傳統數據采集" title="數據采集">數據采集卡的主要功能是完成對模擬信號的基帶數字化。由于數字化是在基帶進行，其下變頻、濾波全部采用模擬方式，因此，對于不同頻段、不同調制方式的通信系統，應當對應專門的硬件結構，但這樣的系統缺乏靈活性，且隨著系統采樣率和采樣精度的提高，對數據實時性傳輸也帶來了很大的困難。
    軟件無線電(software radio)是近年來隨著微電子及計算機技術應運而生的一種新的無線電技術，理想的軟件無線電系統強調體系結構的開放性和可編程性，專注于減少靈活性差的硬件電路，并把數字化處理(A／D)盡量靠近天線，力求通過軟件的更新來改變硬件的配置結構，以求解決傳統數據采集卡存在的問題。
    結合軟件無線電思想，可將AD采樣后得到的數據直接送入數字下變頻器，然后通過FPGA程序的改變來實現對數字下變頻器內部寄存器的重新配置，從而完成數字下變頻功能，該方法既提高了系統的靈活性，又能很好的滿足系統對數據傳輸的高實時性要求。

1 傳統數據采集卡的特點與缺陷
    傳統數據采集卡的結構一般如圖l所示。傳統數據采集卡的特點是先對模擬輸入信號進行模擬混頻正交解調，混頻后的信號經模擬低通濾波器后再進行AD采樣。由于兩路模擬乘法器以及低通濾波器難以達到一致，因此，采樣后得到的I、Q兩路信道間的幅度往往不平衡，相位正交誤差較大。同時，隨著模擬輸入頻率的增加，對于模擬低通濾波器、AD器件的采樣率設計要求也越來越高。另外，隨著采樣率和采樣精度的提高，現有的PCI、PCI—E等接口規范，其數據傳輸速率也難以達到設計要求。

2 新型數據采集卡設計思想
    數據采集作為數字接收機的重要組成部分，其在處理帶寬和數據傳輸速率方面應當具有很好的靈活性和可擴展性，而傳統的數據采集卡難以滿足這些要求。基于數字信號處理的優點，是將模擬中頻輸入先進行AD采樣，采樣后得到的數據再送入數字下變頻器件進行數字下變頻處理后，再通過PCI總線將數據讀入上位機。圖2所示為新型數據采集卡的結構框圖。

    同模擬I、Q正交解調相比，數字I、Q不僅省掉了一個ADC，更為重要的是，兩個支路的乘法器、濾波器功能均可在數字域內通過算法的編寫靈活實現，并可完全做到一致，從而有效地提高了鏡像抑制比，且數字濾波性能也高于模擬濾波器。同時，將采樣數據經過數字下變頻器進行下變頻處理，也可以降低數據流速率，從而滿足對后續數據實時性處理的要求。因此，在中頻、甚至射頻對輸入信號進行數字化，對數據采集系統的研制具有重要意義。

    圖3所示為新型數據采集卡的整體結構框圖。由圖3可見，該采集卡結構中主要包括AD采樣、DDC處理、FPGA邏輯控制、緩存以及接口等幾部分。

3．1 AD采樣
    本采集卡要求采樣精度為14位、采樣速率最高為100MSPS，為此，可選用美國Analog公司的AD6645。為了保證14位精度，AD6645的時鐘信號應由高穩定性、極低相位噪聲的時鐘源提供，同時，為了達到最佳性能，AD6645的時鐘還應采用差分輸入，因為差分輸入方式能改善對高次諧波的抑制，同時對于電源或地線上的寄生噪聲以及由于反饋引起的本地振蕩等共模信號也有很高的抑制能力。
    此外，AD采樣后所得到的數據可分兩路進入FPGA，其中一路直接進入FPGA，待采樣數據進入FPGA后，再做處理；另一路經數字下變頻器，對采樣數據進行下變頻處理后再進入FPGA。
3．2 數字下變頻
    數字下變頻的主要作用是將A／D采樣所得到的中頻信號" title="中頻信號">中頻信號進行下變頻處理后移至基帶。它主要利用數控振蕩器(NCO)產生與輸入中頻信號頻率相同的正弦和余弦本振信號，再經混頻后對結果做低通濾波，即可完成對中頻信號的下變頻操作。
    GC4016是Graychip公司推出的專門用于數字下變頻的芯片，該芯片內置4個獨立的相同下變頻電路，它可將一個高達90 MHz的實采樣信號下變頻到任意頻率，其內部的抽取濾波器還可以將輸出速率降到采樣速率的l／32倍到1／16384倍。GC4016的總體框圖如圖4所示。圖4中的交錯開關用于控制輸入數據與下變頻通道的對應關系。

    從功能上來看，數字下變頻器主要包括兩個部分，第一部分是數字控制振蕩器(NCO)和混頻器，主要用來把數字化的中頻信號搬移到基帶；第二部分是多級抽取，用以得到期望的載波頻率。
    可以看出，DDC抽取部分由3個FIR濾波器級聯構成，其中一個是級聯積分梳狀(CIC)抽取濾波器，另外兩個是抽取因子為2的可編程抽取濾波器。CIC濾波器相對來說結構最簡單，乘法運算比較少，只使用加法和延遲運算，可對信號進行粗略的低通濾波，適合于處理高速率的數字信號，而且抽取因子是可編程的，這是滿足通帶頻率參數和多速率處理的關鍵，可降低后級濾波器的復雜度。當然，由于是粗濾波，它的幅度響應不夠理想，也可能在通帶內對有用信號進行衰減。緊接著CIC濾波器是補償FIR濾波器(CFIR)，其結構相對也比較簡單，只有2l階，主要功能是補償由前級CIC濾波器引起的衰落，同時對信號進行進一步的低通濾波和2倍抽取。最后一個級聯的是可編程FIR濾波器(PFIR)，結構最復雜，有63階，因此一般放在末級，用來處理低速信號，可對信號進行2倍抽取并完善濾波效果。
    總的來說，CFIR和PFIR都是線性相位濾波器，在數據轉換中，都具有很好的特性。
    信號經過混頻和濾波后，再就是重采樣，重采樣會獨立地濾波并改變每個通道的輸出數據率。重采樣通常用來增加采樣數據率，以滿足與外部電路所要求的字速率和位速率的匹配。
    GC4016可以通過合并通道來增大輸出信號的帶寬，即增大數據速率。即可以將A、C合并為一個通道，B、D合并為一個通道，合并后的輸出數據率是原來的2倍。通常最大可將帶寬增大為原來的4倍。

3．3 FPGA邏輯控制

    時鐘及觸發控制模塊主要用于完成內、外時鐘源選擇，內、外觸發源選擇以及數據通路選擇等控制命令的接收和發送；
    DDC控制模塊是采集卡最重要、也是最具獨創性的部分，它主要完成對GC4016芯片255個32位寄存器的控制字發送，從而實現其內部模塊功能，其核心控制指令是載波頻率、相位信息、增益控制、各濾波器及重采樣中抽取因子的設置以及輸出方式設置等。
    數據處理模塊可完成對最后數據標志位的處理以及必要的數據合并或分解處理，FIFO存儲控制模塊則可產生FIFO工作的控制時序。
3．4 緩存及接口
    因為PCI總線接口數據傳輸效率非常高，而A/D采集數據的效率較低，所以，為了實現數據的高速傳輸，本設計采用IDT公司的FIFO芯片IDT72T72105來實現板上緩存，采樣后的數據經過緩存后，再由PCI總線接口控制器讀取，這樣可以保證數據的實時性傳輸。
    實現PCI總線接口的方式有兩種，一種是采用專用PCI接口芯片，但專用芯片價格昂貴、功能繁雜、不能靈活配置、不利于系統的升級優化；另一種是進行基于IP核的FPGA設計，這種方法多用在設計者只需要用PCI接口的部分功能的場合。本設計采用第二種方式來實現PCI總線的數據傳輸，利用FPGA進行PCL總線設計，可以在單片FPGA中同時完成PCI接口和用戶邏輯的設計，該方法可縮減成本，而且設計靈活，集成度高，并可減少資源浪費。

4 實驗結果
    本系統密集度高，芯片多為BGA封裝，故在布局時應注意將數字部分和模擬部分盡量分開，以避免數字電路通過線間分布電容對模擬電路產生干擾。另外，在應用場所周圍，如存在強干擾電磁場，還應在模擬電路部分加屏蔽措施。圖6所示是用100 MHz內部時鐘來對頻率為3MHz的正弦信號進行采樣，同時設置DDC本振頻率為2．999 MHz，5階差分梳妝濾波器抽取因子為25 (即總抽取因子為25x2x2=100)所獲得的波形及頻譜圖。

    若系統時鐘為100 MHz，總抽取率為100，則系統對下變頻信號的采樣率為l MHz，而數字下變頻后的信號頻率為l kHz。根據Nyquist采樣定理，使用1 MHz的采樣率對l kHz的信號進行采樣，完全可以不失真地恢復原始信號，即信號應當出現在1kHz處。但是，為了能讓用戶直觀地從頻譜圖上讀出原始信號的頻率，可以在頻譜圖上顯示差頻頻率加上本振頻率后的信號頻譜圖，故本該出現在1 kHz處的信號，搬移到了3 MHz處，圖中的信號出現在了3000．015 kHz處，這與理論分析一致。

5 結束語
    本系統除了ADC及電源轉換芯片外，全部采用BGA封裝，這種設計使得整個系統體積小巧，集成度高。系統的數字下變頻功能完全通過FPGA對數字下變頻器件的重新配置來實現，因而提高了系統的靈活性，解決了傳統數字接收機的缺點，體現了軟件無線電技術的優越性。