引言

20 世纪90 年代中期，MILTRE 公司的JeoMitola 在里程碑性的文章中首次明确提出了软件无线电的概念。其中心思想是宽带A/D 和D/A 尽可能靠近天线，并且在一个开放化、标准化、模块化的通用硬件平台上将各种无线电功能用软件来完成，使得新一代无线通信系统具有高度灵活性、开放性。由于移动通信系统工作在900MHz ，1800MHz 这样的频带上，如果直接在射频采样，巨大的数据量使得DSP 的处理速度跟不上，将射频信号经由DDC(数字下变频器) 进行下变频和抽取，这样DSP的负担大大减轻。生产数字下变频器的最著名、应用最广泛的公司是美国的Intersil公司(原名Harris) 和Gray Chip 公司。下面将介绍Intersil 公司的ISL5216 的性能，并以如何实现AM和FM 解调为例介绍其应用。

ISL5216 的性能

ISL5216 是Intersil 公司推出的性能强大的可编程数字下变频器芯片(DDC) ，他被设计用来实现高动态范围的应用。他能应用在窄带TDMA ，如IS-95CDMA 的数字软件无线电基站接收机，而宽带应用主要有W-CDMA 和UMTS 的数字软件无线电基站接收机。其结构如图1所示。

图1 ISL5216 结构示意图

ISL5216 有4路独立可编程的数字下变频通道。对于输入的信号可以选择任意一个通道来进行处理，也可以四路同时并行处理。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(BUSROUTING)连接。单通道输出带宽能达到1MHz ，还能通过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，可编程数字控制振荡器(NCO) 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95MSPS 时可提供22.1MHz 的分辨率，其无杂散动态范围>115dB。1～5级CIC滤波器可提供最大65536的抽取率。后端部分由有限冲击响应滤波器(FIR) 、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255 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 。笛卡尔坐标到极坐标转换器提供幅度和相位输出，他之后与鉴频器相连接实现FM 解调。ISL5216 支持最高95 MSPS 的输入，4 路并行的17 位的输入端支持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 到大于65536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 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。

ISL5216 在一个软件无线电接收机中的应用

如图2所示，软件无线电接收机的工作流程是先由高速A/D 进行采样， 采样信号经过缓冲之后存入大容量SRAM。此接收机可以工作在定频或跳频状态。工作在定频状态时，接收信号经A/D 采样和FIFO之后直接进入ISL5216的输入端进行处理。工作在跳频状态时，接收信号缓冲之后在FPGA 内完成快速傅里叶变换，然后将快速傅里叶变换计算出的频点以及当前频点数据在SRAM 中的起始地址送给DSP进行处理，DSP 通过一定的解跳算法将外部信号的跳频点找出，接着DSP 将跳频点的频率写入DDC(即ISL5216)以便进行解调，并将当前跳频点的数据在SRAM 中的起始地址返回给FPGA ，由FPGA将SRAM 的当前数据读出送入DDC的输入端进行下变频、抽取和解调。解调后的串行信号通过串行到并行信号的转换后可在PC上显示和存储。PC可通过串行接口与DSP通信，将DSP的工作状态、DDC 的NCO中心频率、输出速率以及滤波器带宽等指令发送给DSP ，DSP解析指令之后可从FLASH中调取DDC的配置参数对DDC进行重新设置。通过这样一个确定的硬件平台，只需要修改DDC的内部寄存器进行设置就能够实现对解调中心频率、输出速率、滤波器带宽等参数的软件控制，实现了一个可任意速率输出、任意带宽控制的软件无线电接收机的功能。

图2 软件无线电接收机原理图

使用ISL5216 来实现AM和FM解调

当一个采样频率为40MHz 的已调制信号(AM或FM调制) 进入ISL5216的四路通道之一，并与数控振荡器产生的载波频率进行混频过后，其信号将由如图3 所示进行解调。

图3 ISL5216 信道配置原理图

信号首先通过抽取因子为20的CIC(级联积分梳状)滤波器， 将40MHz 的信号速率降低到2MHz 。然后HBF5(半带滤波器5) 进行抽取因子为2 的抽取，接着通过抽取因子为4 的FIR2，这时信号的速率已经降为250kSPS。FIR2是一个带宽为400kHz的低通滤波器，用来降低带外噪声干扰。FIR2输出的信号在通过AGC和鉴频器后并不直接输出，而是反馈回FCE(滤波器计算引擎) 进入FIR3 ，滤波后的信号才会输出FCE。FIR3是一个带宽为20kHz 的低通滤波器，抽取因子为2，其信号输出速率为125 kHz。如有需要可以在输出之前、FIR3之后连接重采样滤波器，进行分数抽取因子的抽取，使输出的信号速率能与后续处理设备的速率相匹配。

FIR 滤波器的系数使用Matlab中的remez 函数计算可得，将系数按照滤波器文件格式制作成*.imp文件格式。使用ISL5216配置软件对ISL5216的内部寄存器进行设置。为能进行AM 和FM 解调，设置如图4 所示。FIR2 的输出需要反馈回FCE 以进行最后一级的滤波，但ISL5216 配置软件并不支持反馈设置，必须设计人员自己修改寄存器的值。地址为*108 和*10C 的指令寄存器必须进行修改。FIR2 对应的指令寄存器为*108～*10B ，其中地址为3108的寄存器的比特位28:18 需要进行修改，由290C02C0改为2A8C02C0 ，作用是使能AGCLF ，Path(1 :0) 设为“01”，OS 停止， FB 设为1。FIR3 对64通信设备等: ISL5216 在软件无线电接收机中的应用应的指令寄存器为*10C～ *10F ，其中地址为*10C 的寄存器的比特位28 : 18 需要进行修改，由2D0402C0 改为2D1002C0 。最后在串行输出的时候，应将输出格式选为I2和Q2 。AM 解调时，解调输出在I2 ，而FM解调时，解调输出在Q2。

图4 ISL5216 配置软件设置AM ，FM 解调的界面图现在输入的AM 调制的调制信号频率为2kHz ，载波频率为6MHz ，调制度为35%。FM调制的调制信号频率为2kHz ，载波频率为6MHz ，最大频偏为15kHz 。其解调后的波形及频谱如图5 ，图6 所示。

图5 AM 解调后的波形及其频谱图

图6 FM 解调后的波形及其频谱图如图5 所示AM 解调输出的频谱在零频附近有一个很强的低频率干扰，这是由于信号源产生的信号的频率不准所导致的。将信号源输出的信号接入频谱分析仪，当输出一个6MHz 的信号时，在频谱仪上看到大概20 Hz 的偏差。故当AM 调制信号进入ISL5216 进行6MHz 下变频、解调之后，会发现信号仍然被一个频率大概20Hz 的小信号调制，在频谱上的反映就是零频附近有强分量。2 kHz处的分量是解调出的调制信号，但在4kHz ，6 kHz处却有分量，这是由于前端使用的是非线性放大器出现的协波分量，其余的协波分量已被滤波器滤除。如图6所示FM解调输出的频谱就非常干净，2kHz 就是解调出的调制信号。通过这两幅频谱图也说明了FM 调制比AM调制的抗干扰性能更好。在ISL5216 中对FM 解调使用了鉴频器，即非相干解调的方法，故比AM 解调采用相干解调方法的解调效果好。

结语

本文通过使用ISL5216 来完成AM 和FM 的解调，说明ISL5216 在数字下变频处理过程中的操作，并能通过他实现NCO 可调、带宽可变、输出速率可调的软件无线电接收机。ISL5216 是一款功能十分强大的多通道数字下变频芯片，只要熟练掌握能够完成高抽取因子的抽取以及多种调制信号的解调，为中频信号处理提供方便。使用此款芯片只要合理配置其内部寄存器，就能够设计出性能优良的软件无线电接收机。