CN101640545B

CN101640545B - 一种可编程的射频下变频装置

Info

Publication number: CN101640545B
Application number: CN2009100905915A
Authority: CN
Inventors: 李署坚; 王江浩; 杨文慧; 孙宇明
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2009-08-31
Filing date: 2009-08-31
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2029-08-31
Also published as: CN101640545A

Abstract

本发明公开了一种可编程的射频下变频装置，包括外部时钟、FPGA、PROM、TDM数字调谐器芯片、AGC模块和外部滤波模块；外部时钟为FPGA、PROM和TDM数字调谐器芯片提供其工作时需要的时钟。所述的变频装置能够实现51MHz-858MHz信号的下变频，装置内集成了本地振荡器、SAW滤波器，输出端通过滤波后差分输出中频信号，并在输出之外设置了AGC补偿装置和外部滤波电路，大大改善了信号性能。所述装置具有成本低、信号输出性能高的特点，本发明最大的特点就是采用了专用芯片模块和FPGA编程器件相结合的方法，并且增加的AGC自动增益控制模块和外部滤波模块，保证了信号输出的优良性。

Description

一种可编程的射频下变频装置

技术领域

本发明具体涉及一种可编程的射频下变频装置，属于通信领域。

背景技术

在无线通信中，经常要实现射频信号到中频信号的变换。传统的下变频装置采用大量模拟器件搭建而成，存在抗干扰能力差、可靠性低等缺点，且体积较大，能耗明显，配置后只能实现特定频率的下变频。这些都使其在进一步的应用中受到局限。

随着科技的发展进步，射频下变频装置的技术不断得到更新并日趋成熟。现在，国内外实现数字下变频器主要有三种途径：

(1)采用已有的专用芯片；

(2)自主研制专用芯片；

(3)用DSP或FPGA器件自建平台实现。

在高采样速率的系统中，这三种方法显示出各自的弊端。商用专用芯片要求处理的数据速率较低，且价格昂贵、灵活性不强；自主研制专用芯片，由于成本过高和国内技术条件的限制，在小规模的研发生产中几乎是不可能的；目前，随着DSP器件和FPGA器件技术的发展，自建平台实现数字下变频器成为了可能，但对于小规模的应用，这样难免又增加了设计的复杂度和成本，显得大材小用。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提出一种低成本、可编程的射频下变频装置，所述的变频装置利用可编程器件FPGA(Field-Programmable Gate Array)和TDM(Time Division Multiplex and Multiplexer)数字调谐器芯片来实现射频到中频的下变频操作。变频装置能够实现51MHz-858MHz信号的下变频，装置内集成了高性能的本地振荡器、SAW(Surface Acoustic Wave)滤波器，输出端通过滤波后差分输出中频信号，并在输出之外设置了AGC(Automatic Generation Control)补偿装置和外部滤波电路，大大改善了信号性能。

一种可编程的射频下变频装置，包括FPGA、PROM、TDM数字调谐器芯片、AGC模块和外部滤波模块；外部时钟为FPGA、PROM和TDM数字调谐器芯片提供其工作时需要的时钟；

PROM内部储存设置好的为FPGA进行配置的程序，PROM与FPGA通过串行或总线方式连接；上电后，PROM将内部储存的配置程序下载到FPGA的SDRAM中，FPGA根据SDRAM中的程序完成上电初始化、硬件资源分配、引脚定义，使FPGA实现对TDM数字调谐器模块进行控制的功能；在每次重新上电后PROM中的配置程序将重新下载到FPGA的SDRAM中再次对FPGA进行配置；

FPGA与TDM数字调谐芯片通过I²C总线连接；经过配置完成的FPGA通过I²C总线将产生的控制信号传送给TDM数字调谐芯片，对其进行控制；

TDM数字调谐器芯片内部集成了本地振荡器和低、中、高三个频段的内部SAW滤波器；FPGA通过I²C总线配置TDM数字调谐器芯片，TDM数字调谐器芯片接收由FPGA传输过来的控制信号，初始化内部的本地振荡器，根据输入射频信号的频率范围，对低、中、高三个频段的内部SAW滤波器进行选择，使其与输入射频信号的频率范围相适应；将需要转换的射频信号输入到TDM数字调谐器芯片，射频输入信号与高性能本地振荡器产生的稳定的、低相位噪声的本振信号进行混频，混频后得到中频信号；SAW滤波器将混频后得到的中频信号中的有用成分选出，对无用信号进行衰减和滤除；从而完成了射频输入的下变频变换，SAW滤波器差分输出滤波后的中频信号，中频信号输出至AGC模块和外部滤波模块；

AGC模块通过引脚与TDM调谐器模块连接；在TDM调谐器的引脚处提供一个恒流源，AGC模块接收到TDM数字调谐器芯片输出的中频信号反馈后，完成对射频输入信号及混频后中频信号的限幅或者补偿处理；经AGC模块自动增益补偿后将得到的信号经过TDM数字调谐器芯片输出给外部滤波模块；

外部滤波模块对TDM数字调谐芯片输出的中频信号进行有源滤波，最后得到中频输出。

本发明的优点在于：

(1)该装置成本低。所选用的TDM数字调谐芯片型号为飞利浦TDM1316AL/IHP，该芯片广泛应用于电视机射频接收，市场上容易寻找、价格便宜；

(2)该装置的信号输出性能高。增加的AGC自动增益控制模块和外部滤波模块，保证了信号输出的优良性；

(3)本发明所述装置以较低的成本、灵活的方法，实现了射频下变频变换。本发明最大的特点就是采用了专用芯片模块和FPGA编程器件相结合，从而结合了专用芯片功能强大、性能稳定和FPGA编程灵活性的优点于一身。

附图说明

图1是本发明的一种可编程的射频下变频装置结构示意图；

图2是本发明实施例中AGC模块的电路图；

图3是本发明实施例中外部滤波模块的电路图。

图中：

1-FPGA 2-PROM 3-TDM数字调谐器芯片 4-AGC模块

5-外部滤波模块 6-三极管BG₁ 7-三极管BG₂ 8-电容C₁

9-电阻R₁ 10-电容C₂ 11-电阻R₂ 12-电容C₆

13-三极管BG₅ 14-电阻R₃ 15-电阻R₁₁ 16-电阻R_L

17-外部时钟 18-三极管BG₃ 19-电阻R₄ 20-电阻R₅

21-电阻R₆ 22-电阻R₇ 23-电阻R₈ 24-电阻R₉

25-电阻R₁₀ 26-电容C₃ 27-电容C₄ 28-电容C₅

29-三极管BG₄ 30-二极管D₁ 31-二极管D₂

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明的一种可编程的射频下变频装置，如图1所示，包括外部时钟17、FPGA1、PROM2、TDM数字调谐器芯片3、AGC模块4和外部滤波模块5。外部时钟17为FPGA1、PROM2和TDM数字调谐器芯片3提供其工作时需要的时钟。

PROM2内部储存设置好的为FPGA1进行配置的程序，PROM2与FPGA1通过串行或总线方式连接。上电后，PROM2将内部储存的配置程序下载到FPGA1的SDRAM(Synchronized Dynamic Random Access Memory，同步动态随机存取存储器)中，下载到SDRAM中的程序决定了FPGA1内部各个硬件资源的利用情况。FPGA1根据SDRAM中的程序完成上电初始化、硬件资源分配、引脚定义等配置，使FPGA 1实现对TDM数字调谐器模块3进行控制的功能。因为SDRAM的掉电易失性，所以要将FPGA1的配置程序事先写入PROM2中，以防止掉电后配置程序的丢失，在每次重新上电后PROM2中的配置程序将重新下载到FPGA1的SDRAM中再次对FPGA1进行配置。

FPGA1与TDM数字调谐芯片3通过I²C总线连接。经过配置完成的FPGA1通过I²C总线将产生的控制信号传送给TDM数字调谐芯片3，对其进行控制。这主要包括：控制TDM数字调谐芯片3内部PLL(Phase Locked Loop，锁相环)输出的本振频率，内部工作电流大小和内部滤波器的选择。

TDM数字调谐器芯片3内部集成了高性能本地振荡器和低、中、高三个频段的内部SAW(Surface Acoustic Wave，声表面波)滤波器。FPGA1通过I²C总线配置TDM数字调谐器芯片3，TDM数字调谐器芯片3接收由FPGA1传输过来的控制信号，初始化内部的本地振荡器，根据输入射频信号的频率范围，对低、中、高三个频段的内部SAW滤波器进行选择，使其与输入射频信号的频率范围相适应。

将需要转换的射频信号输入到TDM数字调谐器芯片3，射频输入信号与高性能本地振荡器产生的稳定的、低相位噪声的本振信号进行混频，混频后得到中频信号；SAW滤波器将混频后得到的中频信号中的有用成分选出，对无用信号进行衰减和滤除。从而完成了射频输入的下变频变换，SAW滤波器差分输出滤波后的中频信号，中频信号输出至AGC模块4和外部滤波模块5。

AGC模块4通过引脚与TDM调谐器模块3连接，在TDM调谐器的引脚5处提供一个恒流源，AGC模块4接收到TDM数字调谐器芯片3输出的中频信号反馈后，完成对射频输入信号及混频后中频信号的限幅或者补偿处理。经AGC模块4自动增益补偿后将得到的信号经过TDM数字调谐器芯片3输出给外部滤波模块5。

外部滤波模块5对TDM数字调谐芯片3输出的中频信号进行有源滤波，进一步优化输出的中频信号，最后得到中频输出。

通过更改PROM2中为FPGA配置1的程序，使FPGA1对TDM数字调谐器芯片3发送不同的控制信号，调整TDM数字调谐器芯片3内部本地振荡器的输出频率和不同SAW滤波器的选择，即可实现所述装置的射频输入范围工作在51MHz-858MHz。

实施例：FPGA1选用XILINX公司SPARTAN系列的XC2S15，PROM2选用与FPGA1搭配的XILINX公司XC18V00系列的XC18V512，TDM数字调谐器芯片3选用飞利浦TDM1316AL/IHP芯片。

如图2所示，为本发明的一种AGC模块4的实现电路，包括控制电路和检波电路，所述的控制电路为，三极管BG₁6与电阻R₁9、电容C₁8构成共射极放大电路，将电流I_AGC放大。三极管BG₂7与电阻R₁9、电阻R₂11、电容C₂ 10构成共基极放大电路，可以在很宽的频带工作。电容C₁8两端连接+5V电源，用于给AGC模块4供电，电容C₁8与三极管BG₁6连接的一端接地，电阻R₂11与电容C₂ 10连接的一端接地，电阻R₃ 14连接在三极管BG₁6的基极，电阻R₁ 9为1000Ω，电阻R₂11为100Ω，电阻R₃14为1200Ω。电阻R₃14另外一段连接电压U_AGC的检测电路；

所述的AGC模块4中控制电压U_AGC的检波电路为，三极管BG₃18为门管，发射极偏置电压U_E由电阻R₄19，电阻R₆21分压取得，电容C₃ 26与电阻R₄19并联，并且连接+5V电压，三极管BG₃18集电极连接电阻R₅20，电阻R₅20另一端接地。当三极管BG₃18基极输入电压U_A小于发射极偏置电压U_E，即U_A＜U_E，此时三极管BG₃18由截止状态转为导通状态，在集电极输出倒相的同步脉冲，此脉冲加到由二极管D₁30，电容C₄27组成的峰值检波器。三极管BG₄29为AGC放大管，接成射极跟随器，输入阻抗高进一步提高了检波效率。电容C₅28是滤波电容。电阻R₉24，电阻R₁₀25是受控放大器基极偏置电阻。二极管D₂31为AGC延迟二极管。电容C₃26，电阻R₄19在三极管BG₃18射极引入负反馈补偿，保证检出的U_AGC不会过大。电阻R₇22、电阻R₈23分压后为三极管BG₄29提供射极偏置电压。

电流I_AGC经三极管BG₁6放大后，通过三极管BG₂7就构成了一个宽频带的恒流源，该恒流源产生的电流经由TDM1316AL/IHP(TDM数字调谐器芯片3)的AGC pin5脚注入其内部，完成AGC自动增益控制。

AGC自动增益控制是以反馈为前提条件的，其原理就是，控制电路根据检波电路反馈回来的AGC控制电压U_AGC的幅度，控制TDM1316AL/IHP内部的高频放大器和中频放大器的放大增益产生对应的变化，从而达到自动控制增益的目的，反馈回的U_AGC的优劣程度直接决定了AGC模块4的增益控制性能。

如图3所示，为本发明的一种外部滤波模块5的实现电路，该电路采用了应用晶体三极管的有源滤波形式，三极管BG₅ 13与电阻R₁₁15、电容C₆12、电阻R_L 16构成共基极放大电路，提供了宽频带的滤波效果。TDM1316AL/IHP芯片组成的TDM数字调谐器芯片3输出的滤波后的中频信号输入到外部滤波模块5，经过滤波，最后输出中频输出。实际应用中，在条件允许的情况下，也可以选用简单的RC滤波电路。

工作过程：XC18V512存储预先设定的XC2S15配置程序，XC18V512与XC2S15通过并行数据总线连接，上电后，XC2S15将XC18V512中的程序加载到自身的SDRAM中并完成初始化配置。

XC2S15通过I²C总线，依据程序的配置对TDM1316AL/IHP芯片写入不同的控制字，保证TDM1316AL/IHP选择合适的本地振荡器频率和相应的SAW滤波器，以匹配射频输入信号，从而完成对射频信号的下变频变换；其内部SAW滤波器对信号进行去噪处理，并根据控制命令输出中心频率为36.13MHz、带宽为7MHz或者8MHz的中频信号。

下变频变换后的TDM1316AL/IHP输出的中频信号可能会有增益不够和畸变的情况出现，AGC模块4和外部滤波模块5对下变频的信号输出进行改善，以得到高性能的输出结果。

通过更改XC18V512中的程序，使XC2S15对TDM1316AL/IHP发送不同的控制信号，调整TDM1316AL/IHP内部本地振荡器的输出频率和不同SAW滤波器的选择，即可使该装置的射频输入范围工作在51MHz-858MHz。

Claims

1.一种可编程的射频下变频装置，包括外部时钟，其特征在于：还包括FPGA、PROM、TDM数字调谐器芯片、AGC模块和外部滤波模块；外部时钟为FPGA、PROM和TDM数字调谐器芯片提供其工作时需要的时钟；

FPGA与TDM数字调谐器芯片通过I²C总线连接；经过配置完成的FPGA通过I²C总线将产生的控制信号传送给TDM数字调谐芯片，对其进行控制；

TDM数字调谐器芯片内部集成了本地振荡器和低、中、高三个频段的内部SAW滤波器；FPGA通过I²C总线配置TDM数字调谐器芯片，TDM数字调谐器芯片接收由FPGA传输过来的控制信号，初始化内部的本地振荡器，根据输入射频信号的频率范围，对低、中、高三个频段的内部SAW滤波器进行选择，使其与输入射频信号的频率范围相适应；将需要转换的射频信号输入到TDM数字调谐器芯片，射频输入信号与高性能本地振荡器产生的稳定的、低相位噪声的本振信号进行混频，混频后得到中频信号；SAW滤波器将混频后得到的中频信号中的有用成分选出，对无用信号进行衰减和滤除；从而完成了射频输入的下变频变换，SAW滤波器差分输出滤波后的中频信号，中频信号输出至AGC模块；

AGC模块通过引脚与TDM调谐器模块连接；在TDM调谐器的引脚处提供一个恒流源，AGC模块接收到TDM数字调谐器芯片输出的中频信号反馈后，完成对射频输入信号及混频后中频信号的限幅或者补偿处理；经AGC模块自动增益补偿后得到的信号输出至TDM数字调谐器芯片，TDM数字调谐器芯片将经AGC模块自动增益补偿后得到的信号输出给外部滤波模块；

外部滤波模块对TDM数字调谐芯片输出的经AGC模块自动增益补偿后得到的信号进行有源滤波，最后得到中频输出。

2.根据权利要求1所述的一种可编程的射频下变频装置，其特征在于：通过更改PROM中为FPGA配置的程序，使FPGA对TDM数字调谐器芯片发送不同的控制信号，调整TDM数字调谐器芯片内部本地振荡器的输出频率和不同SAW滤波器的选择，实现所述装置的射频输入范围工作在51MHz-858MHz。