深入解析數(shù)字下變頻與數(shù)字上變頻原理

常規(guī)的外差式無線電接收器已經(jīng)使用了近一個世紀(jì)，如圖所示。我們再次回顧一下模擬接收器的結(jié)構(gòu)，以便于和數(shù)字接收器進行比較。

首先，來自天線的射頻信號被放大，通常射頻部分利用一個調(diào)諧器將感興趣的頻段區(qū)域的信號進行放大。這個放大的射頻信號被送入一個混頻器。來自本振的信號也被送入混頻器，其頻率由無線電的調(diào)諧控制決定?；祛l器將所需的輸入信號轉(zhuǎn)換為中頻，如圖所示。

中頻部分是一個帶通放大器，只允許一個信號或者無線電臺通過。常見的中心頻率是455kHz和10.7MHz，用于商業(yè)的AM和FM廣播。解調(diào)器從幾個不同的方案中選擇一個，將中頻輸出信號還原成初始調(diào)制信號。例如，AM利用包絡(luò)檢波器，F(xiàn)M利用頻率鑒別器。在一個典型的家用收音機中，解調(diào)后的輸出信號被送入到一個音頻功率放大器，驅(qū)動一個揚聲器。 混頻器對兩個輸入信號進行模擬相乘，生成一個差頻信號。通過設(shè)置本振頻率，從而使得本振頻率與想要的輸入信號（你想要接收到的無線電臺）的差值等于中頻。例如，你想接收頻率為100.7MHz的調(diào)頻電臺，中頻為10.7MHz，你需要將本振調(diào)整至：

此過程稱作“下變頻”，因為一個高頻信號通過混頻器下移到低頻率。 中頻部分的作用相當(dāng)于一個窄帶濾波器，只允許被轉(zhuǎn)換后的射頻輸入的一個“片段”通過。中頻部分的帶寬等于你試圖接收到的信號（或者“無線電臺”）的帶寬。 商業(yè)調(diào)頻電臺的帶寬大約為100kHz，調(diào)幅電臺帶寬為5kHz，分別對應(yīng)相應(yīng)的頻道間隔200kHz和10kHz。

軟件無線電接收器

軟件定義的無線電接收器框圖如圖所示。射頻調(diào)諧器將模擬射頻信號轉(zhuǎn)換為模擬中頻，與模擬接收器的前三個階段相同。

接下來，A/D轉(zhuǎn)換器將中頻信號數(shù)字化，從而將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字樣點。這些樣點被送入下一級，即圖中虛線框所示的數(shù)字下變頻（DDC）。數(shù)字下變頻通常是一個單獨的芯片電路或者FPGA的IP核，它是SDR系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。

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數(shù)字下變頻（DDC）

一個常規(guī)的DDC包含三個主要部分：

一個數(shù)字混頻器；

一個數(shù)字本振；

一個FIR低通濾波器。

數(shù)字混頻器和本振將數(shù)字中頻樣點向下轉(zhuǎn)換至基帶。FIR低通濾波器限制了信號帶寬，并作為一個抽取式低通濾波器使用。數(shù)字下變頻使用大量的硬件乘法器、加法器和移位寄存器存儲器來完成這項工作。 然后，數(shù)字基帶樣點被送入到數(shù)字信號處理模塊中，執(zhí)行的任務(wù)諸如解調(diào)、解碼和其它處理任務(wù)。通常，這些需求是通過專門的特定用途的集成電路（ASICs）和可編程的DSPs來處理。 在混頻器的輸出端，來自A/D輸入的高頻寬帶信號（如圖所示）已經(jīng)被下變頻為基帶的復(fù)數(shù)I和Q分量，其頻移等于本振頻率。

這類似于模擬接收器的混頻器，只是這里的混頻是在中頻下完成的。通過在其工作范圍內(nèi)調(diào)整本振，射頻輸入信號的任何部分都能混頻至基帶。實際上，寬帶的射頻信號頻譜能夠圍繞0Hz左右滑動，只需調(diào)整本振即可。請注意，上下邊帶仍是保留的。 由于本振使用的是數(shù)字相位累加器，其具有一些很好的特性。它在頻率之間的切換具有相位連續(xù)性，因此能夠精確地生成FSK信號或者掃頻如圖所示。

頻率的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性完全由A/D時鐘決定，因此它本身與采樣頻率是同步的。由于它完全由數(shù)字邏輯實現(xiàn)，因此不存在老化、漂移或者校準(zhǔn)。

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抽取濾波

由于FIR濾波器的輸出是有限帶寬的，Nyquist定理允許我們降低抽樣率。如果我們只保留N個樣點中的一個，如圖所示，那么我們就將采樣率降低了N倍。

這個過程被稱作抽樣，它意味著每N個信號樣點只保留其中一個。如果抽樣后，輸出的樣點率是輸出帶寬的兩倍，那么就不會有信息丟失。最明顯的好處是抽樣后的信號更容易被處理，能夠以較低的速率傳輸，或者占用的內(nèi)存更少。因此，抽樣能夠明顯減少系統(tǒng)成本。 DDC執(zhí)行了兩個信號處理操作： 1、頻率轉(zhuǎn)換，其調(diào)諧由本振控制； 2、低通濾波，其帶寬由抽樣設(shè)置所控制。

軟件無線電發(fā)射器

接下來，我們將注意力轉(zhuǎn)移到軟件定義的無線電發(fā)射器。SDR系統(tǒng)發(fā)射端的輸入是一個數(shù)字基帶信號，通常是由DSP級生成的，如圖所示。

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數(shù)字上變頻（DUC）

虛線中的數(shù)字硬件框是一個DUC（數(shù)字上變頻），其將基帶信號轉(zhuǎn)換為中頻頻率。緊接著，D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字中頻樣點轉(zhuǎn)換為模擬中頻信號。接下來，射頻信號上變頻將模擬中頻信號轉(zhuǎn)換至射頻頻率。最后，功率放大器提升信號能量后，送入天線。 DUC的內(nèi)部組成如圖所示，右側(cè)的數(shù)字混頻器和本振將基帶樣點信號上變至中頻頻率。中頻轉(zhuǎn)換頻率由本振所決定。

混頻器為其兩個輸入樣點各生成一個輸出樣點。而且，混頻器輸出的采樣頻率必須等于D/A采樣頻率fs。因此，本振的采樣率和基帶的采樣率必須等于D/A采樣頻率fs。本振已經(jīng)以fs的采樣率工作，但是左側(cè)的輸入基帶采樣頻率通常很低。這個問題可以通過插值濾波器解決。

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插值濾波

插值濾波器必須將基帶輸入的采樣頻率fs/N提高到混頻器輸入和D/A輸出所要求的采樣頻率fs。插值濾波器通過一個系數(shù)N提高基帶輸入信號的采樣頻率，該系數(shù)被稱為插值系數(shù)。圖中底部的圖片顯示了插值濾波器在時域中的作用。

注意到，通過在原始輸入樣點的空隙間填入額外的樣點，將基帶信號頻率信息完全地保留了下來。通過插值濾波器執(zhí)行的信號處理操作是我們前面DDC部分討論的抽樣濾波器的逆向操作。數(shù)字上變頻的頻域如圖所示。

本振的設(shè)置與要求的中頻信號頻率相等，就如DDC一樣。數(shù)字下變頻執(zhí)行的兩步處理如圖所示。

利用本振和混頻器，將中頻信號下變至基帶頻率?！罢{(diào)諧旋鈕”代表了本振頻率的可編程性，可以選擇所需的信號下變頻至基帶。通過設(shè)置抽樣系數(shù)N和低通FIR濾波器來設(shè)定基帶信號帶寬：

基帶帶寬方程反映了典型的80%通帶特征，以及(I+Q) 復(fù)數(shù)樣點?！皫捫o”代表了抽樣系數(shù)的可編程性，從而選擇所需的基帶信號帶寬。數(shù)字上變頻執(zhí)行的兩步處理如圖所示。

所需的輸出采樣率與輸入基帶采樣率之間的比值決定了插值系數(shù)N：

同樣，基帶帶寬方程呈現(xiàn)了一個(I+Q)復(fù)數(shù)基帶輸入和80%濾波器?！皫捫o”代表了插值系數(shù)的可編程性，從而選擇所需的輸入基帶信號帶寬。利用本振和混頻器，將基帶頻率上變至中頻?！罢{(diào)諧旋鈕”代表了本振頻率的可編程性，可以選擇所需的中頻頻率，由基帶信號向上變頻。

審核編輯：黃飛

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