?? 摘要：介紹了數字下變頻器CCl012B，并使用這款芯片構建了一個可編程數字無線電結構的OFDM[1]傳輸系統的接收機。

現代寬帶無線電接收機越來越強調硬件平臺的數字化和可編程性，在向軟件無線電邁進的過程中，這一點顯得尤為突出。可編程數字無線電PDR(programmable digital radio)的概念即是在這一背景下提出的，是指以帶通采樣、多速率信號處理及數字下變頻技術等為理論基礎，利用可編程器件CPLD、FPGA及DSP靈活的可重構性及強大的數字處理能力構建的數字化、可編程的無線電硬件平臺。PDR結構的硬件平臺通常具有富裕的帶寬和良好的實時性。在WCDMA、WLAN等寬帶系統的接收機中，這種結構被廣泛采納。

數字下變頻技術是PDR中一項核心技術。其作用在于對A／D之后的數字信號進行頻譜搬移，并與頻譜翻轉、抽取、濾波等信號處理相結合，達到下變頻及分離頻譜成分的目的。數字下變頻之后的信號通常為降速率的基帶信號。

圖1

??? 數字下變頻器由數字混頻器、數字控制振蕩器、低通濾波器三部分組成。從工作原理上講，數字下變頻與模擬下變頻相同，即輸入一個信號與一個本地振蕩信號作乘法運算。但是由于數字下變頻器使用數字本振，其變頻精度和分辨率可以很高，如GCl012B的頻率分辨率為0．1Hz。DDC的頻率步進、頻率間隔等具有理想的性能，另外，其控制和修改較容易，這些都是模擬下變頻器難以比擬的。

本文使用數字下變頻器GCl012B構建了一個PDR結構的OFDM傳輸系統接收機。

1 系統設計

在待設計的接收機中，接收信號為70MHz中頻、10MHz帶寬的OFDM信號。不同于傳統接收機結構對70MHz中頻信號模擬下變頻然后進行采樣的做法，在PDR結構的接收機中，直接在中頻上進行采樣，采樣頻率為80MHz，然后對采樣后的信號進行數字下變頻和4倍的抽取濾波，得到速率為20M Baud的基帶信號，送至DSP、FPGA部分解調。降速率的目的在于減輕DSP及FPGA的運算負荷。電路結構如圖1所示。

2 GCl012B及其配置

自Graychip公司(現已被TI收購)推出了世界上第一款數字下變頻ASIC以來，目前許多公司都開發了數字下變頻芯片，比較著名的還有Harris(1999年已更名為Intersil)、ADI和Stanford Telecom等。

電路中使用的數字下變頻器是Graychip公司的GCl012B。GCl012B為3．3V電源供電CMOS器件，輸入信號最高采樣率100MHz，帶寬50MHz。GCl012B不兼容5V電平，不可將5V電乎的信號直接接到其任何管腳上，否則將損壞器件。內部模塊包括數控振蕩器、數字混頻器、可變速率抽取低通濾波器、可調增益放大器、數據格式選擇模塊等。通過微處理器接口對內部寄存器進行配置可以改變芯片的工作狀態。其結構如圖2所示。

圖2

??? 該芯片為120管腳QFP封裝，在3．3V電源供電、70MHz信號輸入的情況下功耗約為900mW。其動態范圍達75dB以上，頻率分辨率0．1Hz，增益調節步進為0．03dB。芯片的輸出模式有實數、復數兩種選擇。設置為實數模式時，僅在I端口輸出數據；設置為復數模式時，輸出I、Q兩路正交數據。輸人數據寬度為12位，輸出數據寬度為16位。

GCl012B的工作狀態由內部寄存器中的控制字確定。系統上電時，可以使用單片機通過與GCl012B的微處理器接口配置。調諧頻率／由28bit的FREQ按(1)式確定，其中fs為輸入信號的采樣頻率。

在本系統中，采樣頻率為80MHz，調諧頻率值為10MHz，所以FREQ：(2000000)HEX。GCl012B按照SS#信號同步數據與狀態字，變頻至基帶，進行4倍抽取并翻轉頻譜，以復數形式輸出I、Q兩路數據。

頻譜變換過程如圖3所示，其中F表示模擬頻率，即信號的實際頻率，f表示數字頻率，即經采樣頻率歸一化的頻率。對中心頻率為70MHz、帶寬為10MHz的模擬信號(如圖3(a)所示)以80MHz頻率采樣，得到幅頻特性如圖3(b)所示的信號，該信號由采樣前信號以80MHz為周期延拓得到，圖中只畫出了信號頻譜的主周期。圖3(c)繪出了數字下變頻后的信號，信號頻譜左移10MHz。經低通濾波后只保留零頻附近的信號，如圖3(d)所示。為保證信號經4倍抽取后頻譜無混疊，必須設置低通濾波的數字帶寬為1/16。4倍抽取后的信號如圖3(e)所示，可以看到信號的數字頻譜展寬了4倍。注意到在對信號采樣時信號的正頻域頻譜發生反轉，因此將抽取后的頻譜再反轉一次，恢復出OFDM基帶頻譜，如圖3(f)所示。

圖3

??? 接收機中的核心處理部分DSP和FPGA接收到速率降為20M Baud的基帶信號后，對信號進行同步、信道估計、均衡及解調，從而完成了接收機功能。

數字下變頻技術是構建可編程數字無線電結構的接收機的一項關鍵技術。它使得寬帶信號在中頻上的帶通采樣得到實際應用，系統關心的信號的頻譜可以精確地從采樣信號中分離并下變頻至基帶。