AD6644做中頻數(shù)字處理模塊及接口的設(shè)計(jì)

ＡＤ６６４４是Ａｎａｌｏｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ公司推出的新型ＡＤＣ器件，具有精度高、轉(zhuǎn)換速度快等特點(diǎn)，是當(dāng)前用于中頻數(shù)字處理的優(yōu)選器件。闡述了基于ＡＤ６６４４的數(shù)字接收系統(tǒng)的組成，并詳盡說(shuō)明了中頻數(shù)字處理模塊及接口的設(shè)計(jì)。

隨著高速Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換技術(shù)和ＤＳＰ技術(shù)的發(fā)展，中頻數(shù)字處理技術(shù)亦得到發(fā)展。中頻數(shù)字處理技術(shù)是提高現(xiàn)代通信接收機(jī)性能的重要技術(shù)之一。作為中頻數(shù)字處理的核心器件，早期的Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器由于速度和精度的限制，難以滿足中頻數(shù)字接收機(jī)高速數(shù)字化的要求。本文將以基于軟件無(wú)線電技術(shù)的差分跳頻電臺(tái)中頻數(shù)字接收機(jī)為例，給出一種基于新型ＡＤＣ器件－ＡＤ６６４４的中頻數(shù)字處理模塊的設(shè)計(jì)方案。

１ 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本方案的中頻數(shù)字接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖１所示。因差分跳頻系統(tǒng)是一種異步跳頻系統(tǒng)，省去了同步電路，結(jié)構(gòu)得以簡(jiǎn)化。該系統(tǒng)主要由射頻前端、中頻預(yù)處理和中頻數(shù)字處理三部分組成。系統(tǒng)主要功能為：工作在短波頻段（２～３０ＭＨｚ），對(duì)跳頻速率為５０００跳／ｓ、帶寬為２．５６ＭＨｚ的信號(hào)進(jìn)行不低于１２ｂｉｔ的采樣，以合適的數(shù)據(jù)率送入ＤＳＰ，然后由ＤＳＰ完成各種算法處理。

射頻信號(hào)先經(jīng)過(guò)２～３０ＭＨｚ的前置濾波放大電路放大。為了有效抑制組合頻率干擾和副波道干擾，本系統(tǒng)的中頻預(yù)處理部分采用高中頻方案３。信號(hào)經(jīng)濾波放大后，再經(jīng)二次下變頻得到５．１２ＭＨｚ的低中頻信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)帶通濾波放大電路后，進(jìn)入Ａ／Ｄ采樣。為了保證不發(fā)生頻譜混疊，設(shè)計(jì)ＡＤＣ的采樣速率為８倍于信號(hào)帶寬，即２０．４８ＭＨｚ。關(guān)于二中頻選擇及采樣速率的確定，請(qǐng)參見(jiàn)參考文獻(xiàn)３，這里不再贅述。采樣后的數(shù)據(jù)率達(dá)到１４ｂｉｔ×２０．４８ＭＨｚ＝２８６．７２Ｍｂｉｔ／ｓ，經(jīng)ＦＩＦＯ緩沖后，送入ＤＳＰ進(jìn)行正交變換、ＦＦＴ、頻點(diǎn)識(shí)別和解跳、信道譯碼等處理。下面著重就中頻數(shù)字處理模塊的硬件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

圖2 AD6644內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

２ 中頻數(shù)字處理模塊硬件電路設(shè)計(jì)

由圖１可以看出，中頻數(shù)字處理模塊的主要功能是對(duì)５．１２ＭＨｚ中頻的帶通信號(hào)進(jìn)行Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換，將采樣數(shù)據(jù)經(jīng)緩沖送入ＤＳＰ進(jìn)行處理。硬件設(shè)計(jì)主要包括ＡＤＣ、ＦＩＦＯ、ＤＳＰ三種器件的使用以及它們之間的兩個(gè)接口，下面分別介紹。

２．１ ＡＤＣ器件

ＡＤＣ的采樣率要求２０．４８ＭＨｚ。對(duì)于２～３０ＭＨｚ的ＨＦ信號(hào)，在該采樣速率下，要求ＡＤＣ器件的動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到６０～９０ｄＢ。美國(guó)ＡＤ公司的ＡＤ６６４４是理想的選擇。

ＡＤ６６４４是一種具有１４位精度、最高采樣率為６５ＭＳＰＳ的Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器。主要特性有：多音無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（ＳＦＤＲ）達(dá)到１００ｄＢ，典型ＳＮＲ為７４ｄＢ，功率耗散為１．３Ｗ，數(shù)字采樣輸出為２的補(bǔ)碼格式，并且有數(shù)據(jù)輸出指示信號(hào)ＤＲＹ。

ＡＤ６６４４片上提供了采樣保持電路和基準(zhǔn)電位，使其能成為一個(gè)完整的Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換解決方案。ＡＤ６６４４的轉(zhuǎn)換靈敏度達(dá)到１３４μＶ，在奈奎斯特帶寬上獲得了１００ｄＢ的ＳＦＤＲ，大大增強(qiáng)了當(dāng)其輸入端存在雜散分量時(shí)從中檢測(cè)出有用小信號(hào)的能力，這種突破性的改進(jìn)放寬了多模數(shù)字接收機(jī)（軟件無(wú)線電）的性能瓶頸。ＡＤ６６４４內(nèi)部采用三級(jí)子區(qū)式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，既保證了精度又降低了功耗。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖２所示。

２．１．１ 采樣電路

ＡＤ６６４４的采樣時(shí)鐘要求質(zhì)量高且相位噪聲低，如果時(shí)鐘信號(hào)抖動(dòng)較大，信噪比容易惡化，很難保證１４位的精度。為了優(yōu)化性能，ＡＤ６６４４的采樣時(shí)鐘信號(hào)采用差分形式。時(shí)鐘信號(hào)可通過(guò)一個(gè)變壓器或電容交流耦合到ＥＮＣＯＤＥ和ＥＮＣＯＤＥ引腳，這兩個(gè)引腳在片內(nèi)被偏置，無(wú)需外加偏置電路。為了提高時(shí)鐘信號(hào)的差分輸入質(zhì)量，本設(shè)計(jì)采用了Ｍｏｔｏｒｏｌａ公司的低壓差分接收芯片ＭＣ１００ＬＶＥＬ１６。整個(gè)ＡＤ６６４４的采樣電路如圖３所示。由于采樣電路的性能關(guān)系到最后的采樣精度，所以在布線時(shí)，應(yīng)保證從晶振到時(shí)鐘輸入腳距離盡量短，采樣電路與其它數(shù)字電路盡量隔離。在整個(gè)采樣電路下應(yīng)大面積輔銅接地，以降低可能受到的電磁干擾，同時(shí)也可降低對(duì)其它電路的干擾。

２．１．２ 模擬信號(hào)輸入

作為新型的高速、大動(dòng)態(tài)范圍ＡＤＣ，ＡＤ６６４４的模擬信號(hào)輸入也要求差分形式。這樣在模擬信號(hào)階段，差分信號(hào)可以濾掉偶次諧波分量、共模的干擾信號(hào)（如由電源和地引入的噪聲），對(duì)晶振的反饋信號(hào)也有很好的濾波作用，有利于提高ＡＤ６６４４性能。

ＡＤ６６４４的模擬輸入電壓在芯片內(nèi)部被偏置到２．４Ｖ，驅(qū)動(dòng)ＡＤ６６４４的模擬信號(hào)通過(guò)交流耦合送進(jìn)輸入端。ＡＤ６６４４的差分輸入阻抗為１ｋΩ，差分輸入電壓的峰－峰值為１．１Ｖ，所以模擬輸入的功率為－２ｄＢｍ，這大大簡(jiǎn)化了模擬信號(hào)驅(qū)動(dòng)放大電路。充分利用ＡＤ６６４４輸入阻抗高的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)變壓器阻抗變換和最佳阻抗匹配理論，在實(shí)際應(yīng)用中可采用如圖４所示的參考電路，則信號(hào)輸入端可接匹配阻抗為５０Ω、滿量程驅(qū)動(dòng)功率約為４．８ｄＢｍ的模擬信號(hào)源。變壓器次級(jí)的串聯(lián)電阻起隔離和限流作用。

２．１．３ 應(yīng)用注意事項(xiàng)

ＡＤ６６４４的供電電源必須穩(wěn)定性好，由于電源的高頻分量容易產(chǎn)生輻射，所以在靠近ＡＤ６６４４各電源引腳的地方，應(yīng)放置０．１μＦ的去耦電容。為了防止高速的數(shù)字輸出變化將開(kāi)關(guān)電流耦合進(jìn)模擬電源，ＡＤ６６４４的數(shù)字電源和模擬電源應(yīng)該分開(kāi)。模擬電源應(yīng)該在５Ｖ±５％的范圍內(nèi)，數(shù)字電源應(yīng)為３．３Ｖ，同時(shí)盡可能地靠近電源放置０．１～０．０１μＦ的陶瓷電容來(lái)進(jìn)行高頻濾波，并聯(lián)放置１０μＦ的鉭電容濾除低頻噪聲。

為了很好地接收ＡＤ６６４４的數(shù)字輸出信號(hào)，應(yīng)盡量減小容性負(fù)載。ＡＤ６６４４的數(shù)字輸出有一個(gè)固定的輸出轉(zhuǎn)換擺率（１Ｖ／ｎｓ），一個(gè)典型的ＣＭＯＳ門(mén)加上布線約有１０ｐＦ的電容，因此每ｂｉｔ的轉(zhuǎn)換會(huì)有１０ｍＡ（１０ｐＦ×１Ｖ／１ｎｓ）的動(dòng)態(tài)電流出入器件，一個(gè)滿量程的轉(zhuǎn)換動(dòng)態(tài)電流最大可能達(dá)１４０ｍＡ（１４ｂｉｔ×１０ｍＡ／ｂｉｔ）。在實(shí)際應(yīng)用中，每條數(shù)據(jù)輸出線上應(yīng)放置１００Ω電阻，目的是要盡量限制這些電流流入接收器件。另外還應(yīng)注意，額外的容性負(fù)載會(huì)增加傳輸時(shí)延，要滿足數(shù)字輸出的時(shí)延要求，容性負(fù)載應(yīng)限制在１０ｐＦ以內(nèi)。

２．２ ＦＩＦＯ器件

ＡＤ６６４４輸出的數(shù)據(jù)率高達(dá)２８６．７２Ｍｂｉｔ／ｓ。如此高的數(shù)據(jù)率，如果直接用ＤＳＰ的ＥＭＩＦ接口接收，會(huì)使ＤＳＰ負(fù)荷過(guò)重。此外，如果存儲(chǔ)控制系統(tǒng)不能及時(shí)地接收數(shù)據(jù)，上次的數(shù)據(jù)會(huì)馬上被下次的數(shù)據(jù)更新，造成數(shù)據(jù)丟失，因此必須采用高速緩存。目前常用的緩存多為ＦＩＦＯ、ＳＲＡＭ及雙口ＲＡＭ等。雙口ＲＡＭ和ＳＲＡＭ存儲(chǔ)量較大，但必須配以復(fù)雜的地址發(fā)生器。對(duì)于ＦＩＦＯ芯片，數(shù)據(jù)順序進(jìn)出，且允許數(shù)據(jù)以不同的速率寫(xiě)入和讀出，并且外圍電路簡(jiǎn)單，所以本設(shè)計(jì)選用ＴＩ公司的觸發(fā)式ＦＩＦＯ ＳＮ７４ＡＣＴ７８０４作為數(shù)據(jù)緩存。

ＳＮ７４ＡＣＴ７８０４是一種高速的５１２×１８ｂｉｔ的ＦＩＦＯ器件，存取速度最高可達(dá)５０ＭＨｚ，數(shù)據(jù)訪問(wèn)時(shí)間可達(dá)１５ｎｓ。數(shù)據(jù)在ＬＤＣＫ的上升沿寫(xiě)入，在ＵＮＣＫ的上升沿讀出。ＦＩＦＯ的狀態(tài)可通過(guò)狀態(tài)位：滿（／ＦＵＬＬ）、空（／ＥＭＰＴＹ）、半滿（ＨＦ）以及近空／近滿（ＡＦ／ＡＥ）獲得。ＳＮ７４ＡＣＴ７８０４只能上電復(fù)位。

２．３ ＤＳＰ器件

由于ＡＤＣ的高數(shù)據(jù)率輸出，用ＤＳＰ進(jìn)行實(shí)時(shí)處理會(huì)有很大壓力。在ＤＳＰ進(jìn)行運(yùn)算之前，必須先進(jìn)行數(shù)字下變頻以降低數(shù)據(jù)率。通過(guò)對(duì)ＤＳＰ算法運(yùn)算量的整體分析，ＴＩ公司的ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１可滿足設(shè)計(jì)需要。作為定點(diǎn)ＤＳＰ，ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１主頻可達(dá)２００ＭＨｚ，處理速度可達(dá)１６００ＭＩＰＳ，并且它的外部存儲(chǔ)器接口（ＥＭＩＦ）支持各種同步和異步存儲(chǔ)器，對(duì)ＦＩＦＯ有很好的支持。

圖5 AD6644-FIFO-DSP接口框圖

２．４ 硬件接口設(shè)計(jì)

為了保證ＡＤ６６４４的采樣輸出信號(hào)準(zhǔn)確、高效地送入ＤＳＰ，在ＡＤＣ與ＤＳＰ之間將兩片ＦＩＦＯ并列，構(gòu)成雙ＦＩＦＯ緩沖結(jié)構(gòu)，并以３２ｂｉｔ總線寬度連接到ＤＳＰ的ＥＭＩＦ接口，具體連接如圖５所示。通過(guò)這種接口設(shè)計(jì)，在充分利用ＥＭＩＦ的３２ｂｉｔ數(shù)據(jù)線寬度的同時(shí)，又巧妙地實(shí)現(xiàn)了采樣數(shù)據(jù)的奇偶分離，為ＤＳＰ的數(shù)字濾波和ＦＦＴ運(yùn)算提供了方便。

首先介紹ＡＤＣ與ＦＩＦＯ的接口。ＡＤ６６４４的１４位采樣信號(hào)輸出Ｄ１３０與兩個(gè)ＦＩＦＯ的數(shù)據(jù)輸入Ｄ１５０相連（ＦＩＦＯ的Ｄ１５和Ｄ１４懸空），ＤＲＹ信號(hào)經(jīng)二分頻后，一路連接低１６位ＦＩＦＯ１的ＬＤＣＫ引腳，另一路經(jīng)“非”門(mén)反相后連接ＦＩＦＯ２的ＬＤＣＫ引腳， ＤＲＹ腳輸出的是ＥＮＣＯＤＥ信號(hào)的同頻反向延遲信號(hào)。從時(shí)序圖圖６中可以看出，在ＤＲＹ的上升沿處，采樣信號(hào)Ｄ１３０準(zhǔn)備輸出，ＤＲＹ信號(hào)可準(zhǔn)確地作為后續(xù)ＦＩＦＯ的觸發(fā)存儲(chǔ)時(shí)鐘信號(hào)。經(jīng)二分頻后的ＤＲＹ信號(hào)在上升沿處交替觸發(fā)ＦＩＦＯ１和ＦＩＦＯ２的寫(xiě)時(shí)鐘，將奇偶采樣信號(hào)分別存入不同的ＦＩＦＯ。

接著介紹ＦＩＦＯ與ＥＭＩＦ的接口。對(duì)于讀ＦＩＦＯ的操作，這里用到ＥＭＩＦ異步存儲(chǔ)器控制信號(hào)：輸出使能ＡＯＥ和讀使能ＡＲＥ、ＣＥｎ是外部空間選擇信號(hào)。從圖中邏輯關(guān)系可看出，當(dāng)ＡＯＥ與ＣＥｎ都有效時(shí)，ＯＥ有效，片選使能兩個(gè)ＦＩＦＯ。當(dāng)ＣＥｎ和ＡＲＥ同時(shí)有效時(shí)，ＵＮＣＫ無(wú)效，待讀出的數(shù)據(jù)在此時(shí)進(jìn)行初始化，隨后ＡＲＥ會(huì)跳變?yōu)檎娖饯煟搐牐梗眨危茫水a(chǎn)生上升沿，ＦＩＦＯ中數(shù)據(jù)被讀出。圖中兩個(gè)ＦＩＦＯ的半滿信號(hào)ＨＦ經(jīng)過(guò)一個(gè)“與”門(mén)連接至ＤＳＰ外部中斷引腳ＥＸＴ＿ＩＮＴ，在運(yùn)行中不斷檢測(cè)ＨＦ管腳狀態(tài)。當(dāng)兩個(gè)ＦＩＦＯ皆達(dá)到半滿時(shí)，“與”門(mén)輸出由低變高，上升沿觸發(fā)ＤＳＰ外部中斷ＥＸＴ＿ＩＮＴ。ＤＳＰ啟動(dòng)ＤＭＡ（直接存儲(chǔ)器存取）以突發(fā)的方式讀?。疲桑疲蠑?shù)據(jù)。ＦＩＦＯ１中數(shù)據(jù)作為低１６位，ＦＩＦＯ２中數(shù)據(jù)作為高１６位，合并為３２位數(shù)據(jù)讀入ＤＳＰ內(nèi)部存儲(chǔ)空間。

有一個(gè)問(wèn)題值得注意，兩個(gè)ＦＩＦＯ在本次讀取完成之前，有可能再次達(dá)到半滿狀態(tài)，使得“與”門(mén)提前產(chǎn)生上升沿，而當(dāng)本次讀取完成后，“與”門(mén)輸出已保持為高電平，不會(huì)再產(chǎn)生上升沿來(lái)觸發(fā)新的中斷，而中斷是靠上升沿觸發(fā)的，所以會(huì)導(dǎo)致傳輸停止。為了解決這個(gè)問(wèn)題，將ＤＳＰ計(jì)時(shí)器的ＴＩＮＰ０管腳配置為通用Ｉ／Ｏ口，也與“與”門(mén)輸出相連，用來(lái)輔助檢測(cè)ＦＩＦＯ的半滿狀態(tài)。這樣當(dāng)本次讀操作完成時(shí)，如果檢測(cè)ＴＩＮＰ０口為“１”，說(shuō)明ＦＩＦＯ又一次都達(dá)到半滿，則再次啟動(dòng)ＤＭＡ進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。因此，在程序設(shè)計(jì)進(jìn)入外部ＥＸＴ＿ＩＮＴ中斷服務(wù)程序時(shí)，首先屏蔽ＥＸＴ＿ＩＮＴ，保證在本次ＤＭＡ傳輸中不對(duì)中斷的任何觸發(fā)做出響應(yīng)，然后啟動(dòng)ＤＭＡ進(jìn)行本次數(shù)據(jù)傳輸，完成本次傳輸后，發(fā)送一個(gè)幀傳輸結(jié)束信號(hào)到ＣＰＵ，ＤＭＡ傳輸中斷。在此ＤＭＡ中斷服務(wù)程序中，檢測(cè)ＴＩＮＰ０，如果為高電平，便再次啟動(dòng)ＤＭＡ傳輸；否則使能中斷ＥＸＴ＿ＩＮＴ，等待“與”門(mén)的下一次上升沿觸發(fā)。這種中斷與輪詢方式的雙重機(jī)制保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/span>

３ 布線調(diào)試經(jīng)驗(yàn)及結(jié)論

由于本模塊涉及模數(shù)混合的高速電路設(shè)計(jì)，所以電路板應(yīng)嚴(yán)格分為模擬區(qū)和數(shù)字區(qū)，以ＡＤＣ作為兩區(qū)的交界。內(nèi)層地也應(yīng)相應(yīng)分為數(shù)字地和模擬地，并在ＡＤＣ附近通過(guò)磁珠在一點(diǎn)相連，以消除數(shù)字地對(duì)模擬地的干擾。ＡＤＣ的時(shí)鐘與模擬信號(hào)的輸入應(yīng)盡量隔離，晶振放置應(yīng)盡量遠(yuǎn)離供電電路。對(duì)于ＦＩＦＯ，為了使ＬＤＣＫ、ＵＮＣＫ、ＨＦ、ＲＥＳＥＴ等信號(hào)正確且波形良好，保證數(shù)據(jù)的讀取不會(huì)產(chǎn)生丟失和誤讀，應(yīng)減少對(duì)這些信號(hào)線的干擾，可采取走線適當(dāng)加粗、加信號(hào)包地的措施。在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于ＡＤ６６４４的ＤＲＹ信號(hào)輸出的驅(qū)動(dòng)能力較小，使得ＦＩＦＯ數(shù)據(jù)有時(shí)發(fā)生漏讀現(xiàn)象。采用門(mén)電路進(jìn)行整形和驅(qū)動(dòng)，漏讀現(xiàn)象可得到解決。

本設(shè)計(jì)通過(guò)少量集成芯片輔以很少的分立元件，實(shí)現(xiàn)了中頻數(shù)字處理模塊的功能，并且精度和可靠性都有一定的保證。在ＡＤＣ與ＤＳＰ之間通過(guò)奇偶數(shù)據(jù)分離的ＦＩＦＯ緩沖接口，在降低數(shù)據(jù)率的同時(shí)，還能為后續(xù)多相濾波等算法提供奇偶分離。經(jīng)過(guò)調(diào)試，該接收系統(tǒng)在輸入中頻為５．１２ＭＨｚ、帶寬為２．５６ＭＨｚ的模擬信號(hào)時(shí)，其采樣精度可保證在１２位以上，滿足了ＤＳＰ信號(hào)處理的要求。