在無線通信系統(tǒng)中，我們經(jīng)常在說基帶、中頻、射頻、天線等物理底層，本文簡單介紹中射頻部分的數(shù)字變頻。

數(shù)字轉(zhuǎn)換是許多數(shù)字無線電系統(tǒng)的基本組成部分，包括在發(fā)射機將離散基帶信號流上轉(zhuǎn)換為高分辨率無線電信號，在接收機將高分辨率無線電信號下轉(zhuǎn)換回基帶信號。

在本文中，將介紹數(shù)字轉(zhuǎn)換(模擬到數(shù)字和數(shù)字到模擬)的基礎(chǔ)知識，數(shù)字上變頻器(DUC)和數(shù)字下變頻器(DDC)在中頻(IF)和基帶之間轉(zhuǎn)換的功能。

在通信系統(tǒng)中，DDC和DUC是射頻前端（DFE)中的重要組成部分。圖1示出了一個超外差架構(gòu)的數(shù)字無線電收發(fā)器示例。這是一個雙級轉(zhuǎn)換架構(gòu)，其中，在第一階段，射頻(RF)信號被下轉(zhuǎn)換為中頻(IF)，然后，在第二階段，它被從中頻轉(zhuǎn)換為基帶信號。如圖所示，射頻、中頻和基帶部分的硬件部分是由軟件控制和可重構(gòu)的。這種無線電收發(fā)器架構(gòu)被稱為軟件定義無線電(SDR)。

圖1 SDR框圖

在提出的SDR架構(gòu)中，射頻前端(也稱為模擬前端)是唯一的模擬部分，它包括混頻器、低噪聲放大器(LNA)、功率放大器(PA)、射頻合并器、帶通濾波器(抗混疊)和天線。射頻前端負(fù)責(zé)射頻和中頻之間的轉(zhuǎn)換，并發(fā)送/接收射頻信號。一些先進的射頻前端允許通過軟件進行一定程度的可控性，例如頻率調(diào)諧。

SDR體系結(jié)構(gòu)的其他部分都是數(shù)字處理組件。在中頻部分，中頻載波的采樣和分離以及上/下頻率到基帶的轉(zhuǎn)換由通常在FPGA中實現(xiàn)的數(shù)字中頻處理來完成。以接收路徑為例;中頻信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)數(shù)字化，通過數(shù)字中頻處理轉(zhuǎn)換為基帶信號。數(shù)字中頻處理執(zhí)行DDC操作，如數(shù)字合成、數(shù)字NCO、數(shù)字混頻器、I/Q解調(diào)、多速率抽取濾波。類似地，它以與DDC相反的順序執(zhí)行DUC?，F(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)等數(shù)字系統(tǒng)通常用于執(zhí)行中頻到基帶轉(zhuǎn)換，因為它們能夠處理由于高速采樣和數(shù)字轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的嚴(yán)格實時約束。最后，在SDR體系結(jié)構(gòu)的后端，基帶進程主要完成符號時序恢復(fù)、均衡、調(diào)制、信道編碼等數(shù)字通信功能。這些函數(shù)通常由數(shù)字信號處理器(DSP)計算，實時約束稍松。

SDR體系結(jié)構(gòu)傾向于利用通用數(shù)字系統(tǒng)。在SDR中利用FPGA和DSP將允許在接收器上生成發(fā)射信號和調(diào)諧/檢測接收到的無線電信號，通過軟件進行數(shù)字操作，而不是傳統(tǒng)的模擬信號通過單個硬件組件執(zhí)行特定功能的方法。軟件定義的無線電系統(tǒng)提供了可編程性、可重構(gòu)性和可定義性的極大擴展。SDR的目標(biāo)是實現(xiàn)一個靈活、通用和多標(biāo)準(zhǔn)的無線電系統(tǒng)。

在無線通信中，奈奎斯特采樣定理是DSP中一個被廣泛討論的話題，它指出采樣頻率Fs必須大于或等于信號最高頻率分量的兩倍(即)。小于奈奎斯特采樣率規(guī)定的采樣率會導(dǎo)致折疊或“混疊”效應(yīng)，在這種情況下，如果需要，原始信號不能準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換回模擬信號。這種將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字域的方法稱為低通采樣。如圖2所示。

圖2 低通采樣

低通采樣可能不適用于某些應(yīng)用，例如通信系統(tǒng)。這是因為窄帶信號的帶寬B與信號的上下帶邊頻率(和)相比通常非常小，特別是在數(shù)字處理硬件無法處理如此高采樣率的數(shù)據(jù)處理的情況下，以的速率使用低通采樣是不實際的。

帶通采樣

在實際設(shè)計中，采用帶通采樣（欠采樣）可以實現(xiàn)對高頻窄帶信號的采樣，并且避免混疊。該技術(shù)利用了如圖3所示的采樣過程引起的頻譜重復(fù)。可以看出，窄帶信號在采樣頻率的每一次倍數(shù)上重復(fù)。

使用欠采樣，窄帶信號可以在沒有混疊的情況下以理論最小速率進行采樣。但是，要求信號帶邊頻率和為信號帶寬B的整數(shù)倍;例如，其中為整數(shù)。

圖3奈奎斯特頻譜重復(fù)

從本質(zhì)上講，帶通采樣也可以用作頻率下變頻器。圖4顯示了帶通采樣如何將49 MHz中頻的信號轉(zhuǎn)換為所需的1MHz中頻。如圖所示，原始信號從48 MHz偏移1 MHz，這是采樣頻率(4 MHz)的倍數(shù)。因此，應(yīng)用上面討論的原理，通過在4MHz采樣信號，原始信號以1MHz的偏移量移位到直流，并實現(xiàn)到所需頻率的轉(zhuǎn)換。在DDC中，多級多速率濾波也能起到同樣的作用。

圖4欠采樣頻率轉(zhuǎn)換

根據(jù)到目前為止的討論，使用相對低速的ADC在非常高的頻率(例如中頻)對信號進行采樣并仍然恢復(fù)基帶信息是可行的。帶通采樣方法可以實現(xiàn)高中頻下變頻的全數(shù)字實現(xiàn)，即40 MHz - 250 MHz。在實踐中，還有許多其他因素需要評估，例如ADC要求，這些要求在很大程度上影響結(jié)果和整體可行性。在決定特定子采樣應(yīng)用的ADC之前，需要仔細(xì)分析要求，例如動態(tài)范圍，抖動，時鐘抖動，孔徑不確定性和失真(信噪比，SINAD, SFDR)。針對特定應(yīng)用的設(shè)計問題可以在許多ADC設(shè)備數(shù)據(jù)表中找到。

過采樣

過采樣是用明顯高于奈奎斯特頻率(通常是奈奎斯特頻率的整數(shù)倍)的采樣頻率對信號進行采樣的過程。對次采樣信號進行過采樣將具有在更寬的頻率范圍內(nèi)傳播量化噪聲能量的優(yōu)點。該技術(shù)通常用于DSP行業(yè)，以降低信號頻帶中的噪聲水平，并克服ADC的一些限制，例如擴展ADC分辨率，通過可能的噪聲整形降低本底噪聲，從而可以使用更低的分辨率。通常，四次過采樣可以提高6dB的信噪比，并為ADC的位寬增加一個額外的位。

抗混疊濾波

抗混疊濾波器通常用于數(shù)字處理系統(tǒng)的輸入和數(shù)字中頻處理過程中。要數(shù)字化的模擬信號除了折疊頻率之外還可以包含頻率成分，例如高頻干擾。因此，為了滿足采樣要求，使用抗混疊濾波器來限制信號帶寬，從而去除折疊頻率以上的所有頻率分量。其優(yōu)點是在滿足采樣要求的同時，信號和圖像光譜之間的距離更寬。對于不以直流為中心的信號，抗混疊濾波器通常是帶通濾波器。在這種情況下，濾波器通常用于射頻和/或中頻的通道選擇。低通抗混疊濾波器通常用于數(shù)字中頻處理，特別是數(shù)字混頻器、諧波抑制、頻譜屏蔽等?？够殳B濾波器設(shè)計的一般經(jīng)驗法則是在通帶紋波、相位線性、群延遲和通帶與阻帶之間的陡峭過渡方面實現(xiàn)良好的性能，同時插入損耗最小。

基帶信號基本上是在一個分配的和專用的射頻頻段上傳遞的，該頻段通常在MHz和GHz范圍內(nèi)。超外差無線電結(jié)構(gòu)使數(shù)字系統(tǒng)在處理基帶和中頻之間的頻率轉(zhuǎn)換時更加靈活。在數(shù)字域，頻率轉(zhuǎn)換從中頻到基帶進行下變頻，從基帶到中頻進行上變頻。

頻率下變頻的操作包括:

選擇目標(biāo)窄帶信號并采樣到數(shù)字域;

通過數(shù)字信道濾波將其與寬帶源隔離;

將所選窄帶信號的頻率降低，通常從中頻轉(zhuǎn)換為基帶;

將數(shù)據(jù)速率降低到基帶信息速率的整數(shù)倍。

頻率上變頻的操作包括:

將窄帶信號源的頻率向上轉(zhuǎn)換，通常是從基帶到中頻;

結(jié)合多個窄帶信號進行上轉(zhuǎn)換;

將數(shù)據(jù)速率提高到數(shù)字中頻速率。

為了進行上述操作，需要幾個重要的信號處理模塊，如直接數(shù)字合成器(DDS)、混頻器、數(shù)字濾波器和多速率濾波器。

DDS

直接數(shù)字合成器(DDS)，有時稱為數(shù)控振蕩器(NCO)，是一個簡單的函數(shù)，產(chǎn)生正交正弦波，即正弦和余弦，用于DDC和DUC，也用于數(shù)字調(diào)制器。DDS使用帶有查找表的尋址方案來創(chuàng)建具有所需頻率的正弦波。在實際實現(xiàn)中，查找表存儲正弦和余弦波形的數(shù)值表示。

數(shù)字混頻器

數(shù)字混頻器只是一個算術(shù)函數(shù)，它將輸入的數(shù)字源信號(即I和Q)與由NCO生成的載波波形(即正弦和余弦)相乘。在DUC中，數(shù)字混頻器與正交調(diào)制器一起使用，以產(chǎn)生所需頻率的單邊帶中頻發(fā)射信號。類似地，在DDC中，將單邊帶中頻接收信號饋送到正交解調(diào)器中，以便將其區(qū)分為I和Q信號。

數(shù)字濾波器

有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器廣泛應(yīng)用于DUC和DDC實現(xiàn)中，與無限脈沖響應(yīng)(IIR)濾波器相比，F(xiàn)IR濾波器可以在其實現(xiàn)中實現(xiàn)具有無條件穩(wěn)定性的精確線性相位響應(yīng)。這對于確保頻率轉(zhuǎn)換處理(上/下轉(zhuǎn)換)后輸出信號的表示很重要，這可能涉及幾個階段的濾波。正是由于這個原因，為了實現(xiàn)DUC和DDC的穩(wěn)定實現(xiàn)，使用了不同類型的FIR，例如積分梳狀濾波器(CIC)，多相插值器和抽取器。

DDC與DUC

超外差接收機是一種眾所周知的接收機結(jié)構(gòu)，其中射頻信號被轉(zhuǎn)換成中頻頻率，然后由ADC采樣，并由DDC進行數(shù)字處理。在DDC中, I/Q分量被提取并解調(diào)到基帶。由于中頻和基帶的采樣率不同，需要多速率濾波器來實現(xiàn)采樣率轉(zhuǎn)換。

類似地，在發(fā)射端，基帶信號被上采樣到中頻采樣頻率。頻譜需要通過I/Q調(diào)制轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的中頻通道。在此之后，中頻信號進行DAC轉(zhuǎn)換和上變頻到RF頻率。

審核編輯：湯梓紅