深入解析數字下變頻與數字上變頻原理

常規的外差式無(wú)線(xiàn)電接收器已經(jīng)使用了近一個(gè)世紀，如圖所示。我們再次回顧一下模擬接收器的結構，以便于和數字接收器進(jìn)行比較。

首先，來(lái)自天線(xiàn)的射頻信號被放大，通常射頻部分利用一個(gè)調諧器將感興趣的頻段區域的信號進(jìn)行放大。這個(gè)放大的射頻信號被送入一個(gè)混頻器。來(lái)自本振的信號也被送入混頻器，其頻率由無(wú)線(xiàn)電的調諧控制決定?；祛l器將所需的輸入信號轉換為中頻，如圖所示。

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

此過(guò)程稱(chēng)作“下變頻”，因為一個(gè)高頻信號通過(guò)混頻器下移到低頻率。 中頻部分的作用相當于一個(gè)窄帶濾波器，只允許被轉換后的射頻輸入的一個(gè)“片段”通過(guò)。中頻部分的帶寬等于你試圖接收到的信號（或者“無(wú)線(xiàn)電臺”）的帶寬。 商業(yè)調頻電臺的帶寬大約為100kHz，調幅電臺帶寬為5kHz，分別對應相應的頻道間隔200kHz和10kHz。

軟件無(wú)線(xiàn)電接收器

軟件定義的無(wú)線(xiàn)電接收器框圖如圖所示。射頻調諧器將模擬射頻信號轉換為模擬中頻，與模擬接收器的前三個(gè)階段相同。

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

01

數字下變頻（DDC）

一個(gè)常規的DDC包含三個(gè)主要部分：

一個(gè)數字混頻器；

一個(gè)數字本振；

一個(gè)FIR低通濾波器。

數字混頻器和本振將數字中頻樣點(diǎn)向下轉換至基帶。FIR低通濾波器限制了信號帶寬，并作為一個(gè)抽取式低通濾波器使用。數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(lái)完成這項工作。 然后，數字基帶樣點(diǎn)被送入到數字信號處理模塊中，執行的任務(wù)諸如解調、解碼和其它處理任務(wù)。通常，這些需求是通過(guò)專(zhuān)門(mén)的特定用途的集成電路（ASICs）和可編程的DSPs來(lái)處理。 在混頻器的輸出端，來(lái)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數I和Q分量，其頻移等于本振頻率。

這類(lèi)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(guò)在其工作范圍內調整本振，射頻輸入信號的任何部分都能混頻至基帶。實(shí)際上，寬帶的射頻信號頻譜能夠圍繞0Hz左右滑動(dòng)，只需調整本振即可。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。

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

02

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(gè)樣點(diǎn)中的一個(gè)，如圖所示，那么我們就將采樣率降低了N倍。

這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)作抽樣，它意味著(zhù)每N個(gè)信號樣點(diǎn)只保留其中一個(gè)。如果抽樣后，輸出的樣點(diǎn)率是輸出帶寬的兩倍，那么就不會(huì )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，或者占用的內存更少。因此，抽樣能夠明顯減少系統成本。 DDC執行了兩個(gè)信號處理操作： 1、頻率轉換，其調諧由本振控制； 2、低通濾波，其帶寬由抽樣設置所控制。

軟件無(wú)線(xiàn)電發(fā)射器

接下來(lái)，我們將注意力轉移到軟件定義的無(wú)線(xiàn)電發(fā)射器。SDR系統發(fā)射端的輸入是一個(gè)數字基帶信號，通常是由DSP級生成的，如圖所示。

01

數字上變頻（DUC）

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

混頻器為其兩個(gè)輸入樣點(diǎn)各生成一個(gè)輸出樣點(diǎn)。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，但是左側的輸入基帶采樣頻率通常很低。這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)插值濾波器解決。

02

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(guò)一個(gè)系數N提高基帶輸入信號的采樣頻率，該系數被稱(chēng)為插值系數。圖中底部的圖片顯示了插值濾波器在時(shí)域中的作用。

注意到，通過(guò)在原始輸入樣點(diǎn)的空隙間填入額外的樣點(diǎn)，將基帶信號頻率信息完全地保留了下來(lái)。通過(guò)插值濾波器執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。數字上變頻的頻域如圖所示。

本振的設置與要求的中頻信號頻率相等，就如DDC一樣。數字下變頻執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{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(guò)設置抽樣系數N和低通FIR濾波器來(lái)設定基帶信號帶寬：

基帶帶寬方程反映了典型的80%通帶特征，以及(I+Q) 復數樣點(diǎn)?！皫捫o”代表了抽樣系數的可編程性，從而選擇所需的基帶信號帶寬。數字上變頻執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N：

同樣，基帶帶寬方程呈現了一個(gè)(I+Q)復數基帶輸入和80%濾波器?！皫捫o”代表了插值系數的可編程性，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{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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