基于AD6620的數(shù)字下變頻(DDC)的頻率變換器

　　O 引言

　　AD6620是一個(gè)寬帶中頻到基帶的解調(diào)器。它的內(nèi)部信號(hào)處理單元由四個(gè)串聯(lián)單元組成。分別為頻率變換單元、二階固定系數(shù)梳狀濾波抽取濾波器(CIC2)單元、五階固定系數(shù)梳狀濾波抽取濾波器(CIC5)單元和一個(gè)系數(shù)可編程的RAM系數(shù)抽取濾波器(RCF)單元。通過(guò)串行微處理器接口可以完成對(duì)芯片的編程和控制。

　　AD6620具有16位線性比特補(bǔ)碼輸入(另加3bit指數(shù)輸入)，其單信道實(shí)數(shù)輸入模式的最大輸入數(shù)據(jù)速率可高達(dá)67 Msps，雙信道實(shí)數(shù)輸入模式與單信道復(fù)數(shù)輸入模式的最大輸入數(shù)據(jù)速率高達(dá)33.5 Msps。同時(shí)，AD6620還具有可編程抽取FIR濾波器與增益控制功能，抽取率在2～163 84之間可編程;輸出具有并行、串行兩種輸出模式，并行模式為16比特補(bǔ)碼輸出。

　　1 頻率變換器的原理及配置

　　實(shí)現(xiàn)數(shù)字下變頻(DDC)的頻率變換器通常由兩個(gè)16 bit乘法器和32 bit的數(shù)控振頻器(NCO)組成。數(shù)控振蕩器產(chǎn)生的本振信號(hào)頻率的分辨率可達(dá)

　　為了提高NCO的雜散性能，AD6620提供有相位抖動(dòng)與幅度抖動(dòng)選項(xiàng)。另外，NCO的設(shè)置包括設(shè)置NCO頻率、NCO相位補(bǔ)償和NCO的特性以及相應(yīng)寄存器的配置。NCO的頻率可由下式計(jì)算：

　　將計(jì)算出的NCOFREQ轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制后可寫入NCO頻率編程寄存器的0x303。NCO相位補(bǔ)償由16位NCO相位補(bǔ)償寄存器0x304來(lái)配置。0x0000表示沒(méi)有相位補(bǔ)償：0xFFFF表示補(bǔ)償為2p。相位補(bǔ)償寄存器允許多路NCO的同步來(lái)產(chǎn)生固定和已知相位偏移的輸出，一般取Ox0000。NCO的特性可根據(jù)NCO控制寄存器0x302的各個(gè)位的定義來(lái)設(shè)置。

　　2 CIC2抽取濾波器

　　CIC2濾波器是一個(gè)固定系數(shù)抽取濾波器，其最高輸入數(shù)據(jù)速率為67 MHz。抽取率的取值范圍為2～16的整數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘fCLK是輸入數(shù)據(jù)速率的兩倍或更多倍時(shí)，可以通過(guò)設(shè)置來(lái)屏蔽此工作模塊，否則，最小只能設(shè)置為2。

　　CIC2濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)為：

　　其中，SCIC2為幅度比例因子，可用來(lái)衰減CIC2濾波器的增益，MCIC2是抽取率。

　　CIC2濾波器的設(shè)置包括抽取率(MrCIC2 12bit)，插補(bǔ)率(LrCIC2 8 bit)及比例因子(SrCIC25 bit)的設(shè)置。

　　設(shè)置時(shí)可首先確定通帶占用的采樣率百分比

　　根據(jù)采樣頻率為100’0.5625 MHz/25 MHz=2.25的值，可查表得到MrCIC2 12 bit/LrCIC2 9 bit的值。在實(shí)際應(yīng)用中，查到的值一般要大于等于BWfraction，在這里，BWfraction取2.25，查表得到MrCIC2 12 bit/LrCIC2 9 bit最大能取6，故取MrCIC2 12 bit/LrCIC2 9 bit為5。再取LrCIC2 9 bit為1.則MrCIC2 12 bit為5，rCIC2濾波器的輸出頻率frCIC2等于25 MHz/5，即12.5 MHz。這樣，即可將LrCIC2 9 bit 21寫入寄存器0x91，MrCIC2 12bit 21寫入寄存器0x90。

　　通常幅度比例因子可由式(5)和(6)給出：

　　因?yàn)镸rCIC2 12bit取5，LrCIC2 9 bit取1，所以，由上式可以計(jì)算出SrCIC2為5，這樣，便可將SrCIC2的值寫入寄存器。

　　3 CIC5抽取濾波器

　　CIC5是一個(gè)5階固定參數(shù)抽取濾波器，它的濾波特性曲線比CIC2的更為陡峭，可用來(lái)在CIC2后進(jìn)一步降低數(shù)據(jù)速率。CIC5抽取濾波器的抽取率可以取1～32范圍的任何整數(shù)值。當(dāng)抽取率為1時(shí)，此時(shí)CIC5被屏蔽。CIC5的輸入頻率即是CIC2的輸出頻率。

　　CIC5濾波器的頻響函數(shù)如下：

　　與配置CIC2類似，在配置CIC5時(shí)，要確定的參數(shù)有抽取率和比例因子。抽取率的計(jì)算可采用與CIC2同樣的方法查出器件數(shù)據(jù)手冊(cè)中的對(duì)應(yīng)值.而比例因子則可由下式給出：

　　4 RAM系數(shù)濾波器

　　RAM系數(shù)濾波器是AD6620中最后一個(gè)信號(hào)處理功能模塊，它是一個(gè)積和形式的、系數(shù)可編程的濾波器。

　　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器I-RAM、Q-RAM存儲(chǔ)了256個(gè)有CIC5濾波器輸出的最新復(fù)數(shù)位采樣值，數(shù)據(jù)位寬度為20 Bit。在同一個(gè)時(shí)鐘周期，I路和Q路可以使用相同的系數(shù)作為濾波器系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，也可以選用不同的系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。I、Q路累加器輸出數(shù)據(jù)位寬為23 bit。取抽率可取1～256的整數(shù)值。

　　5 外部電路配置及內(nèi)部寄存器接入

　　AD6620工作時(shí)。需要正確搭建外部電路，同時(shí)還要按需配置內(nèi)部寄存器。

　　在配置AD6620的外部電路時(shí)，需要確定它的工作狀態(tài)和輸出方式，其中輸出方式分為串行和并行兩種。每種輸出方式還應(yīng)配置I/Q路輸出指示和數(shù)據(jù)有效信號(hào)DVout。接收機(jī)系統(tǒng)選用并行輸出方式，由于AD9235只提供12位數(shù)字信號(hào)，而AD6620可接收16位有效信號(hào)。故應(yīng)將高12位與AD9235相連，其余低位接地補(bǔ)零。

　　AD6620的工作模式分為主控(模式0)與從控(模式1)兩種，對(duì)于需要并行處理多路下變頻的復(fù)雜系統(tǒng)。只有一片AD6620工作在主控模式。

　　這兩種模式的區(qū)別在于主控模式。在數(shù)據(jù)處理的每一級(jí)工作完成后，會(huì)發(fā)出一個(gè)同步脈沖，以用于復(fù)雜系統(tǒng)多個(gè)AD6620之間的同步工作。與此對(duì)應(yīng)。從控模式的各級(jí)處理模塊只有在接到這個(gè)脈沖后，才能開(kāi)始本級(jí)的處理，這樣才能以保證與其他AD6620芯片的工作協(xié)調(diào)。如主控模式二階梳狀濾波器CIC2完成其工作后，會(huì)向其他AD6620的SYNIC CIC2發(fā)出一個(gè)時(shí)鐘周期的脈沖信號(hào)以用于同步。由于接收機(jī)中只使用了一片AD6620，而無(wú)需等待其他芯片協(xié)同工作的同步脈沖，故配置為模式0，即主控模式。

　　AD6620的控制接口分串行輸入和并行輸入兩種。由于使用FPGA做芯片配置邏輯，所以，本文選用較靈活、效率較高的并行數(shù)據(jù)作為配置接口的邏輯輸入。

　　AD6620內(nèi)部各個(gè)模塊的配置寄存器并不是等位長(zhǎng)的。具體各模塊內(nèi)部配置寄存器的位長(zhǎng)見(jiàn)表l所列，而內(nèi)部寄存器的訪問(wèn)則必須通過(guò)外部接口寄存器來(lái)指定地址，并由高位到低位按字節(jié)寫入。

　　外部接口寄存器的位長(zhǎng)是固定的，按000到lll編址總共八個(gè)。其中低5位的5個(gè)寄存器是數(shù)據(jù)寄存器，可用于放入內(nèi)部某地址的不定長(zhǎng)數(shù)據(jù)。而高兩位的兩個(gè)寄存器是地址寄存器，用于存放將要訪問(wèn)的內(nèi)部寄存器的目標(biāo)地址，其中最高位111寄存器又和模式控制寄存器復(fù)用，且其最高兩位標(biāo)識(shí)為寫增長(zhǎng)和讀增長(zhǎng)，具體結(jié)構(gòu)如表2所列。

　　在寫寄存器的過(guò)程中，讀信號(hào)要保持高(失效)。RDY信號(hào)是AD6620給出的握手信號(hào)，它會(huì)在寫信號(hào)WR有效之后變低，之后，根據(jù)目標(biāo)寄存器的不同，將在寫信號(hào)有效后最早3個(gè)周期內(nèi)再次升高，以表明寫入工作完成。

　　與寫寄存器過(guò)程相似，在讀寄存器過(guò)程中，寫信號(hào)也要保持高(失效)，RDY信號(hào)是AD6620給出的握手信號(hào)，它會(huì)在讀信號(hào)RD有效之后變低，之后再根據(jù)目標(biāo)寄存器的不同，在讀信號(hào)有效后3個(gè)周期到5個(gè)周期內(nèi)再次升高，以表明寫入工作完成。有效數(shù)據(jù)會(huì)在第N+2個(gè)時(shí)鐘周期后穩(wěn)定的保持在數(shù)據(jù)總線上。

　　為了使用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)AD6620的配置，在FPGA配置了一個(gè)FIFO以用于存放需要配置的所有寄存器的值。在RDY信號(hào)重新處于等待狀態(tài)時(shí)讀取該FIFO，可獲得下一個(gè)目標(biāo)寄存器的地址和寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)。

　　設(shè)計(jì)時(shí)可用QUARTUS II自帶的嵌入式邏輯分析儀SIGNAL-TAP來(lái)調(diào)試時(shí)序，以完成配置，圖1所示是一個(gè)完整的寄存器寫周期的各信號(hào)線采樣時(shí)序波形。

　　配置成功后的AD6620工作情況如圖2所示，從圖2中可以看到AD6620的輸入數(shù)據(jù)和AD6620的I，Q兩路的數(shù)據(jù)輸出，同時(shí)也可以觀察到各級(jí)同步信號(hào)的脈沖波形。

　　6 結(jié)束語(yǔ)

　　本文對(duì)新型ADC器件AD6620使用中的重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題，也就是AD6620的配置問(wèn)題，給出了其實(shí)現(xiàn)方法，該方法具有一定的參考價(jià)值。事實(shí)上。該方法中的所有配置均已通過(guò)FPGA仿真驗(yàn)證。并在工作過(guò)程中按照實(shí)際運(yùn)行情況通過(guò)了Signal-TapII測(cè)試。