摘 要：讨论了数字下变频技术和HSP50016数字下变频器的结构和工作过程。
关键词：软件；无线电；数字下变频器
目前LF，HF频段可以实现理想的软件无线电结构，而由于受ADC等硬件器件水平的制约，在VHF，UHF以及更高的频段，只能实现基带数字化或中频数字化。在中频数字化软件无线电接收机和基带数字化软件无线电接收机中，数字下变频技术是软件无线电的核心技术之一。下面结合我们针对电子信息工程类和通信类本科生、研究生做现代通信技术实验与课程设计而设计的“软件无线电接收机实验系统”中数字下变频器HSP50016的实际应用，阐述数字下变频技术和HSP50016的功能结构和工作过程。
1 数字下变频器的组成原理
数字下变频器(Digital Down Converter，DDC)的组成包括数字混频器、数字控制振荡器（NCO）和低通滤波器（LPF）三部分，如图1所示。
数字下变频的基本原理同模拟下变频一样，就是把输入信号与本地振荡信号相乘，将射频信号通过混频，搬移到中频段，再进行ADC采样。
2 数字下变频器HSP50016
2.1 HSP50016的功能和主要指标
HSP50016数字下变频器是一个单片集成芯片，其内部包含1个频率合成器、1个正交数字混频器和2个相同的低通滤波器等，主要完成下变频、窄带低通滤波和抽取等功能。频率合成器可以产生多种形式的信号。他们是：CW(Continuous Wave)、上线性调频信号(Linear FM Up Chirp)和下线性调频信号(Linear FM Down Chirp)。正交数字混频器利用这些信号，对相应的输入信号进行复数下变频，得到I及其正交信号Q，随后I，Q经过2路相同的低通滤波器并完成抽取。也可以旁路频率合成器和混频器，此时，芯片仅完成窄带低通滤波和抽取的功能。所有这些功能都可以通过改变其内部的控制字而实时实现。
该芯片性能优异，主要指标如下：
←允许高达75MSPS宽度为16 B的输入数据率。
↑SFDR达102 dB，频率选择性小于0.006 Hz。
→抽取滤波器通带波动小于0.04 dB。
↓阻带衰减大于104 dB，抽取率为64-131 072，输出可为正交的I，Q两路信号。
可应用于频谱分析、数字式接收机、蜂窝基站等领域。
2.2 HSP50016的结构
HSP50016的结构框图如图2所示。
图中高抽取滤波器用的是梳状滤波器，低通滤波器用的是2个相同的121阶FIR滤波器。从图2中我们可以看到，抽取器的第一级用的是梳状滤波器，HSP50016的应用仅限于：输入信号是窄带带通信号或窄带低通信号。若设输入信号是窄带低通信号，其最高频率为fc，采样率为fs，D为第一级的抽取因子，fc应至少满足：
式(1)只是一个相当粗略的估计，由于随后要进行4倍的抽取，故fc应比上式所取值小得多。
实用中，输入信号采样率fs=10 MHz，第一级抽取因子D=64，在没有强邻道干扰的条件下，fc一般不超过4 kHz，把他们代入可以算得fc完全满足式(1)的要求。
芯片共有8个40 B的控制字(Control Word)，他们是通过串口从主控DSP输入的。这8个控制字的功能简述如下：
Control Word 0—控制寄存器刷新；
Control Word 1—最小相位产生器／测试使能／合成器输出形式，其中最小相位产生器决定了下变频时的频率分辨率；
Control Word 2—最大相位产生器；
Control Word 3—起始相位／时隙长度。时隙长度是指多片HSP50016并联工作时，每片HSP50016所占用的时间长度；
Control Word 4—相位产生器／输出频谱形式／HDF数据移位。这里相位产生器是指线性调频时每次的频率增量；输出频谱形式有复输出和上变频输出。HDF(High Decimation Filter)即高抽取滤波器；
Control Word 5—HDF／输出数据格式。这里定义HDF的抽取量。输出数据格式包含2进制补码(Two′s Complement)、偏移2进制(Offset Binery)、符号幅度(Sign Magnitude)及单精度浮点数(Single Precision Floating Point),另外这里还定义了输出数据的位数等；
Control Word 6—输入／输出格式。这里定义了输入数据的格式、时序、串口时钟等；
Control Word 7—测试特性。
2.3 HSP50016的工作过程
前面我们介绍了HSP50016的特性，下面从频域详细分析HSP50016的工作过程。
HSP50016第一级梳状滤波器的阶数k=5，D=64，可得：
根据多抽样率处理的易位定理，式(2)最省运算量，结构图如图3所示。
其幅频响应如图4(a)所示。
第二级FIR滤波器的幅频响应如图4(b)所示。应该指出，正对第一级梳状滤波器的0点处，为第二级FIR滤波器的通带。正是由于第一级的高抽取，才使得第二级FIR滤波器的设计变得简单得多(采样率降了D倍)。如果一上来就用第二级这样的FIR滤波器作抽取器，则这样的抽取滤波器几乎做不出来。
第一、第二级合在一起的幅频响应(COMPOSITE)，如图4(c)所示。
下面我们从频域来完整地看一下HSP50016的工作过程，其工作过程如图5所示。
图5(a)为输入信号的频谱，输入信号是中心频率为2.5 MHz的上、下边带信号，采样率fs=10 MHz。图5(b)是将输入信号复下搬移2.5 MHz后的频谱。其实部频谱如图5(c)所示，看起来好象此时信号的采样率降低了一半，即5 MHz左右的频谱与0频附近一样。但实际上是因为输入信号的中心频率(2.5 MHz)刚好是采样率(10 MHz)1／4的缘故。若输入信号的中心频率不是2.5 MHz，则此附近的频谱位置和成分要发生变化。信号接下来通过第一级梳状滤波器时，由图4(a)可知，5 MHz附近的频谱成分被滤掉了。其抽取后的频谱如图5(d)所示。与此同时，量化噪声的高频部分几乎全部被滤掉。经过这一级抽取后，信号的采样率降低为fs／64=156.25 kHz。
此时再由FIR滤波器完成对低频端带外噪声的滤除，并进行4倍的抽取，以使采样率fs降为39.0625kHz，见图5(e)。
在本文所设计的“软件无线电接收机实验系统”中HSP50016的I、Q数据的输出是通过串口把数据传送给DSP的，其顺序为先传I，后传Q，且I、Q均有结束标志并引起DSP的中断。
3 结语
本文结合我们所设计的“软件无线电接收机实验系统”中HSP50016的实际应用，对数字下变频器HSP50016的功能结构和工作过程进行了详尽的介绍。随着ADC、DSP等硬件器件水平的提高，高频段的无线通信系统将会逐步演进到理想的软件无线电结构。
参考文献
［1］TMS320C3X User′s GuideTexas Instruments ［M］，1994
［2］杨小牛，等.软件无线电原理与应用［M］.北京：电子工业出版社，2001
［3］钮心忻，等.软件无线电技术与应用［M］.北京：北京邮电大学出版社，2001
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