The Application of ICS554 in the Software High-Frequency Radar
Abstract：At present, the component performance is the main limiting factor of realizing ideal software radio, with the development of microelectronics technology and large-scale integrated circuit, practical software radio is marching gradually towards idealization. This article introduced the structure and the characteristic of the digital receiver ICS554. Giving its application example in the software high frequency radar system, including the system hardware schematic diagram, the digital receiver module software design concept and the work flow chart. And has tested its performance, the actual result indicated that this digital receiver works stably, its performance is good, at present it has already applied in the software high frequency radar system.
Keywords：Software Radio;  ICS554;  ADC;  DDC;  High-Frequency Radar
摘 要：目前，器件性能是实现理想软件无线电的主要限制因素，随着微电子技术及大规模集成电路的发展，实用软件无线电正向理想化逐步迈进。本文介绍了数字接收机ICS554的结构及特点。给出了其在软件高频雷达系统中的应用实例，其中包括系统硬件原理图，数字接收机模块的软件设计思想及其工作流程图。并且测试了其性能，实测结果表明该数字接收机工作稳定、性能良好，目前已经应用于软件高频雷达系统之中。
关键词：软件无线电；ICS554；模数转换；数字下变频；高频雷达

自从20世纪90年代初Joseph Mitola提出软件无线电的概念以来，软件无线电得到了迅速发展，其研究涵盖了从硬件到软件，从军用到民用各个方面[1]。软件无线电的思想应用于雷达，称之为“软件雷达”[2]。，高频雷达由于其特殊的工作波段(3MHz~30MHz)，非常适合于软件无线电技术的应用。软件高频雷达[3]是运用软件无线电的思路构造出来的雷达系统，它摒弃了功能单一、结构复杂的传统模式，硬件上采用现代最新数字技术和器件的数字设备，并可充分利用软件来进行重构，通过改变雷达软件来提高雷达性能。
软件无线电核心思想之一是使宽带A/D和 D/A尽可能靠近射频端。ADC器件在软件无线电中所处的位置非常关键，它直接反映了软件无线电的软件化程度。软件高频雷达对A/D变换器的主要要求是足够的信号带宽和大的动态范围，输入的信号带宽应当覆盖高频雷达的最高工作载频，动态范围应能够满足在宽带强干扰背景下对弱小回波信号的线性变换的要求。随着A/D及DSP器件性能的提高，目前，在短波频段内对信号进行直接射频数字化已经不存在问题[4]。ICS公司的ICS554可以满足上述要求，其最大的特点是可以直接对高频波段射频数字化，实现了真正意义上的全数字化软件高频雷达。
1 数字接收机ICS554的结构及特点
数字接收机ICS554[5,6]是A/D和数字下变频(DDC)集成化的产品。其组成如图1所示，它主要包括4个独立的14bit/105MHz模/数变换器AD6645、4个正交下变频器(QDDC)GC4016、1个100万门的用户可编程FPGA、2个512kB的FIFO和1个PCI接口芯片QL5064。其中，AD6645的输入信号带宽可达50kHz~200MHz，最大无虚假动态范围(SFDR)为92dBc(10MHz±50kHz)，每个GC4016内部包括4个独立的DDC通道，每个通道都可独立控制其本振频率和初始相位，频率分辨优于24mHz，全频段的覆盖使得每个GC4016共享共同的射频前端与AD转换器，大容量的FIFO用于缓冲输出数据，FPGA则可用于对输出信号进行初步处理。
 

数字接收机ICS554具有较高的稳定性，优异的非线性以及正交等系统特性，并且可根据需要通过软件设置其工作参数，灵活性比较强。ICS554的可编程控制参数可以通过配置不同的寄存器来完成，其关键的工作参数介绍如下：
1.1 时钟、触发、同步源
ICS554的采样时钟和触发源有内、外两种选择。内时钟固定为100MHz，外时钟为30~105MHz。同步源有主、从两种模式，当ICS554为单板工作时，必须设置其工作在主控(master)模式。多个板子工作时，只能有一个ICS554板子作为主控模式，其它板子设置为从属(slave)模式。
1.2 操作模式
ICS554有连续和捕获两种操作模式。连续模式下，数据在触发作用下连续转换进入相应的FIFO；捕获模式下，每触发一次，一定数目的采样进入到相应FIFO中。在这两种操作模式下，若允许中断，当FIFO中数据长度达到近饱和时，将会产生中断并读出FIFO中的数据。在捕获模式下，近饱和数据设置长度应为单次触发采样数的整数倍。
1.3 抽选率
每个下变频通道的总抽选率为CIC、CFIR、PFIR滤波器的抽选率之积。其中，CFIR抽选率为2，PFIR抽选率在复数输出时为2，实数输出时为1。若CIC抽选率为N，则各通道总抽选率D在复数输出时为4N，实数输出时为2N。输入到同一FIFO中的所有通道的抽选率必须相同，输出数据速率Fo=Fs/D，Fs为采样时钟。
1.4 下变频通道工作模式
当使用下变频功能时，ICS554有以下5种工作模式：
(1) 16通道窄带模式：实信号输入，实信号或复信号输出。可构成16个独立的DDC通道，1~8通道输出到FIFO1，9~16通道输出到FIFO2。各通道总抽选率为[32,16384]，其中积分梳状(CIC)抽选率为[8,4096]。
(2) 8通道分裂I/Q模式：实信号输入，实信号或复信号输出。相邻的两个DDC通道合并为一个复数通道，使输出带宽加倍，通道1输出复数数据的实部，通道2输出虚部。每通道总抽选率为[16,8192]，CIC抽选率为[4,2048]。
(3) 4通道宽带模式：实信号输入，实信号或复信号输出。相邻的四个DDC通道(即一个DDC芯片)合并为一个复数通道，通道1和通道2分别输出偶时间采样的实部和虚部，通道3和通道4分别输出奇时间采样的实部和虚部。每通道总抽选率为[8,4094]，CIC抽选率为[4,2048]，此时PFIR滤波器不抽选信号。
(4) 8通道复模式：复信号输入，复信号输出。相邻的两个DDC通道合并为一个复数通道，分别处理输入复数信号的实部和虚部。各通道总抽选率为[32,16384]，CIC抽选率为[8,4096]。ICS554提供高达八个复数输入通道，上四个通道输出到FIFO1，下四个通道输出到FIFO2。该模式下，输出数据在FIFO中排列格式与8通道分裂I/Q模式相同。
(5) 4通道分裂I/Q复模式：复信号输入，复信号输出。相邻的四个DDC通道合并为一个复数通道，通道1和通道4用来处理复数输入的实部，通道2和通道3用来处理虚部。各通道总抽选率为[16,8192]，CIC抽选率为[4,2048]。ICS554提供多达四个复数输入通道，上两个通道输入至FIFO1，下两个通道输入至FIFO2。其输出数据在FIFO中排列格式与4通道宽带模式一样。
1.5 增益设置
每个下变频通道的增益有CIC，Coarse，CFIR，PFIR，Final, Resample和Final Shift七部分组成，可以通过设置寄存器的相应位或者增益函数来配置增益值。在不同工作模式下，应当按照不同要求对各增益进行正确配置。
2  ICS554在软件高频雷达中的应用
2.1 系统原理图
基于ICS554的软件高频雷达系统组成如图2所示。其中，数字接收机ICS554的主要功能是输入数字化的射频接收信号，依次完成下变频、正交变换、低通滤波和降采样，最后输出零中频正交基带信号。
 

2.2 ICS554软件设计
硬件平台确定的前提下，软件高频雷达的关键是软件系统的设计，其具体功能的实现完全由软件定义。结合系统要求，数字接收机ICS554模块的软件设计采用了C++类的方法实现，充分利用类的“封装”特性，将本模块的内部控制与外部隔绝，以便于软件的更新、扩展和维护。具体而言，该模块的设计实现了系统控制模块提出的以下类型的接口功能：参数配置(调谐频率、相位等)、状态控制(启动、停止、复位等)、状态查询(设备状态自检、状态信息反馈等)。此外，基于系统软硬件保护考虑，该软件设计还提供了相应的保护措施。
下面以“启动”子模块为例，说明“启动”ICS554的工作流程。使用ICS554工作时，首先对ICS554工作时所选择的时钟、触发源进行相应跳线配置；然后严格按照图3所示的工作流程对ICS554中的各个寄存器进行软件配置，若选择内触发，使内触发有效，否则等待外触发信号。

2.3  ICS554测试
在硬件配置正确的前提下，需要对软件设计进行测试。此处测试均为ICS554单板测试，故同步源应设置为Master形式。ICS554参数设置：16通道窄带模式、内时钟100MHz、CIC抽选率200、复数输出、CFIR滤波器带宽80%、PFIR滤波器带宽80%、单触发捕获、本振频率2MHz，各通道保存4096个数据点。输入信号：正弦波，频率2.05MHz，幅度-16.02dBm。
将各通道数据保存为*.dat文件，以下变频通道2的数据为例分析，根据输出复数数据在FIFO中的排列格式，采用与数据等长的汉宁窗处理数据，结果如图4所示。
 

系统时钟100MHz，总抽选率800，则系统对下变频信号的采样率为125kHz，而数字下变频后的信号频率为50kHz，根据Nyquist采样定理，使用125kHz的采样率对50kHz的信号进行采样，应当能够不失真地恢复原信号，即信号应当出现在50kHz处。如图4所示，信号点出现在50.0183kHz处，这与理论分析结果基本一致。除此，还对ICS554的4通道宽带模式、8通道分裂I/Q模式、ICS554的主要性能指标(SFDR、幅相一致性)以及状态控制子模块(停止、复位、状态查询等) 进行了初步测试，测试结果良好，且通过了与系统总控台的联调。             
3 结论
实验表明，基于ICS554的数字化接收系统充分利用了片内丰富的高性能集成器件，不仅降低了设备的复杂程度和成本，而且大大提高了设备的稳定性、可靠性、灵活性和整体性能，这对新体制雷达的研究、探索及工程实现具有非常重要的意义，具有广阔的应用前景。
参考文献
1 J. Mitola III, Software Radios Survey, Critical Evaluation and Future Direction [J]. IEEE. No.13, pp15~23, 1992
2 杨小牛，楼才义等. 软件无线电原理与应用[M]. 北京：电子工业出版社. 2001
3 张宁等. 软件高频雷达总体技术方案. 哈尔滨工业大学电子工程技术研究所. 2004
4. 刘世刚，葛临东等. 一种短波数字接收机模拟前端设计方案. 微计算机信息. 北京：微计算机信息，2005.11
5 ICS Ltd. ICS-554 User’s Manual. Http://www.ics-ltd.com
6 ICS Ltd. ICS-554 Operating Manual. Http://www.ics-ltd.com

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