一种通用中频数字化接收机的实现

本地数字振荡器(NCO)产生的正交信号为：cos(ωcn)和sin(ωcn)，与中频信号在混频器相乘后得：

通过低通滤波器滤除倍频分量后，可以得到有用的正交I，Q信号：

由于信号的采样频率较高，也就是上式的I(n)，Q(n)速率很高，一般远大于窄带信号的带宽，这时可对其进行速率转换(抽取)，以降低此时的输出数据率。不过，抽取后的数据率应不小于信号带宽。在此之前，需经抗混叠滤波器滤波，以保证信号可靠完整地恢复。
图1中的中频信号是中频带限信号，如果此时中频信号的中心频率较低，可取高采样时钟过采样，依Nyquist采样定理，取采样率fs>2fH采样(fH为信号的高端)，能够不混叠地恢复原信号。如果此时中频信号的中心频率较高，采样率与信号中心频率的关系不满足Nyquist采样定理条件，这时考虑是否满足带通信号的采样定理。这个定理是中频信号采样的理论依据，而Nyquist采样定理是带通信号采样定理的特例。带通采样定理：如果一个中心频率为fo频率带限信号，其频率限制在(fL，fH)内。
fo=(fL+fH)／2，当采样时钟fs与fo满足关系：

式中：n取能满足fs≥2B的最大正整数，B=fH-fL，则用fs进行等间隔采样，所得到的信号采样值能准确地确定原信号。
满足式(1)的中心频率为fo的信号经采样时钟fs采样后，f(t) 展开项中 cos(2 πfon／fs) 与sin(2πfon／fs)交替取值为零，当它们不为零时，取±1。可交替得到I，Q样值，不过这时的I，Q值已是经二分之一抽取，时域相差半个采样点，这时的I，Q值要在时间上对齐，符号修正，这样就很方便地实现了下变频。之后，只要将处理后的数据经数字滤波器滤波，按合适的抽取因子抽取就可得到所需的I，Q值。这种方法特别适合用FPGA设计的数字下变频器，不需要NCO，节省了设计数字混频器的逻辑资源，而且早期的商用数字下变频器件也是这种数字混频器，要求fo，fs满足式(1)的关系，如HARIS公司(现为Intersil公司)的HSP43216。
当信号中心频率fo较高，即是高中频信号时，用fs对信号采样属欠采样。当然fo，fs不一定严格满足式(1)的关系。fo，fs选用的总原则是从频谱上分析，采样后的信号经混频、滤波和适当抽取后，基带频谱没有混叠。本设计只是构建一个通用平台，以下的设计用采样率80 MSPS时钟采样，中频信号为中心频率10 MHz，带宽2 MHz，最后输出数据率2．5 MSPS。采样率和信号的最高频率满足过采样关系。

2 器件选用及参数设计
设计中的主要器件：模数转换器和数字下变频器分别选用AD公司的AD6645和Intersil公司的ISL5416，这两款器件都是具有较高性价比的器件。AD6645是高速、高性能的模数转换器，具有14 b，105 MSPS采样率。该芯片是目前用于直接中频采样的性能较好的一款芯片，片内包括采保和参考时钟，提供CMOS兼容的输出，输入信号带宽可到270 MHz。
AD6645的采样时钟要求质量高且相位噪声低，如果时钟信号抖动大，信噪比容易恶化，很难保证精度。为了优化性能，AD6645的采样时钟采用差分形式。时钟信号可通过一个变压器或ECL的差分芯片交流耦合到A／D的时钟输入引脚。
数字下变频器ISL5416是四通道宽带可编程下变频器，专为大动态范围应用而设计，输人数据率最高可达95 MSPS，片内包含数控振荡器(NCO)、数字混频器(Mixer)、数字滤波器(CIC和FIR)、自动增益控制AGC和重采样滤波器等。四个并行16 b定点或17 b浮点输入通道，NCO控制字是32 b可编程的、无杂散动态范围SFDR>110 dB。数字滤波器包括可编程级联的CIC滤波器，两个可编程的FIR滤波器级联，第一个FIR滤波器为32阶，第二个FIR滤波器是64阶，每个数字滤波器后接一个可编程抽取计数器，整个器件的总抽取比可从1～4 096。数字AGC增益范围可达96 dB,，内部数据通道是20 b宽度。