、expert(E)和not available（-）。Not available只能用在只读变量中。在发射和接收模式中，变量有不同的类型。例如，cic_int在发射中是M（mandatory）型，而在接收中则是U（unused）型。任何变量均可以由用户定义，而且它们的值可用于芯片的编程也可用于其他区的计算。用户要想修改这些变量的值，就应该在软件中给出C和E区定义值。有一点需要注意，为了提高程序的可读性，往往需要加一些注释，注释的格式是：以"#"或者"/"开始，在注释中允许有空行。

应用实例

下面描述的是GC5016在CDMA2000 1X下变频滤波响应的一个实例。GC5016的设置值是：输入采样信号频率为78.643MSPS，CIC抽取因子为8，PFIR抽取因子是4，输出采样信号频率是2.4576MSPS（2*芯片的速率），255阶的PFIR。包括CIC和PFIR的整个滤波器的响应如图1和图2所示。在图2所示的过渡带中，滤波器的响应满足CDMA20001X阻带衰减的要求：在频率为750kHz处，衰减为 50dB，而在频率为900kHz处，衰减是 87dB。

在发射端，输入假定是以1.2288MHz的频率操作，PFIR抽取因子是4，用一个192阶滤波器完成相位预畸变，脉冲整形，相邻通道的截止和CIC 延时补偿。在这里使用六级CIC抽取器。Cmd5016配置文件和滤波器的阶数是可以从网络得到。

结束语

软件无线电以开放性的简单的硬件为通用平台，它是用可升级、可重配置的应用软件来实现各种无线电功能的设计新思路，所以越来越受到人们的青睐。本文介绍了GrayChip公司的GC5016宽带数字上/下变频器的基本特征、工作环境和配置软件，以及作为通用滤波器在CDMA中的使用。这种数字变频器的使用可以使软件无线电的硬件平台变得更加简洁，对软件无线电的发展有重要意义。