专利名称：一种多通道数字下变频装置的制作方法
技术领域：
本发明属于数字下变频技术领域，更为具体地讲，涉及对多个模拟中频信号进行 数字下变频处理的装置。
背景技术：
模拟中频信号经过模数转换器(ADC)采样后，须将所得数字中频信号搬移至基 带，这一搬移过程就是所谓的数字下变频技术。数字下变频过程包括正交解调、数字抽取和 低通滤波。图1是数字下变频器的具体实现框图。如图1所示，数字下变频器主要是由数控 振荡器NC0、数字抽取器和低通滤波器组成。数字下变频器将对模拟中频信号进行ADC采样 后得到的采样数据与NCO的输出信号进行正交混频(NC0的频率为所需窄带信号的中心频 率)，使所需信号由中频变换至基带，并根据基带带宽和采样率的关系作适当抽取滤波，从 而降低采样率。数字下变频器最终输出基带I、Q两路信号。因此，数字下变频部分所要完 成的任务，一方面是将所需窄带信号提取出来，将其搬移至基带；另一方面，对于分离后的 窄带信号，可以大大降低采样率，这也就意味着可以大大降低数据量，以减轻基带处理部分 对DSP的计算速率的要求和对后续数据实时传输的要求。多通道数字下变频装置是基于数字下变频技术的一种数字处理设备，能完成对多 个通道采样数据的正交解调、数字抽取和低通滤波。图2是现有技术的多通道数字下变频装置。如图2所示，每一路信号采集通道只 能与固定的一路数字下变频通道进行连接，而且每路数字下变频通道之间相互独立，工作 模式比较单一，由于这种多通道数字下变频装置功能结构比较局限，因此在接收到突发或 偶发的未知信号时，则需要先对该信号进行一定时间的存储，然后再尝试多次数字下变频 处理才能得到更多的参数信息来确定该未知信号，这种装置实时处理能力很弱，而且效果 不佳。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种更具有灵活多样性、更具有实 时性的多通道数字下变频装置。为实现上述目的，本发明的多通道数字下变频装置，包括一信号采集模块，由m路独立的信号采集通道组成，每路信号采集通道包括模拟 信号调理电路和模数转换器，用于对多路模拟中频信号进行调理以及数字化，得到m路采 样数据，其中，信号采集通道路数m > 2 ；其特征在于，还包括一 mXn路开关矩阵，其m路输入与信号采集模块输出的m路采样数据连接，用于 对m路采样数据进行选择，使任意一路采样数据与开关矩阵η路输出的任何一路或多路连 接，其中，开关矩阵输出路数η = 4m ；
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一数字下变频模块，由η个可编程数字下变频器组成，η个可编程数字下变频器的 输入分别与开关矩阵η路输出相连，每个可编程数字下变频器对输入到该数字下变频器的 采样数据进行正交解调、数字抽取和低通滤波处理；一 FPGA控制器，作为主控芯片接收上位机的控制命令，通过命令解析与分发实现 三种控制第一，控制数字下变频模块，确定数字下变频模块的工作模式1)、窄带并行模式η个可编程数字下变频器独立并行工作，形成η个数字下变频 通道；2)、正交联合模式每两个可编程数字下变频器联合工作，形成η/2个数字下变频 通道，同一数字下变频通道中，一数字下变频器输出正交解调后复数数据的实部，而另一数 字下变频器输出复数数据的虚部，在这种工作模式下，基带处理带宽是窄带并行模式的2 倍；3)、正交交替联合模式每四个可编程数字下变频器联合工作，形成η/4个数字下 变频通道，同一数字下变频通道中，两个数字下变频器分别输出偶时间输入信号经正交解 调后复数数据的实部和虚部，另外两个数字下变频器分别输出奇时间输入信号经正交解调 后复数数据的实部和虚部，在这种工作模式下，基带处理带宽是窄带并行模式的4倍；第二，控制mXn路开关矩阵的输入输出连接状态，进而完成m路信号采集通道与 数字下变频通道的配对连接，使其按照不同下变频工作模式进行解调；第三，控制每一个数字下变频器，将数控振荡器(NCO)的指标参数、数字抽取器的 指标参数以及低通滤波器的指标参数写入对应的内部寄存器，使每个数字下变频器独立可 编程。本发明的发明目的是这样实现的，一上位机，是任意一台个人计算机、工业计算机 或嵌入式计算机，具有或可安装特定的发送例程模块，可通过计算机总线，如PCI总线，向 FPGA控制器发送对开关矩阵的控制命令、数字下变频模块的工作模式选择命令以及数字下 变频模块中可编程数字下变频器的指标参数配置数据，FPGA将接收到的命令和数据进行命 令解析与分发，从而达到通道配对、模式选择以及每个数字下变频器参数设置的目的。与常用多通道数字下变频装置相比较，本发明多通道数字下变频装置可工作于三 种不同的模式，且每一种模式下m路信号采集通道和g(g = η, η/2, η/4)个数字下变频通道 之间可以任意配对连接，具有灵活多样性；在同一时刻，选择窄带并行模式时，调节开关矩 阵，则一个信号采集通道最多可以同时与η个可编程数字下变频通道配对连接，即可同时 获得经过η种不同数字下变频参数处理后的基带信息；选择正交联合模式时，调节开关矩 阵，则一个信号采集通道最多可以同时与η/2个可编程数字下变频通道配对连接，即可同 时获得经过η/2种不同数字下变频参数处理后的基带信息，而且这种情况下获得基带处理 带宽是窄带并行模式的2倍；选择正交交替联合模式时，调节开关矩阵，则一个信号采集通 道最多可以同时与η/4个可编程数字下变频通道配对连接，即可同时获得经过η/4种不同 数字下变频指标处理后的基带信息，而且这种情况下获得基带处理带宽是窄带并行模式的 4倍。可见本发明提供的数字下变频装置通过多通道交叉、多模式并行的方式，能对多 路未知信号在同一时刻进行多种带宽、多种指标参数的数字下变频处理，解决了常用多通道数字下变频装置的功能结构局限，特别针对突发或偶发未知信号，可通过一次采样同时 获得多组基带信息，实时性能更佳。
图1是数字下变频器的具体实现框图；图2是现有技术的多通道数字下变频装置；图3是数字下变频模块的三种工作模式下的结构图；图4是信号采集通道与数字下变频通道之间的连接示意图；图5是本发明多通道数字下变频装置的一种具体实施方式
的原理框图；图6是本实施例中每个可编程数字下变频器的内部寄存器组成示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
进行描述，以便本领域的技术人员更好地 理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许 会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。图3是数字下变频模块的三种工作模式下的结构图。如图3所示，数字下变频模块，由η个可编程数字下变频器组成，每个可编程数字下 变频器对输入到该数字下变频器的数字信号进行正交解调、数字抽取和低通滤波处理。数字 下变频模块与FPGA控制器连接，在FPGA控制器的控制下可工作于三种不同的模式，包括1)窄带并行模式η个可编程数字下变频器1 η独立并行工作，形成η个数字下 变频通道1 η，如图3 (a)所示。2)正交联合模式每两个可编程数字下变频器联合工作，形成η/2个数字下变频 通道，如图3(b)所示，同一数字下变频通道中，一数字下变频器输出正交解调后复数数据 的实部，而另一数字下变频器输出复数数据的虚部。如图3(b)所示，可编程数字下变频器 1、2组成数字下变频通道1，可编程数字下变频器3、4组成数字下变频通道2，依次类推，可 编程数字下变频器η-1、η组成数字下变频通道η/2。在正交联合模式下，基带处理带宽是 窄带并行模式的2倍。3)正交交替联合模式每四个可编程数字下变频器联合工作，形成η/4个数字下 变频通道，如图3(c)所示，数字下变频通道1由数字下变频器1 4组成，数字下变频器1 和数字下变频器2分别输出偶时间输入信号经正交解调后复数数据的实部和虚部，数字下 变频器3和数字下变频器4分别输出奇时间输入信号经正交解调后复数数据的实部和虚 部。数字下变频通道2 η/4的组成依次类推。在这种工作模式下，基带处理带宽是窄带 并行模式的4倍；图4是信号采集通道与数字下变频通道之间的连接示意图。mXn路开关矩阵与数字下变频模块连接，用于控制每种工作模式下信号采集模块 中m路独立的信号采集通道与数字下变频模块中的g个数字下变频通道的连接关系，窄带 并行模式g = n，正交联合模式g = n/2，正交交替联合模式g = η/4。在同一时刻，调节 开关矩阵，可使得每个数字下变频通道任意选择一个信号采集通道作为其信号源输入。如 图4所示；这样，m路独立的信号采集通道与数字下变频模块中的g个数字下变频通道可进
6行任意的配对连接信号采集通道1与下变频通道i连接，i = l,2,..., g，信号采集通道 2与下变频通道j连接，j = 1，2，. . .，g，且j乒i，信号采集通道m与下变频通道k连接，k =1，2，. . .，g，且k兴i，j，其他信号采集通道与数字下变频模块中数字下变频通道的连接 关系依次类推。图5是本发明多通道数字下变频装置的一种具体实施方式
的原理框图。在本实施例中，如图5所示，多通道数字下变频装置包括信号采集模块1、开关矩 阵2、数字下变频模块3、FPGA数字信号处理模块4、FPGA控制器5、FIFO存储器6、通信接 口模块7以及上位机8，FPGA数字信号处理模块4和FPGA控制器5通过通信接口模块7与 上位机8进行通信。在本实施例中，信号采集模块1由4个独立的信号采集通道组成，标号从上到下依 次为CHI、CH2、CH3、CH4，数字下变频模块由16个可编程数字下变频器组成，标号从上到下
依次为1、2、3........15,16 ；每个可编程数字下变频器内部存在若干个寄存器，称为内部
寄存器。内部寄存器包括目标参数寄存器和交替时间寄存器(SAMPLE_REG)，如图6所示。 目标参数寄存器包括数控振荡器NCO参数寄存器、数字抽取器参数寄存器以及低通滤波器 参数寄存器等，数字下变频器根据这些寄存器的参数值执行相应的数字下变频工作；交替 时间寄存器(SAMPLE_REG)确定数字下变频器处理的时间序列方式，假设经过ADC采样后输 入到数字下变频器的数据序列为f = {x
, x[l], x[2], x[3], x[4], . . . , x[i], . . . }则当SAMPLE_REG = 0时，数字下变频器将对该序列进行数字下变频处理；当 SAMPLE_REG = 1时，数字下变频器将对该序列的偶次项，即对Π = {χ
,χ[2],χ[4],χ[6],χ[8],. · ·，x[2i]，· · · }进行数字下变频处理；当SAMPLE_REG = 2时，数字下变频器将对该序列的奇次项， 即对f2 = {χ [1]，χ [3]，χ [5]，χ [7]，χ [9]，· · ·，χ [2 +1]，· · · }进行数字下变频处理；在本实施例中，FPGA控制器5对数字下变频器的逻辑控制过程是这样实现的每 个数字下变频器内部寄存器与一个目标地址一一对应，FPGA控制器5将数字下变频器的数 据总线端口和地址总线端口分别和通信接口模块7的数据总线和地址总线相连接；每当需 要对数字下变频器进行写操作时，上位机8就会通过通信接口模块7向FPGA控制器5发送 一个写使能命令，而FPGA控制器5就会立即根据数字下变频器的写操作控制时序，将通信 接口模块7的地址总线上的数据写入到内部寄存器；其中，FPGA控制器5将控制命令写入 数字下变频器内部寄存器的过程称为寄存器配置。在本实施例中，首先，FPGA控制器5根据接收到的数字下变频模块工作模式选择 命令，确定数字下变频模块3中的通道工作模式，配置过程描述如下当工作在窄带并行模 式时，十六个数字下变频器独立并行工作，形成十六个并行数字下变频通道，配置每个数字 下变频器的交替时间寄存器(SAMPLE_REG)值为0 ；当工作在正交联合模式时，每两个数字 下变频器联合工作，形成八个并行数字下变频通道，即1、2联合为第一个通道，3、4联合为
第二个通道，......，15、16联合为第八个通道。配置每个数字下变频通道中的两个数字下
变频器的数控振荡器NCO输出的正交混频信号间有π/2的相位偏移，配置所有数字下变频器的交替时间寄存器(SAMPLE_REG)值为0 ；当工作在正交交替联合模式时，每四个数字 下变频器联合工作，形成四个并行数字下变频通道，即1、2、3、4联合为第一个通道，5、6、7、 8联合为第二个通道，9、10、11、12联合为第三个通道，13、14、15、16联合为第四个通道。配 置每个通道中的数字下变频器1、2的数控振荡器NCO输出的正交混频信号间有的相 位偏移，配置数字下变频器3、4的数控振荡器NCO输出的正交混频信号间有π /2的相位偏 移，配置数字下变频器1、2的交替时间寄存器(SAMPLE_REG)值为1，配置数字下变频器3、4 的交替时间寄存器(SAMPLE_REG)值为2。然后，，FPGA控制器5接收来自上位机8的开关矩阵控制命令，对开关矩阵2的输 入输出连接状态进行切换和调整，实现信号采集模块1中的4个信号采集通道与数字下变 频模块3中的数字下变频通道之间相应的配对连接；最后，FPGA逻辑控制电路5对每个数字下变频器内部寄存器中目标参数寄存器进 行配置，使各个数字下变频器按照用户设置工作。在本实施例中，为了使数字下变频模块3中各个通道输出的基带采样数据位宽与 FIFO数据总线位宽相匹配，FPGA数字信号处理电路4将对这些基带数字数据进行相应的位 宽处理，并将其传送至后续FIFO存储器6中进行缓存；在本实施例中，为了解决信号采集模块1的采集数据速率难以同通信接口模块7 数据传输速率相匹配的问题，利用FIFO存储器6作数据缓存，将经过FPGA处理后的基带采 样数据进行存储，然后再由通信接口模块7，发送至上位机8。在实际应用中，用户可根据自身需求选择一个信号采集通道或多个信号采集通 道，选择向多个信号采集通道输入同一数字中频信号或是不同的数字中频信号，选择数字 下变频模块的工作模式以及信号采集通道与数字下变频通道的配对连接关系，以完成特 定功能。比如选择向一路信号采集通道输入某一未知数字中频信号，设置数字下变频模 块工作在窄带并行模式下，调节开关矩阵，使这一信号采集通道与十六个可编程数字下 变频器同时配对连接，并对十六数字下变频器目标参数寄存器进行独立配置，可同时获 得经过十六种不同数字下变频参数处理后的基带信息，极大地提高了对该未知数字中频 信号的检测能力。选择向四路信号采集通道同时输入四路未知数字中频信号，设置数字 下变频模块工作在窄带并行模式下，调节开关矩阵，使四路信号采集通道分别与a、b、c、 d(a+b+c+d^ 16)个数字下变频通道同时配对连接，并对十六数字下变频器目标参数寄存 器进行独立配置，则可同时分别获得经过a、b、c、d种不同数字下变频指标处理后的基带信 息，易于同时检测出该四路未知数字中频信号。选择向一路信号采集通道输入某一已知数字中频信号，或向多路信号采集通道输 入多路已知数字中频信号，设置数字下变频模块3工作在正交联合模式和正交交替联合模 式下时，可对这些输入信号进行2倍和4倍基带处理带宽的数字下变频处理，能够获得更加 丰富的基带信息，有助于用户进行后续数据处理；本发明可以构建成高速实时数据采集系 统，可广泛应用于雷达、通信信号处理等领域。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式
进行了描述，以便于本技术领的技术人 员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式
的范围，对本技术领域的普通技术 人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变 化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
权利要求
一种多通道数字下变频装置，包括一信号采集模块，由m路独立的信号采集通道组成，每路信号采集通道包括模拟信号调理电路和模数转换器，用于对多路模拟中频信号进行调理以及数字化，得到m路采样数据，其中，信号采集通道路数m≥2；其特征在于，还包括一m×n路开关矩阵，其m路输入与信号采集模块输出的m路采样数据连接，用于对m路采样数据进行选择，使任意一路采样数据与开关矩阵n路输出的任何一路或多路连接，其中，开关矩阵输出路数n＝4m；一数字下变频模块，由n个可编程数字下变频器组成，n个可编程数字下变频器的输入分别与开关矩阵n路输出相连，每个可编程数字下变频器对输入到该数字下变频器的采样数据进行正交解调、数字抽取和低通滤波处理；一FPGA控制器，作为主控芯片接收上位机的控制命令，通过命令解析与分发实现三种控制第一，控制数字下变频模块，确定数字下变频模块的工作模式1)、窄带并行模式n个可编程数字下变频器独立并行工作，形成n个数字下变频通道；2)、正交联合模式每两个可编程数字下变频器联合工作，形成n/2个数字下变频通道，同一数字下变频通道中，一数字下变频器输出正交解调后复数数据的实部，而另一数字下变频器输出复数数据的虚部，在这种工作模式下，基带处理带宽是窄带并行模式的2倍；3)、正交交替联合模式每四个可编程数字下变频器联合工作，形成n/4个数字下变频通道，同一数字下变频通道中，两个数字下变频器分别输出偶时间输入信号经正交解调后复数数据的实部和虚部，另外两个数字下变频器分别输出奇时间输入信号经正交解调后复数数据的实部和虚部，在这种工作模式下，基带处理带宽是窄带并行模式的4倍；第二，控制m×n路开关矩阵的输入输出连接状态，进而完成m路信号采集通道与数字下变频通道的配对连接，使其按照不同下变频工作模式进行解调；第三，控制每一个数字下变频器，将数控振荡器的指标参数、数字抽取器的指标参数以及低通滤波器的指标参数写入对应的内部寄存器，使每个数字下变频器独立可编程。
2.根据权利要求1所述的多通道数字下变频装置，其特征在于，所述的内部寄存器包 括目标参数寄存器和交替时间寄存器；目标参数寄存器包括数控振荡器NCO参数寄存器、数字抽取器参数寄存器以及低通滤 波器参数寄存器等，数字下变频器根据这些寄存器的参数值执行相应的数字下变频工作； 交替时间寄存器确定数字下变频器处理的时间序列方式，输入到数字下变频器的数据序列 为f = {x
, x[l], x[2], x[3], x[4], . . . , x[i], . . . }则当交替时间寄存器SAMPLE_REG = 0时，数字下变频器将对该序列进行数字下变频处理；当交替时间寄存器SAMPLE_REG = 1时，数字下变频器将对该序列的偶次项，即对f\ = 刷，χ [2]，χ [4]，χ [6]，χ [8]，· · ·，χ [2i]，· · · }进行数字下变频处理；当SAMPLE_REG = 2时，数字下变频器将对该序列的奇次项，即对f2 = {χ[1], χ[3], χ [5]，χ [7]，χ [9]，. . .，χ [2i+l]，. . . }进行数字下变频处理；当工作在窄带并行模式时，η个数字下变频器独立并行工作，形成η个并行数字下变频 通道，配置每个数字下变频器的交替时间寄存器SAMPLE_REG值为0 ；当工作在正交联合模式时，每两个数字下变频器联合工作，形成η/2个并行数字下变 频通道；配置每个数字下变频通道中的两个数字下变频器的数控振荡器输出的正交混频信 号间有η /2的相位偏移，配置所有数字下变频器的交替时间寄存器SAMPLE_REG值为0 ；当工作在正交交替联合模式时，每四个数字下变频器联合工作，形成四个并行数字下 变频通道；配置每个通道中的前两个数字下变频器的数控振荡器输出的正交混频信号间有 η/2的相位偏移，配置后两个数字下变频器的数控振荡器输出的正交混频信号间有η/2 的相位偏移，配置前两个数字下变频器的交替时间寄存器SAMPLE_REG值为1，配置后两个 数字下变频器的交替时间寄存器SAMPLE_REG值为2。
全文摘要
本发明公开了一种多通道数字下变频装置，包括信号采集模块、m×n路开关矩阵、数字下变频模块、FPGA控制器，FPGA控制器控制第一，控制数字下变频模块，确定数字下变频模块的工作模式窄带并行模式、正交联合模式、正交交替联合模式；第二，控制m×n路开关矩阵的输入输出连接状态，进而完成m路信号采集通道与数字下变频通道的配对连接，使其按照不同下变频工作模式进行解调；第三，控制每一个数字下变频器，将数控振荡器的指标参数、数字抽取器的指标参数以及低通滤波器的指标参数写入对应的内部寄存器，使每个数字下变频器独立可编程。本发明提供的数字下变频装置在同一时刻可以对多路数字中频信号进行多种带宽、多种指标参数的数字下变频处理，实时性能更佳。
文档编号H03D7/16GK101977021SQ20101051604
公开日2011年2月16日 申请日期2010年10月22日 优先权日2010年10月22日
发明者刘涛, 李京桓, 王志刚, 王猛 申请人:电子科技大学