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近年來(lái)，人們對數字正交解調進(jìn)行了一系列的研究，提出了不少方法，其中，數字混頻正交變換法與模擬解調原理一致，是一種比較理想的解調法，同其他方法相比，其精度更高，誤差更小。AD6620是美國ADI公司生產(chǎn)的數字下變頻信號處理器，采用數字混頻正交變換完成數字解調功能，在通信、雷達等電子設備中得到了很好的應用。本文將AD6620成功地應用到超聲頻譜多普勒成像中，完成了其硬件設計和軟件編程。 頻譜多譜勒系統中的正交解調部件 超聲頻譜多普勒系統分為正交解調，距離選通和頻譜分析3個(gè)部件，它們都受一個(gè)CPU控制，需要與該CPU通訊。其中，正交解調部件由一個(gè)數字下變頻器AD6620實(shí)現，它的原理框圖如圖1所示。 接收到的回波信號放大后可表示為： x（t）=A（t）cos[w0t+φ（t）] 把x（t）分成兩路分別與2cosw0t與-2sinw0t相乘，并用低通濾波器濾除其高頻成份，可得上通道的輸出為： VA’（t）= A（t）·cos[w0t+φ（t）]×2cosw0t = A（t）·cosφ（t）+A（t）·cos（2w0t+φ（t）] 低通濾波后的輸出為： VA（t）=A（t）·cosφ（t） 同時(shí)可得下通道的輸出為： VB（t）=A（t）·sinφ（t） 將VA（t）和VB（t）合成復值信號V（t）=VA（t）+jVB（t），就可以進(jìn)行后面的距離選通、頻譜分析等處理。 數字下變頻器 AD6620 AD6620主要有以下特征：16位線(xiàn)性比特補碼輸入（另加3比特指數輸入）；單信道實(shí)數輸入模式最大輸入數據率高達67MSPS，雙信道實(shí)數輸入模式與單信道復數輸入模式最大輸入數據率高達33.5MSPS；具有可編程抽取FIR濾波器與增益控制，抽取率在2-16384之間可編程，具有并行、串行兩種輸出模式，并行模式為16位補碼輸出。 AD6620主要由4個(gè)內部信號處理單元組成，頻譜變換單元、二階固定系數梳狀濾波抽取濾波器（CIC2）單元、五階固定系數梳狀濾波抽取濾波器（CIC5）單元和一個(gè)系數可編程的RAM系數抽取濾波器（RCF）單元。 方案設計 算法設計 在A(yíng)D6620中，輸入信號為14位的數字信號，它分別與兩路32位解調信號cos（2πnf0/fs）和-sin（2πnf0/fs）相乘得到上下兩路輸出，分別為VA’和VB’，保留結果的高18位，然后經(jīng)過(guò)兩級級聯(lián)CIC濾波器抽取濾波，輸出經(jīng)過(guò)低通濾波，最后得到兩路16位輸出信號Vs和Vb。 低通濾波器的設計要綜合考慮信號的能量和信噪比，通帶增寬可以增強信號能量，但也會(huì )增大誤差，阻帶的截止頻率和衰減必須能夠有效地抑制高次諧波和其他高頻噪聲的干擾。本文采用的濾波器的通帶截止頻率為400KHz，阻帶截止頻率為1.2MHz，阻帶衰減大于50dB。 在本系統中，CIC2、CIC5和RCF的抽取率分別為2，4、1。它們的傳遞函數分別為： 值得注意的是：以上傳遞函數所對應的采樣率是不同的，假設AD6620輸入數據的采樣率為25MHz，則HCIC2對應的采樣率為25MHz，HCIC5對應的采樣率為12.5MHz，HRCF對應的采樣率為3.125MHz， 若要得到它們級聯(lián)后總的頻率特性，需要將它們的采樣率統一折算到25MHz。折算后的傳遞函數為： 硬件接口 與CPU接口 CPU采用MCF5206，與CPU接口包括3位地址線(xiàn)CPU_ADDR[2..0]、8位數據線(xiàn)CPU_DB[7..0]、片選線(xiàn)/CPU_CS、讀信號CPU-RD和寫(xiě)信號CPU_WR，其中，CPU的地址線(xiàn)需要先在PLD中完成譯碼后產(chǎn)生3位地址線(xiàn)再送給AD6620，PLD選用Altera公司的ACEX 1K系列的EP1K100QC208-3芯片，由于CPU的工作電壓為5.0V，而AD6620的工作電壓為3.3V,因此CPU的控制信號必須經(jīng)過(guò)電平轉換電路才與AD6620相連，本文采用PI74LCX245作為電平轉換芯片，它還具有控制數據流動(dòng)方向的功能。方向控制信號由CPU的R/#W和片選信號組成。 與距離選通部件的接口 輸出16位數據DATA[5.0]作為距離選通部件的輸入，輸出DV的高電平表示輸出數據有效，低電平表示輸出數據無(wú)效；輸出I/Q在輸出數據有效時(shí)，其高電平表示輸出I數據，低電平表示輸出Q數據，輸出的I、Q兩路數據分時(shí)共用16位數據線(xiàn)，利用DV、I/Q和時(shí)鐘將兩路數據分開(kāi)，這部分電路在PLD中實(shí)現。 軟件設計 AD6620工作參數的配置 AD6620的初始化可以由外部控制單元通過(guò)AD6620的微處理器接口進(jìn)行，完成工作模式，NCO參數、濾波器參數等設置，外部控制單元還可以通過(guò)微處理器接口對AD6620內部寄存器進(jìn)行動(dòng)態(tài)讀寫(xiě)，實(shí)現對AD6620動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)控制，外部控制單元根據AD6620的輸出結果，通過(guò)對AD6620進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，完成輸入/輸出信號幅度，NCO頻率與相位的調整，實(shí)現載波同步以及自動(dòng)增益控制。 AD6620的微處理器接口有兩種模式：MODE0與MODE1，二者可以通過(guò)mode引腳進(jìn)行選擇。 初始化時(shí)如果外部控制單元選擇的時(shí)鐘比AD6620的主時(shí)鐘低，則對時(shí)序的要求較低,外部控制單元與AD6620主時(shí)鐘并不要求同步，如外部控制單元選擇的工作時(shí)鐘比AD6620的主時(shí)鐘高，則對時(shí)序的要求很高，必須注意二者的同步關(guān)系，或者外部控制單元進(jìn)行操作時(shí)要插入一些等待周期。 CPU對AD6620的初始化設置流程 AD6620在開(kāi)始工作前，需要初始化，應用AD6620的關(guān)鍵也是根據所要實(shí)現的功能對其進(jìn)行初始化設置。首先，要使RESET引腳有效，保持至少30ns的低電平后變?yōu)楦唠娖�，這樣，就完成了對AD6620的硬啟動(dòng)，然后，CPU就可以對AD66620的內部寄存器進(jìn)行初始化配置，采用前文所述算法，初始化設置流程如下： （1）首先，令模式控制寄存器（0X300）的0位為1，使AD6620處于SOFT_RESET狀態(tài)，這時(shí)可以對寄存器編程，配置完成后，再令0X300的0位為0，使AD6620脫離SOFT_RESET狀態(tài)，這時(shí)AD6620才開(kāi)始工作，在整個(gè)編程過(guò)程中,應使AD6620初始處于SOFT_MESET狀態(tài)，也就是0X300的0位應始終為1； （2）設置AD6620濾波器的8個(gè)系數RAM，數據為20位補碼，地址為0x000-0x007，對應數據分別為0x00838，0xE5374、0x10803、0x7FFFF、0x7FFFF、0x10803、0xE5374和0x00838； （3）將地址為0x100-0x107的8個(gè)36位RCF數據RAM全部清零； （4）將地址為0x301的8位寄存器寫(xiě)為0x06； （5）將地址為0x302的32位寄存器寫(xiě)為0xFFFFFFFF； （6）將地址為0x303的32位寄存器寫(xiě)為0x248E8A72； （7）將地址為0x304的16位寄存器寫(xiě)為0x0000； （8）將地址為0x305-0x30D的9個(gè)8位寄存器分別寫(xiě)為0x00、0x01、0x05、0x03、0x07、0x00、0x00、0x07和0x00。 （9）將地址為0x300的8位寄存器寫(xiě)為0x00。 以上配置完成后，AD6620即可開(kāi)始工作。 實(shí)驗結果 將兩個(gè)頻率分別為3.125MHz和1.5625MHz的正弦信號疊加，作為AD6620的輸入信號： x=（213-1）·[sin（2π×3.125×n/25+sin（2π×1.5625×n/25）]×8191/13983，n=0，…，255； 采樣率為25MHz，共取256個(gè)點(diǎn)，可以發(fā)現，這256個(gè)點(diǎn)中每16個(gè)為一個(gè)周期，共16個(gè)周期，這16個(gè)點(diǎn)為：0，5229，8191，7826，4798，1040，-1405,0,1557，1405,-1040，-4798，-7826，-8191,-5229。將該256個(gè)點(diǎn)放在ROM中,作為測試的輸入數據，并使AD6620中NCO的解調頻率為3MHz。 用邏輯分析儀將輸入、輸出采下，將經(jīng)AD6620作正交解調、濾波后，輸出的兩路1，Q信號分別處理后如圖2所示，從圖2中可以看出,這兩路輸出信號為同頻率的嚴格正交的單頻正弦信號，將這兩路信號合成為一個(gè)復信號，其功率譜如圖3所示，可見(jiàn)，該信號的頻率為0.125MHz，恰好等于3.125MHz減去3MHz，而輸入信號中頻率為1.5625MHz的成分經(jīng)解調、濾波后，已被濾除。 結語(yǔ) 本文將廣泛應用于通信領(lǐng)域的數字下變頻器AD6620成功地應用到超聲頻譜多普勒成像中，完成了其硬件設計和軟件編程，不但實(shí)現了正交解調功能，而且大大地提高了系統的靈活性和開(kāi)放性，簡(jiǎn)化了設計開(kāi)發(fā)過(guò)程。 |
