摘 要： 介绍了ISL5216下变频" title="数字下变频">数字下变频器的工作原理、功能和结构，并对ISL5216在短波宽带多波道接收机中的应用和配置作了详细分析，最后给出了其在短波阵列信号处理设备系统中的实际应用结果，具有较强的实用性。
    关键词： 数字下变频；多波道接收机；ISL5216

    短波频段的阵列信号处理设备通常包括短波天线阵、短波多波道接收机、后端阵列信号处理机三个主要部分。其中，短波天线阵接收空间短波信号；短波接收机对射频信号进行频谱搬移和数字化；阵列信号处理机则对短波多波道接收机输出信号进行相应的阵列信号处理算法，给出最终运算结果。
    短波多波道接收机对接收信号的数字化过程是对采样信号进行以下处理：(1)对中频采样信号进行数字下变频(DDC)，得到基带信号；(2)将接收机整个带宽划分为一个个较窄的子信道，便于后续处理；(3)完成波道间的不一致性校正，消除幅度相位误差。基于以上功能要求，采用多片数字下变频芯片ISL5216对输入信号进行处理，经抽取滤波降低数据率，同时通过设置滤波器带宽完成信道划分，而各波道间的不一致性校正通过实时修改ISL5216内部寄存器的配置来实现。此方案结构简单，处理方式灵活，非常适用于短波阵列信号接收系统。
1 系统总体方案
    无线信号进入多波道接收机，先由前端模拟模块完成频谱搬移、放大滤波、A/D采样，然后经接收机背板通过LVDS方式传输到数字化模块。短波宽带多波道接收机数字化部分的原理框图如图1所示。由于数字下变频芯片的输入信号和时钟均为TTL方式，因此信号在进入下变频芯片之前要进行LVDS/TTL的转换。经转换后的信号传输到数字下变频组进行信道划分和数字下变频；处理后的数据由FPGA1经光纤接口输出到后续处理模块。为减轻FPGA1的管脚使用压力，增加了FPGA2，同时，两片FPGA配合完成ISL5216的配置和参数修正。另一方面，光口接收控制参数，回传给DDC组，修改ISL5216芯片配置，实现通道校正。

    ISL5216有4个独立的下变频通道，每条通道都可分为前端部分和后端部分，前端和后端通过总线路由连接。单通道输出带宽能达到lMHz，还能通过芯片内部的总线路由将通道级联以提供更大的带宽。前端部分由数字混频器、可编程正交数字控制振荡器(NCO)、桶状移位寄存器和积分梳状滤波器(CIC)组成。NCO的32位频率字在输入信号采样率为95 MS/s时可提供小于1Hz的频率分辨率，其无杂散动态范围>115dB。1～5级CIC滤波器可提供最大65 536的抽取率。后端部分由有限冲击响应滤波器(FIR)模块、自动增益控制(AGC)模块和笛卡尔坐标到极坐标转换器组成。FIR滤波器模块由一组半带抽取滤波器(HBF)、内插滤波器、最高256阶FIR滤波器以及重采样滤波器组成，滤波器抽头总数最高为384。AGC模块可提供动态或固定的增益控制，增益最高可达96db。笛卡尔坐标到极坐标转换器提供幅度和相位输出，之后与鉴频器相连接实现AM和FM解调。ISL5216支持最高95MS/s的输入，4路并行的17位的输入支持16位定点或一路到多路的17位浮点输入信号。此外，ISL5216具有110dB的带外衰减，4～65 536倍的抽取率，24位的内部数据通路，4个独立通道每个通道提供2路串行输出，可选择包括I分量、Q分量、幅度、相位、频率和AGC增益等多种输出形式，且串行输出的格式能够从4位定点到32位浮点等多种输出格式中选择。ISL5216还提供微处理器接口以对内部寄存器进行读写操作，并能通过此接口将4路通道的数据以FIFO的方式读出。
3 ISL5216在系统中的应用
3.1 系统需求
    DDC组是短波宽带多波道接收机数字化部分的核心，依据系统需求对DCC组中的ISL5216进行配置，从而实现各项功能。系统采样频率为60MHz，总带宽为4MHz，需划分为56个子信道，每个子信道宽71.5kHz，两端各加5kHz的保护带，则子信道带宽为81.5kHz。因此以81.5kHz为步进作为各子信道的中心频率。由于每片ISL5216中有四个独立通道，则共需14片数字下变频芯片。将子信道信号下变频到零中频，经CIC滤波器及半带滤波器进行抽取滤波后，输出采样率降低为100kHz，抽取率为600，末端的FIR滤波器通带为40.75kHz，过渡带为9.25kHz。下变频后数据以I、Q两路形式输出，数据格式为32bit定点数据。根据以上要求设置ISL5216寄存器参数。
3.2 ISL5216的配置过程
    ISL5216共有73个32位控制字、128个32位滤波器运算指令寄存器和192个22位的滤波器系数需要编程和设置，可以根据不同信号的下变频要求设计不同的功能模块参数，并且通过其灵活的可编程性获得功能的多样性。
    本系统由FPGA1（EP2S60）和FPGA2（EPM3256）合作完成ISL5216 的参数配置。ISL5216寄存器的写操作分为外部写操作和内部写操作两步。外部写操作将要配置的目标寄存器地址和参数值分别写入ISL5216的内部数据和地址锁存器中；内部写操作则将数据锁存器中的参数值写入地址锁存器所指向的ISL5216的内部配置寄存器中。外部写操作通过数据总线P(15:0)和地址总线ADD(2:0)在写信号/WR的控制下完成。在写入过程中，寄存器的参数为32位，而数据总线只有16位，在写入32位数据时，需将数据按照字节的高低顺序，分两次写入到两个16位数据锁存器中。在进行寄存器参数设置时，不但要给定参数还要指定寄存器地址，该地址紧跟着参数被写入到一个16位的地址锁存器中。在写完一个控制字后，必须等待四个处理时钟才可以写下一个控制字，以保证上一个控制字的正确传输。
3.3 ISL5216重要参数配置
3.3.1 变频模块参数设计
    这部分的设计完成载波NCO中心频率与初始相位的设定和相应控制字参数的计算。下变频载波混频器部分的NCO频率通过设置载波NCO中心频率寄存器实现。其频率字为32位，载波NCO中心频率与频率字的关系为：
   
其中：N为32位的中心频率控制字参数值；f_c为正弦载波NCO的中心频率；f_s为输入信号的采样频率。
    NCO初始相位通过设置载波相位偏置寄存器实现。其相位字为32位，其中高16位为符号扩展，初始相位与相位字低16位的关系为：
   
其中，P为相位字。
3.3.2 自动增益控制(AGC)模块
    AGC增益控制范围寄存器的高16位和低16位分别控制AGC的上限和下限，上限最高为96dB，下限最低为0dB。当将其分别设为96dB和0dB时，AGC可自动调整，使输入信号达满量程，从而提高信号的分辨率。若希望得到固定的增益值，则将AGC上下限设为相同数值。
3.3.3 滤波器模块的参数设计
    ISL5216中有CIC、HB、FIR整形滤波器、重采样多相滤波器、内插HB滤波器。在本模块中主要应用到ISL5216的CIC、HB和FIR三种滤波器，这也是ISL5216参数设计的重点。滤波器模块的主要作用是进行抽取滤波，三种均有此功能的滤波器级联，关键是设计各个滤波器的抽取率及通带宽度。
    CIC滤波器处于第一级，1～5级CIC滤波器可提供最大65 536的抽取滤。除滤波器带宽、通带衰减外，经CIC抽取后，有用信号的带宽内混叠衰减是需要考虑的重要参数，它与CIC有用信号带宽和输出速率之比有关，要使CIC混叠衰减达到100dB以上，则CIC滤波器抽取输出的速率至少要大于有用信号带宽的11倍。半带（HB）滤波器处于第二级，ISL5216提供了5种不同系数长度的HB滤波器（HB1-HB5）。基于HB滤波器的阻带抑制能力很强，因此，在处理速度允许的条件下，应尽可能多地利用多级HB滤波器。HB滤波器同样存在混叠衰减问题，HB滤波器(HB5)在输出速率1/4处有约100dB混叠衰减，为使感兴趣信号不受混叠，HB滤波器的输出速率至少为有用信号带宽的4倍。FIR滤波器处于最后一级，这部分的设计目标是尽可能让有用信号通过，并抑制无用信号和干扰，要求滤波器通带波动尽可能小，通带宽度与有用带宽一致，过渡带尽可能陡峭，阻带衰减尽可能大。要达到上述目标，就要求FIR滤波器有足够的阶数，ISL5216允许的FIR最大阶数为256。在滤波处理时钟速率一定的条件下，FIR滤波器信号输入数据流的速率越小，允许设计的滤波器阶数越大，但输入数据流的速率受有用信号带宽的限制。在设计时，必须同时考虑CIC、HB和可编程FIR三种抽取滤波器，才能设计出最优的数字信道。
    根据系统要求，信号带宽为40.75kHz，输入信号采样率60MHz，输出信号采样速率为100kHz，抽取率600。采用5级CIC滤波器、2级HB5滤波器、1级FIR滤波器，经由以上分析各级抽取率依次为30，2，2，5。此时FIR滤波器的阶数为182阶，阻带衰减为120dB。
4 信号处理流程及测试结果
    下面以一片ISL5216为实例说明信号处理流程，多片与此类同。为叙述简便，假设天线阵为二元阵，这就决定了多波道接收机的波道数为2。另外，一片ISL5216内共有4个信道通路，用来划分4个子信道，总带宽为81.5kHz×4=326kHz，假设频率的上限和下限分别为4877.75kHz和5203.75kHz，则ISL5216四个子信道的中心频率分别为4918.5kHz、5000kHz、5081.5kHz、5163kHz。假设输入多波道接收机为两个单频信号，频率分别为：信号一4930kHz、信号二5020kHz。经下变频芯片抽取滤波后，相对于子信道1，频率分别变为11.5kHz和101.5kHz，由于各子信道的基带带宽仅有81.5kHz/2=40.75kHz，因此信号二被滤除。同理，在子信道2中，信号一被滤除；在子信道3和4中两信号均被滤除。由于多波道接收机的波道数为2，分别对应于各自的天线阵元，因此上述处理过程进行了完全相同的两次，理想情况下，两波道输出信号的幅度和相位完全相同，但由于天线互偶，接收机通道的不一致等因素，会形成幅相差，经后续处理模块计算后，回传给ISL5216，修改其相位和幅度，完成校正。两个波道信号的输出结果显示本设计完成了信道划分和数字下变频的功能，且对通道的幅度和相位差进行了校正，性能指标达到设计要求。
    试验表明，采用ISL5216完成短波宽带多波道接收机的数字下变频、信道划分、波道校正等功能，可有效降低设备的复杂性，缩短开发周期，提高设备的稳定性、可靠性和灵活性。
参考文献
[1] ISL5216 Data Sheet[R].Intersil，2002.
[2] 姜宇柏，游思晴.软件无线电原理与工程应用.北京：机械工业出版社，2006.