一种高精度中频信号数据采集卡的硬件设计

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                    　　0 引言
　　传统数据采集卡的主要功能是完成对模拟信号的基带数字化。由于数字化是在基带进行，其下变频、滤波全部采用模拟方式，因此，对于不同频段、不同调制方式的通信系统，应当对应专门的硬件结构，但这样的系统缺乏灵活性，且随着系统采样率和采样精度的提高，对数据实时性传输也带来了很大的困难。
　　软件无线电(software radio)是近年来随着微电子及计算机技术应运而生的一种新的无线电技术，理想的软件无线电系统强调体系结构的开放性和可编程性，专注于减少灵活性差的硬件电路，并把数字化处理(A／D)尽量靠近天线，力求通过软件的更新来改变硬件的配置结构，以求解决传统数据采集卡存在的问题。
　　结合软件无线电思想，可将AD采样后得到的数据直接送入数字下变频器，然后通过FPGA程序的改变来实现对数字下变频器内部寄存器的重新配置，从而完成数字下变频功能，该方法既提高了系统的灵活性，又能很好的满足系统对数据传输的高实时性要求。
　　1 传统数据采集卡的特点与缺陷
　　传统数据采集卡的结构一般如图1所示。传统数据采集卡的特点是先对模拟输入信号进行模拟混频正交解调，混频后的信号经模拟低通滤波器后再进行AD采样。由于两路模拟乘法器以及低通滤波器难以达到一致，因此，采样后得到的I、Q两路信道间的幅度往往不平衡，相位正交误差较大。同时，随着模拟输入频率的增加，对于模拟低通滤波器、AD器件的采样率设计要求也越来越高。另外，随着采样率和采样精度的提高，现有的PCI、PCI—E等接口规范，其数据传输速率也难以达到设计要求。






　　同模拟I、Q正交解调相比，数字I、Q不仅省掉了一个ADC，更为重要的是，两个支路的乘法器、滤波器功能均可在数字域内通过算法的编写灵活实现，并可完全做到一致，从而有效地提高了镜像抑制比，且数字滤波性能也高于模拟滤波器。同时，将采样数据经过数字下变频器进行下变频处理，也可以降低数据流速率，从而满足对后续数据实时性处理的要求。因此，在中频、甚至射频对输入信号进行数字化，对数据采集系统的研制具有重要意义。
　　3 新型中频数据采集卡设计
　　图3所示为新型数据采集卡的整体结构框图。由图3可见，该采集卡结构中主要包括AD采样、DDC处理、FPGA逻辑控制、缓存以及接口等几部分。






　　从功能上来看，数字下变频器主要包括两个部分，第一部分是数字控制振荡器(NCO)和混频器，主要用来把数字化的中频信号搬移到基带；第二部分是多级抽取，用以得到期望的载波频率。
　　可以看出，DDC抽取部分由3个FIR滤波器级联构成，其中一个是级联积分梳状(CIC)抽取滤波器，另外两个是抽取因子为2的可编程抽取滤波器。CIC滤波器相对来说结构最简单，乘法运算比较少，只使用加法和延迟运算，可对信号进行粗略的低通滤波，适合于处理高速率的数字信号，而且抽取因子是可编程的，这是满足通带频率参数和多速率处理的关键，可降低后级滤波器的复杂度。当然，由于是粗滤波，它的幅度响应不够理想，也可能在通带内对有用信号进行衰减。紧接着CIC滤波器是补偿FIR滤波器(CFIR)，其结构相对也比较简单，只有2l阶，主要功能是补偿由前级CIC滤波器引起的衰落，同时对信号进行进一步的低通滤波和2倍抽取。最后一个级联的是可编程FIR滤波器(PFIR)，结构最复杂，有63阶，因此一般放在末级，用来处理低速信号，可对信号进行2倍抽取并完善滤波效果。
　　总的来说，CFIR和PFIR都是线性相位滤波器，在数据转换中，都具有很好的特性。
　　信号经过混频和滤波后，再就是重采样，重采样会独立地滤波并改变每个通道的输出数据率。重采样通常用来增加采样数据率，以满足与外部电路所要求的字速率和位速率的匹配。
　　GC4016可以通过合并通道来增大输出信号的带宽，即增大数据速率。即可以将A、C合并为一个通道，B、D合并为一个通道，合并后的输出数据率是原来的2倍。通常最大可将带宽增大为原来的4倍。
　　3．3 FPGA逻辑控制
　　FPGA是本采集卡的核心模块，可由时钟及触发源控制、DDC控制、数据处理、FIFO存储控制等模块组成，图5所示是其逻辑控制框图。






　　若系统时钟为100 MHz，总抽取率为100，则系统对下变频信号的采样率为l MHz，而数字下变频后的信号频率为l kHz。根据Nyquist采样定理，使用1 MHz的采样率对l kHz的信号进行采样，完全可以不失真地恢复原始信号，即信号应当出现在1kHz处。但是，为了能让用户直观地从频谱图上读出原始信号的频率，可以在频谱图上显示差频频率加上本振频率后的信号频谱图，故本该出现在1 kHz处的信号，搬移到了3 MHz处，图中的信号出现在了3000．015 kHz处，这与理论分析一致。
　　5 结束语
　　本系统除了ADC及电源转换芯片外，全部采用BGA封装，这种设计使得整个系统体积小巧，集成度高。系统的数字下变频功能完全通过FPGA对数字下变频器件的重新配置来实现，因而提高了系统的灵活性，解决了传统数字接收机的缺点，体现了软件无线电技术的优越性。