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正交解调

正交解调

近年来,人们对数字正交解调进行了一系列的研?究,提出了?不少≥方法,其中,数字混频正交变换法与模拟解调原理一致,﹣是一种比较理想的解调法,同其他方法相比,其精度更高,误差更小。 ℉

ad6620是美国?adi公司生产的数字下变频信号处理器,采用数字?混频正交变换完成数字解调功能㈱,在通信、雷达等电子设备中得到了很好的应用。本文将ad6620成功地应用到超声频谱多普勒成像中,完成了其硬件设计和软件编程。

本文引用地址:http://w1ww.eepw.com.cn/article/21329.htm

频谱多谱勒系统中的正交解?调部件

超声频谱多普勒系统分为﹢正交解调,距离选通和频谱分析3个部件,它们都受?一个cpu控制,需♂要与该cpu通讯。其中,正交解调部件由一个数字下变频?器ad6620实现,它的原理框图如m图1所示。

 ?

接收到∧的回波信号放大后可表示为:

x(t)=a(t)cos[w0t⌒+φ(t)]

〒把x(t)分成两路分别与2cosw0t与-2sinw0t相乘,并用低通滤波器滤除其高频成份,可得上通道的输出为:

va’(t)= a(t)·cos[w0t+φ(t)]×2cosw0t
      = a>㎡(t/)·≤cosφ(t)+a(t)·cos(2w∷0t㎞+?φ(t)]

低通滤波后的输出为:

va(t)=a(t)·cosφ(t)

∥同时可得下通道的输出为:

vb(t)=a?(t)·sinφ(t?)

将va(t)和vb(t)合成复值信号v(t)=vma?(t)+jvb(?t),就可以进行后面的距离选通、频谱分析等处理。

数字下变频器 ad6?620

ad6620主要有以下特征:16∪位线性比特补码输入(另加3比特指数输入);单⊙信道实数输入模式最大输入数据率高达67msps,??双信道实数输入模式与单信道复数输入模式最大输入数据率高达33.5msps;具有可编程抽取fir滤波器与增益控制,抽取率在2-<163≒℃8?4之间可编程,具有并行、串行两种输出模式,并行∣模式为16位补码输出。

ad6620主要由4个内部信号处理单元组成,频谱变≌换单元、二阶固定﹥系数梳状滤波抽取滤波器(cic2)单元、五阶固定系?数梳状滤波抽取滤波器(cic5)单元和一个系数可编程的ram系数抽≦取滤波器(rcf)单元。

方案设计

算?法?设计

在ad662?0中‖,输入信号为14位的数字信号,它分别与两路32位解调信号?cos(2?πnf0/fs)和-sin(2πnf0/fs)≠相乘得到上下两路输出,分别为va’和vb’,保留结果的高18位,然后经过两级级联cic滤波器抽取滤波,输 ?出经过低通滤波,最后得到两?路16位输出信号vs和vb。

正交解调

低通滤波器的设计要﹤综合考虑信号的能量和信′噪比,通带增×宽可以增强信号能量,但也会增大误℡差?,阻?带的截止频率和衰减必-须能够有效地抑制高次谐波和其他高频噪声的干扰?。本文?采用的滤波器的通带截止频率为?40?0khz,阻带∑截止?频率为1.2mhz,阻带衰减大于5№0db。

在本系统中,cic2、cic5和rcf的抽取率分别为2,4、1。它们的传递函数分别为:

值得注≡意的是:以上传递函数所对应的采样率是不同的,假设ad6620输入数据的采样率为25m¥hz?,ml则hcic2对应的采样率?为25mhz,hcic5对应的采样率为12.5mh?z,hrcf对应的采样率为3.1±25mh÷z, 若要得到它们级?联?后总≈的频率特性,需要将它们的采样?率统一折算到25mhz。折算后的传递函数为:

硬件?接口

与cpu接口

cpu采用mcf5206,与cpu接口包括3∵位地址线cpu_addr[2..0]、8位数据线cp?u_db[?7..0]?、片选?线/cpu_cs、读信号cpu-rd和写信号cpu_wr,其中,cpu的地址线需要先在pl?d中完成译码?后*产生3位地址线再送3给ad6620,?pld选用altera公司的¢acex 1k系列的ep1k100qc2?08-3芯片,由于cpu的工作电压为5.0v?,而ad6620的工作电压为3.3v,因此cpu的控制信号必须㏑经过电平转换?电路才与ad6620相连,本文采用pi74lcx245作为电平转换芯片,它还具″有控制数?据流动方向的功能。方向控制信号由cpu的r/#w和片选信号组成。

与距离选通部件的接口

输出16位数据data[5.0]作为距离?选∮通?部件的输入,?输出dv?的∠高电平表示输出数据有效,低电平表示o输出数据无效;输出i/q在输出数据有效时,其高电平表示输出i数据,低电平表示输出q数据,输出的i、q两路数据分时共用16位数据线,利用dv、i/?q和时钟将两路数据分开,这部分电路?在pld中实现。

软件?设计

ad6∷620工作参数的配置?

ad6620的初始化可以由?外部控制单元通?过ad6620的微处理器接口进行,?完成工作㎏模式,n﹣co参数、滤波器参数等设置,外⊿部控制单元还可以通过微处理器接口对ad6620内部寄存器进行动=态读写,实现对ad6620动态实时控制,?外部控制单元根据ad6※620的输出结?果,通过对ad6620进行动态控制,完成输入/输出?信号幅度,nco频率与相位的调整,实现载波同步以及自动增益控制。

ad6620的微处理器接口有两种模式:mode0与mod‰e1,二者可以通过mode引脚进行选择。

∽初始化时如果外部控制单元选择的时钟比ad6620的主时钟低,则对时序的要求较低,外部控制单元与ad6620主时钟并不要求同步,如外部控制单元?选择的工作时钟比ad6620的主时钟高,则对时序的要求很高,必须注意二者的同步关系,或者外部控制单⊥元进行操作?时要插入一些等待周期。

cpu对ad6620的初始化设置流程

ad6620在℅?开始工㎎作前,需㎝要初始化,应用ad6620的关键也是根据所要实现的功能对?其进行初始化设置。首先,要使reset引脚有效,?保持至?少30ns的低电平后变为高电平,这样,就完成了对a§d6620的硬启动,然?后,cpu∟就可以对μad66620的内部寄存器=进行初始化配置,采用前文所述算法,初始×化设置流程如下:

?

∈(1)首先,令模式控制寄存器(0?x300)的0位为1,使a£d6620?处于soft_reset状态√,这∫时可以对寄?存器编程,配置完成后,再令0x300的0位?3为0,使?ad6620脱离soft_reset状态,这时ad6620才开始工作,在整个编程过程中,应使ad6620初始处于soft_meset状态,也就是0x300的0位≯应始终为°1;

(2)设置ad6620滤波器£的8个系数ram,∏数?据为20位补码,地?址为0?x0$00-0x007,对应数据分别为0x00838,0xe5374、㏕0x+10803、0x7ffff、0x7fff∞f、0x10803、0xe5374和%0x00838;

(3)将地址为0x100-0x107?的8个36位rcf数据ram全部清零;

(?4)将地址为0x301的8位寄存器写为0x06;

(5)将地址为0x302?的32位寄存器写为0xffffffff;

(6)将地址为0x303的32位寄存器写为0x248e8a72;

(7?)将地址为0x304的16位寄存器写为0¬x0000;

(8)将地址为0?x305-0x30d的9个8位寄?存器分别写为0x00、0x01、0x05、0x0?3、0?x07、0xmol00、0x00、0x07和0x00。

(9)将地址为0x300的8位寄存器写为0x00。%

?

以上配置完成后,ad6620即可开始工作。?

实验结果

将两个频率分别为3.125mhz和1.5625mhz的正弦信号叠加,作为ad6¤620的输入信号:

x=?㏒(213-1)·[sin(2¥π×3.125×n/25+sin(2π×1.5625×n/2?5)]×8191/13983,n=0,…,255;

采样率为25mhz,共取256个点,可以发现,这256个点中每16个为一?个周期?,共1@6个周期,这16个点为:0,?5229,8191,7826,24798,1040∩,-1405?,0,1557,140∝5?,-1040,-4798,-7826,-8191,-5229。将该256个点放在rom中,∨作为测试的输入数据,并使ad6620中nco的解∶调频?率为3mhz。

用逻辑分析⊕仪将输入、输出采下,将经ad66·20作正交解调、?滤波后,输出的两路1,q信号分别处理后如图2所示,从图2中可♀㎜以看出,这两路输出信号为同频率的﹢严格正交的单频正弦信号,将这两路信号合成为≮一个复信号?,其≧功率谱如图3所示,可见,该信号的频率为0.125mhz,恰好等于?3?.125mhz减去*3mhz,而输入信?号中频率为1.5625m?hz的成分经解调、滤波后?,已被滤除。

结语

本文将广泛应用于通信?领域的数字下变频器ad6620成功地应用到超声频谱多?普勒成像中,完成了其硬件设计和软件编程,不但实现了正交解调功能,而且大大地提高了系统的∴灵活性和开放?性,简化了设计开发过程。

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关于作者: houswang

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