DSP中的数字下变频（DDC）的基础知识

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本文讨论数字下变频，它是一种广泛用于数字无线电接收机中的数字信号处理技术。

数字下变频是一种数字信号处理技术，广泛用于各种数字无线电接收机中。本文将回顾数字下变频器（DDC）的基础知识。我们将首先看看使用DDC而不是用其相对的模拟处理方式的优势。然后，我们将讨论一个示例，并探讨DDC的基本操作。

为了了解使用DDC的优势，我们首先回顾一下传统的双下变频接收机，并研究其缺点。基本的双下变频转换接收机如图1所示。您可以看到，在模数转换器（ADC）将模拟信号数字化之前，有几个模拟处理的功能模块。

图1、基本的双下变频接收机的示意图

下一节回顾了上述接收机中使用的每个模拟模块的基本功能。如果您熟悉RF工程的基础知识，则可以直接开始下一节的内容以刷新您的知识；否则，您可能要先阅读AAC的RF教科书中的某些章节。
基本的双下变频接收机

在图1所示的接收机中，第一带通滤波器BPF1对第一混频器执行镜像抑制，该混频器在图中标为“ RF混频器”。它还部分抑制了天线接收到的干扰。这有助于放宽对低噪声放大器（LNA）的线性要求。

带通滤波器的输出信号被LNA所放大。与期望的信号相比，这种放大使得由后续级贡献的噪声的影响相对较小。这样，接收机对LNA后面的各级模块的噪声变得不那么敏感。

然后，将节点B处的放大信号由RF混频器下变频为中频，fIF；现在，有用信号已被下变频至较低频率，我们可以更轻松地构建一个相对较高Q值的滤波器BPF2，并部分执行信道选择的功能。请注意，由于接收机的双重下变频结构，第一混频器的中频频率fIF可以相对较高，因此这就放宽了对BPF1的要求。

接下来，信号经过振荡器2驱动的正交混频器（见图1）。振荡器2的频率等于fIF，以便将所需频带的中心频率转换为DC。这意味着我们不需要中频混频器中的镜像抑制滤波器。

接下来，我们通过基带低通滤波器（LPFs）进行信道选择，最后，ADC将数字化所需的有用信号，并且结果将由数字信号处理器（DSP）进一步处理。 DSP引擎将执行诸如均衡，解调和信道解码之类的操作。
传统无线电接收机的缺点以及相应的解决方案

我们可以考虑图1所示的双下变频接收机的三个主要局限性：

1、两个基带路径必须高度匹配。蓝色路径中的IF混频器，LPF和ADC必须与绿色路径中的相应组件匹配。

2、模拟滤波器引起相位失真。

3、ADC注入的直流项很难从所需信息中删除。请注意，图1的IF混频器将所需信道的中心频率转换为DC，ADC可以在其中注入误差项。 ADC偏移可以由其构建模块（如放大器和比较器）的偏移所产生的。即使将零信号施加到ADC，偏移项也会导致非零数字编码。在以非常低的频率传送信息的系统中，这可能非常重要。

我们可以纠正接收机DSP部分中的这些缺陷。但是，更好的解决方案是将A / D转换器放在接收器链中的正交混频器之前。如图2所示。

图2、ADC位于正交混频器之前

如上图所示，现在A / D转换是在IF而不是基带上进行的。这意味着ADC必须以更高的采样率运行。如图所示，ADC之后的块均在数字域中运行。例如，图2中的振荡器2的输出实际上是对应于正弦和余弦信号的数字值。为了实现振荡器2，我们通常使用直接数字频率合成器（DDS，direct digital synthesizer ）。使用两个数字乘法器执行第二次下变频，并且LPF是数字滤波器。

如上所述，采用图2的结构，ADC必须以更高的采样率工作。这可能被认为是这种架构中不好的地方，但是DDC方法也提供了很多好处：

1、现在，中频混频器和低通滤波器是数字电路。因此，消除了由模拟组件之间的失配引起的与失衡有关的失真。

2、与模拟领域不同，我们可以很轻松地设计线性相位数字滤波器。

3、在信号通过IF混频器之前，由ADC注入的DC项可以很容易地由数字滤波器消除。

注意，尽管图2在接收器的DSP引擎之外具有正交混频器和LPF，但我们当然可以在系统的DSP平台中实现这些模块。同样，在基带LPF之后，我们可以显著降低采样率而不会丢失所需的信息。因此，我们可以在图2的虚线框中重新绘制电路，如图3所示，这种模块被称为是数字下变频器或DDC。

图3、数字下变频器或DDC架构

数字下变频（DDC）

经过模数转换后，所需信号的频谱如图4所示。

图4、经过模数转换后，所需信号的频谱

所需信号的中心频率为110 MHz，带宽为4 MHz（该图同时显示了正负频率）。此外，我们假设ADC产生的采样率为440 MSPS（每秒兆采样）。 DDC将如何处理此输入？

DDC使用的DDS将生成110 MHz正弦和余弦信号。这些正弦和余弦函数中的每一个都会导致在±110 兆赫生成脉冲；由于时域中的乘法对应于频域中的卷积，因此我们将获得图5中的节点A图3中节点B的频谱。

图5、经过DDS后的频谱

如您所见，频移为±110 MHz已将图4的蓝色频谱被转移到了+220 MHz和DC。同样，绿色频谱同时被转移到DC和-220 MHz处。我们能够对节点A和B使用一个图，因为这两个节点具有相同的幅度特性，图5仅传达了幅度谱，节点A的相位谱将不同于节点B的相位谱。

在图5中，请注意，下变频后，信号边带在DC周围重叠。考虑到这种重叠，我们是否可以仅使用以DC为中心的那部分频谱来恢复所需的信息？我们可以;我们使用的是正交混频，它产生两个相同的幅度谱，但也产生两个不相同的相位谱，重叠区域的相位谱使我们能够恢复原始信息。由于这种重叠不是问题，因此2 MHz以上的频率分量不会提供任何必要的信息，因此我们可以在数字混频器之后放置一个LPF，以仅保持2 MHz以下的频率分量。这种低通滤波（在图3中描绘为单级滤波器）通常实现为两级滤波器，如图6所示。

图6、两级LPF

第一级LPF1可以设计为消除以220 MHz为中心的高频分量。为此，我们需要一个LPF，其通带扩展至大约2 MHz，阻带始于大约218 MHz。有时将这种滤波操作称为对DDS创建的镜像信号进行滤波。

第二级LPF2消除了2 MHz至218 MHz之间的任何不必要的频率分量。在LPF2之后，该信号不包含超出预期信息带宽（即2 MHz）的频率分量，但是我们仍使用440 MSPS表示该信号。因此，我们可以应用下采样概念来降低采样速率。

一种更有效的实现方法是将LPF2分成多个级联的LPF滤波器，并在每个这些级之后执行部分整体下采样。
结论

在本文中，我们研究了使用DDC的好处。我们看到了DDC可以改善基本的两次下变频接收机的性能：它可以消除由模拟IF混频器产生的不平衡相关失真，并且可以避免模拟滤波器的相位失真。 DDC之后，采样率将大大降低，我们可以更有效地实现DSP例程，以进一步处理数据。

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普通人物怨

这样设计势必会增加ADC的设计要求和设计成本，关键是怎么衡量两种方法的经济性呢。

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