數(shù)字下變頻是一種廣泛用于數(shù)字無(wú)線電接收機(jī)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)。本文將回顧數(shù)字下變頻器 (DDC) 的基礎(chǔ)知識(shí)。我們將首先了解使用 DDC 而不是其模擬對(duì)應(yīng)物的優(yōu)點(diǎn)。然后，我們將討論一個(gè)示例并探討 DDC 的基本操作。
　　為了了解使用 DDC 的優(yōu)點(diǎn)，我們首先回顧一下傳統(tǒng)的雙下變頻接收器并檢查其缺點(diǎn)?；镜碾p下變頻接收器如圖 1 所示。如您所見，在模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化之前，有幾個(gè)模擬模塊。
　　　　圖 1. 單擊放大。　　
　　以下部分回顧了上述接收器中使用的每個(gè)塊的基本功能。如果您熟悉射頻工程的基礎(chǔ)知識(shí)，可以閱讀下一節(jié)來(lái)刷新您的知識(shí)；否則，您可能需要先閱讀 AAC 的RF 教科書中的一些頁(yè)面。
　　基本雙下變頻接收器
　　在圖 1 的接收器中，第一個(gè)帶通濾波器 BPF1 為第一個(gè)混頻器（圖中標(biāo)記為“RF 混頻器”）執(zhí)行鏡像抑制。它還可以部分抑制天線拾取的干擾源。這放寬了低噪聲放大器 (LNA) 的線性要求。
　　帶通濾波器的輸出由 LNA 放大。與所需信號(hào)相比，這種放大使得后續(xù)級(jí)產(chǎn)生的噪聲相對(duì)較小。這樣，接收器對(duì) LNA 之后級(jí)的噪聲變得不那么敏感。
　　然后，節(jié)點(diǎn) B 處的放大信號(hào)通過 RF 混頻器下變頻至中頻$$f_{IF}$$。
　　現(xiàn)在所需信號(hào)已下變頻至較低頻率，我們可以更輕松地構(gòu)建相對(duì)高 Q 值的濾波器 BPF2，并部分執(zhí)行通道選擇。請(qǐng)注意，由于接收器的雙下變頻結(jié)構(gòu)，第一個(gè)混頻器$$f_{IF}$$的中頻可以相對(duì)較高。這放寬了 BPF1 的要求。
　　接下來(lái)，信號(hào)通過由振蕩器 2 驅(qū)動(dòng)的正交混頻器（見圖 1）。振蕩器 2 的頻率等于 $$f_{IF}$$，因此所需頻段的中心頻率將轉(zhuǎn)換為 DC。這意味著中頻混頻器不需要鏡像抑制濾波器。
　　接下來(lái)，我們通過基帶低通濾波器 (LPF) 進(jìn)行通道選擇，最后，ADC 將所需信號(hào)數(shù)字化，結(jié)果將由數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 進(jìn)一步處理。DSP引擎將執(zhí)行均衡、解調(diào)和通道解碼等操作。
　　傳統(tǒng)無(wú)線電接收器的缺點(diǎn)及解決方案
　　我們可以考慮圖 1 中所示的雙下變頻接收器的三個(gè)主要限制：
　　兩條基帶路徑必須高度匹配。藍(lán)色路徑中的 IF 混頻器、LPF 和 ADC 必須與綠色路徑中的相應(yīng)組件匹配。
　　模擬濾波器會(huì)引入相位失真。
　　ADC 注入一個(gè)無(wú)法輕易從所需信息中刪除的直流項(xiàng)。請(qǐng)注意，圖 1 的 IF 混頻器將所需通道的中心頻率轉(zhuǎn)換為 DC，其中 ADC 可以注入誤差項(xiàng)。該 ADC 偏移可由其構(gòu)建模塊（例如放大器和比較器）的偏移產(chǎn)生。即使零信號(hào)施加到 ADC 時(shí)，偏移項(xiàng)也會(huì)產(chǎn)生非零數(shù)字代碼。這對(duì)于以極低頻率傳遞信息的系統(tǒng)非常重要。
　　我們可以彌補(bǔ)接收器 DSP 部分的這些缺陷；然而，更好的解決方案是將 A/D 轉(zhuǎn)換器放在接收器鏈中的正交混頻器之前。如圖 2 所示。
　　　　圖 2. 單擊放大?！　?br>　　正如您所看到的，現(xiàn)在 A/D 轉(zhuǎn)換發(fā)生在中頻而不是基帶。這意味著 ADC 必須以更高的采樣率運(yùn)行。如圖所示，ADC之后的模塊都在數(shù)字域中操作。例如，圖2中振蕩器2的輸出實(shí)際上是與正弦和余弦信號(hào)對(duì)應(yīng)的數(shù)字值。為了實(shí)現(xiàn)振蕩器 2，我們通常使用直接數(shù)字合成器(DDS)。第二次下變頻是使用兩個(gè)數(shù)字乘法器執(zhí)行的，LPF 是數(shù)字濾波器。
　　如上所述，采用圖 2 的結(jié)構(gòu)，ADC 將必須以更高的采樣率運(yùn)行。這可能被認(rèn)為是一個(gè)缺點(diǎn)，但 DDC 方法也提供了顯著的優(yōu)點(diǎn)：
　　現(xiàn)在，中頻混頻器和低通濾波器都是數(shù)字電路。因此，由模擬組件之間的不匹配引起的不平衡相關(guān)失真已被消除。
　　與模擬域不同，我們可以輕松設(shè)計(jì)線性相位數(shù)字濾波器。
　　在信號(hào)通過 IF 混頻器之前，數(shù)字濾波器可以輕松去除由 ADC 注入的 DC 項(xiàng)（ 示例請(qǐng)參見《無(wú)線通信和廣播中的數(shù)字前端》第 12 章）。
　　請(qǐng)注意，雖然圖 2 中的正交混頻器和 LPF 位于接收器 DSP 引擎之外，但我們當(dāng)然可以在系統(tǒng)的 DSP 平臺(tái)內(nèi)實(shí)現(xiàn)這些模塊。此外，在基帶 LPF 之后，我們可以顯著降低采樣率，而不會(huì)丟失所需的信息（有關(guān)更多信息，請(qǐng)參閱我關(guān)于 多速率 DSP 及其在 A/D 轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用的文章 ）。因此，我們可以重新繪制圖 2 虛線框內(nèi)的電路，如圖 3 所示。該塊稱為數(shù)字下變頻器或 DDC。
　　　　圖3
　　數(shù)字下變頻
　　假設(shè)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后，所需信號(hào)的頻譜如圖 4 所示。
　　　　圖4　
　　所需信號(hào)的中心頻率為 110 MHz，帶寬為 4 MHz（該圖顯示了正頻率和負(fù)頻率）。此外，我們假設(shè) ADC 以 440 MSPS（每秒兆樣本）的速率生成樣本。DDC 將如何處理該輸入？
　　DDC 使用的 DDS 將生成 110 MHz 正弦和余弦信號(hào)。每個(gè)正弦和余弦函數(shù)都會(huì)產(chǎn)生 $$\pm 110$$ MHz 的脈沖。由于時(shí)域中的乘法對(duì)應(yīng)于頻域中的卷積，因此我們將得到圖 3 中節(jié)點(diǎn) A 和 B 的頻譜，如圖 5 所示。
　　
　　　　　正如您所看到的，$$\pm 110$$ MHz 的頻移已將圖 4 的藍(lán)色頻譜轉(zhuǎn)換為 220 MHz 和 DC。同樣，綠色頻譜移至 DC 和 -220 MHz。我們能夠?qū)?jié)點(diǎn) A 和 B 使用一張圖，因?yàn)檫@兩個(gè)節(jié)點(diǎn)具有相同的幅度特性，并且圖 5 僅傳達(dá)了幅度譜。節(jié)點(diǎn) A 的相位譜將不同于節(jié)點(diǎn) B 的相位譜。
　　在圖 5 中，請(qǐng)注意，下變頻后信號(hào)邊帶在 DC 周圍重疊?？紤]到這種重疊，我們可以僅使用以 DC 為中心的頻譜部分來(lái)恢復(fù)所需的信息嗎？我們可以; 我們使用正交混合，它生成兩個(gè)相同的幅度譜，但也生成兩個(gè)不同的相位譜，并且重疊區(qū)域的相位譜使我們能夠恢復(fù)原始信息。由于這種重疊不是問題，因此高于 2 MHz 的頻率分量不能提供任何必要的信息，因此我們可以在數(shù)字混頻器之后放置一個(gè) LPF，以僅保留低于 2 MHz 的頻率分量。這種低通濾波在圖 3 中描繪為單級(jí)濾波器，通常作為兩級(jí)濾波器實(shí)現(xiàn)，如圖 6 所示。
　　
　　　
　　第一級(jí) LPF1 可設(shè)計(jì)為消除以 220 MHz 為中心的高頻分量。為此，我們需要一個(gè)通帶延伸至約 2 MHz 且阻帶從約 218 MHz 開始的 LPF。該濾波操作有時(shí)稱為對(duì) DDS 創(chuàng)建的圖像信號(hào)進(jìn)行濾波。
　　第二級(jí) LPF2 消除了 2 MHz 至 218 MHz 之間的任何不需要的頻率分量。經(jīng)過 LPF2 后，信號(hào)不包含超出預(yù)期信息帶寬（即 2 MHz）的頻率分量，但我們?nèi)匀皇褂?440 MSPS 來(lái)表示該信號(hào)。因此，我們可以應(yīng)用下采樣概念來(lái)降低采樣率。
　　更有效的實(shí)現(xiàn)是將 LPF2 分解為級(jí)聯(lián)階段，并在每個(gè)階段之后執(zhí)行部分整體下采樣。同樣，有關(guān) DDC 的 FPGA 實(shí)現(xiàn)的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)閱讀我上面提到的書的第 12 章。
　　結(jié)論
　　在本文中，我們研究了使用 DDC 的好處。我們看到 DDC 可以提高基本雙下變頻接收器的性能：它可以消除模擬 IF 混頻器產(chǎn)生的不平衡相關(guān)失真，并避免模擬濾波器產(chǎn)生的相位失真。DDC 之后，采樣率顯著降低，我們可以更有效地實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步處理數(shù)據(jù)的 DSP 例程。