数字下变频器GC1012B原理及配置方法

0 引言

数字下变频技术是软件无线电的一项核心技术，其性能的好坏直接影响数字接收机的精度。数字下变频器的作用在于对a/d之后的数字信号进行频谱搬移，并与频谱翻转、抽取、滤波等信号处理相结合，达到下变频及分离频谱成分的目的，因此，在实际应用中，选择一种合适的数字下变频器是必不可少的。
gc1012b是graychip（ti子公司）推出的单通道带宽中频数字下变频器，是一种全数字化的调协器，具有高度的可编程性。采用高速的cmos工艺技术，最大输入带宽可达50mhz，带内任何信号都可以直接下变频到零中频。

本文从gc1012b的结构特点和内部功能框图出发，分析其工作原理，并介绍gc1012b几个主要寄存器的配置方法，从而实现对频率、滤波模式、增益大小等参数的设置，最后给出了一个具体配置实例作为参考。

1 gc1012b的结构特点

gc1012b具有灵活的可编程性，可通过8位数据端口、4位地址端口、读写线和1位片选控制线组成的微处理器控制接口来与外处理器（cpld、fpga或者dsp）通信，同时通过外处理器对芯片进行配置、控制、监视等操作。另外，gc1012b还自带一个片上诊断电路，可用于简化系统的调试和维护。

gc1012b的主要特点有：100msps（106个采样点每秒）输入速率；0.1hz调协分辨率；动态范围大于75db；输出带宽可编程；可12位输入，10、12、14或16位输出；采用复数或实数输出格式；带有内建的选通/同步发生器；步长为0.03db增益调节；可用微处理器接口控制输出和诊断；时钟丢失时，可自动关闭电源模式；内含片上诊断电路；工作在60mhz、3.3v时，功耗为850mw，采用120引脚pqfp封装。

2 gc1012b配置方法

gc1012b采用120引脚qfp封装，3.3v电源供电，其内部结构和工作原理框图如图1所示，从图中可以看出，gc1012b主要由控制接口电路、数字振荡器、混频器、可编程低通滤波器、增益调节电路、输出格式化电路和诊断电路等组成。

控制接口电路是gc1012b与外处理器通信的部分，可以通过读写上面的引脚来控制gc1012b的16个8位控制寄存器，从而实现4个功能：使外处理器配置芯片；外处理器捕获、读取芯片的采样输出；使外处理器实现芯片诊断；产生内部同步选通信号。下面详细介绍几个主要的控制寄存器的配置方法，这些控制寄存器通过与控制总线连接的引脚（cs，we，re，a[0..3]和c[0..7]进行访问。表1是它们的地址和名称。

2.1 滤波模式寄存器

控制寄存器5即滤波模块寄存器，主要控制滤波输出、输出信号频谱的格式以及诊断电路的输入模式，其功能见表2。

图2给出了输出谱受到实/复转换、平移、翻转等控制位影响的例子。

2.2 频率寄存器

频率寄存器与频率累加器和一个sin－cos信号发生器构成数字振荡器部分。控制寄存器0－3组成了频率寄存器，它有28个可读写位（寄存器3的后4位不用），外处理器通过将28位的频率字freq装载到这3个频率寄存器中，从而设置中心频率，频率字的算法可由下式确定：

式中：w为频率字；f为需要产生的频率；rc为时钟速率。

当频率字w在累加器中累加后，可由累加的高13位产生精度为12位的正、余弦信号，以将信号混频到零中频。

2.3 增益控制寄存器

控制寄存器6和7组成了增益控制寄存器，通过下式可设定输出增益：

式中：g为增益；s[0－3]为寄存器7的0－3位；b与dec的对应关系（表2中已经列出）。

3 gc1012b在一种应用中的配置及优点

由于gc1012b是中频宽带全数字下变频器。同时具有高度的可编程性，因此特别适用于系统中的下变频应用部分，利用它对带宽数字中频信号直接进行下变频。笔者在设计一个雷达信号处理系统中就需要对gc1012b进行配置。其系统中完成的具体功能是：将输入的40mhz数据率的采样信号转换成5mhz数据率的正交数字基带信号。gc1012b系统时钟为40mhz，由于模拟中频信号为30mhz，nco（数字控制振荡器）频率也调谐在30mhz。gc1012b的各种参数通过控制口写入。具体参数配置见ddc配置字（只配置以上介绍的4个控制寄存器），描述每个配置字的功能。

ddc配置字：0x00，0x00，0x00，0x0c，0x24，0x08，0x05 register0--register3：sample rate：40mhz，dco frequency：30mhz register5：diag＝0，flip＝0，offset＝1，real＝0，dec[2：0]＝100（4dec） register6：f[7：0]＝00001000 register7：s[3：0]＝101（5dec），b＝3（dec），gain＝（2＾（5－3））×（1＋8/256）＝4

与传统的模拟电路相比，采用gc1012b的电路系统具有以下优点：

a）高度数字化。gc1012b可以实现完全的正交双通道解调，同时，系统可对中频数字信号直接进行正交解调变换和分析，从而避免传统模拟电路在正交解调时的不足。

b）高度灵活性。gc1012b具有高度可编程性，可以使设计者很容易通过dsp编程下变频器、改变带宽等，使系统灵活应用在各种带宽分析系统中。
此外，gc1012b还具有协调精度高，电路设计简单等特点，在通信、雷达、软件无线电等许多领域都有广泛的应用。