数字下变频器GC1012B原理及配置方法

 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。