通信應(yīng)用中的數(shù)字上變頻和下變頻

數(shù)字上變頻器(DUC)和數(shù)字下變頻器(DDC)不僅僅是通信應(yīng)用(如軟件無(wú)線電)中的關(guān)鍵，而且在需要窄帶信號(hào)高速流的應(yīng)用中也是重要的。另外，DDC結(jié)構(gòu)容易控制所有取樣速率下的混淆防止分樣。

做為1個(gè)例子，讓我們看看數(shù)字記錄5MHz帶寬(中心在50MHz)信號(hào)的問(wèn)題。此信號(hào)可以是來(lái)自RF-IF模擬下變頻器的信號(hào)或者是直接從天線接收的信號(hào)。為了滿足尼奎斯特準(zhǔn)則，我們需要以105ms/s取樣率取樣此信號(hào)。然而，為了合理地捕獲此信號(hào)，應(yīng)該在較高的取樣率(至少200ms/s)取樣此信號(hào)。假設(shè)ADC為16位，在該速率下被取樣的信號(hào)會(huì)產(chǎn)生400MB/s數(shù)據(jù)。也許更難辦的是以這樣高速率采集和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)缺乏商業(yè)可用的方案。大多數(shù)可用的PC基數(shù)字器僅能在大約幾分之幾秒內(nèi)存儲(chǔ)此數(shù)據(jù)。

數(shù)字下變頻

DDC在持續(xù)時(shí)間期間可以數(shù)字記錄RF信號(hào)。在此實(shí)例中，我們僅需要記錄5MHz信號(hào)(中心頻率50MHz)，而不是ADC的整個(gè)尼奎斯特帶寬。DDC允許除去其余數(shù)據(jù)，并降低數(shù)據(jù)率。在現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)中實(shí)現(xiàn)時(shí)，簡(jiǎn)單的數(shù)字下變頻分為3個(gè)性質(zhì)不同的步：頻率變換、濾波和分樣(圖1)。

頻率變換和濾波

第1步是頻率變換。5MHz頻帶需要降低變換到基帶，靠乘或與載頻(fc)正弦信號(hào)混頻實(shí)現(xiàn)這種變換。用數(shù)字控制振蕩器(NCO)數(shù)字產(chǎn)生正弦波。NCO通常也稱之為本機(jī)振蕩器(LO)，它可以在精確頻率和相位下產(chǎn)生取樣波形。

隨著信號(hào)從50MHz變頻到基帶，信號(hào)拷貝也從50 MHz變頻到100 MHz。基于此原因，新的基帶信號(hào)必須濾波，去除較高頻率的信號(hào)。然而，到此我們的任務(wù)沒(méi)有完成。我們?nèi)杂?個(gè)在200ms/s取樣的低頻基帶信號(hào)。傳輸額外不必要數(shù)據(jù)時(shí)不希望PC總線過(guò)載，我們重新取樣信號(hào)來(lái)降低有效取樣率。這靠分樣實(shí)現(xiàn)，在規(guī)則的時(shí)間間隔內(nèi)從數(shù)字化的信號(hào)中去除數(shù)據(jù)點(diǎn)。在此例中，取樣從200ms/s下降到10ms/s，每20個(gè)取樣去除19個(gè)取樣。

防止混淆的分樣

采用分樣，數(shù)字化器的采集引擎繼續(xù)以同樣的最大速率進(jìn)行取樣。然而，僅有少量的采集點(diǎn)被存儲(chǔ)、被取出和傳輸?shù)絇C，這降低取樣率到所希望的水平。但是，此技術(shù)不是極簡(jiǎn)單的。

為便于說(shuō)明，假定數(shù)字化器的最大取樣率是100MS/s，使其尼奎斯特頻率為50 MHz，而信號(hào)有兩個(gè)分量：10 MHz基頻和20MHz激勵(lì)頻率分量。若數(shù)字化器分辨率為14位，則在100MS/S總數(shù)據(jù)率是200MB/s，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于PCI總線理論極限132MB/s。這是采用較低取樣率(如25MS/s)的1個(gè)原因�，F(xiàn)在尼奎斯特頻率應(yīng)該是12.5MHz。然而，20MHz頻率分量混淆回到5MHz�，F(xiàn)在，不可能告知信號(hào)實(shí)際上是否是5MHz信號(hào)或混淆到5MHz的另外較高頻率信號(hào)(20MHz，30MHz，45MHz)。

解決此問(wèn)題的1種方案是稱之為防止混淆分樣的增強(qiáng)分樣技術(shù)。在此技術(shù)中，數(shù)字化器繼續(xù)在100MS/s最高取樣率下采集數(shù)據(jù)，但加1個(gè)低通數(shù)字濾波器，在分樣前截止尼奎斯特頻率(圖2)。

正交數(shù)字下變頻

圖1所示DDC只適用于單維調(diào)制信號(hào)。這種信號(hào)的1個(gè)實(shí)例是AM無(wú)線電的雙邊帶幅度調(diào)制信號(hào)，它用比實(shí)際所需兩倍的帶寬。這樣的信號(hào)在低和高于載頻是相同的。

很多新式通信信號(hào)是兩維調(diào)制。編碼和調(diào)制這些復(fù)數(shù)信號(hào)為實(shí)數(shù)和虛數(shù)分量。用正交DDC適當(dāng)?shù)叵伦冾l復(fù)數(shù)信號(hào)。正交DDC不僅僅變頻、濾波和分樣ADC采樣的IF信號(hào)，而且它也分離IF信號(hào)為實(shí)數(shù)和虛數(shù)分量。實(shí)數(shù)部分是同相(I)信號(hào)，虛數(shù)部分是90°相移(Q)信號(hào)。

在圖3中，NCO產(chǎn)生兩個(gè)載波信號(hào)：I載波和Q載波，它們相移90°。獨(dú)立地混頻這些信號(hào)，變頻輸入IF信號(hào)為基帶I和Q分量，像從前那樣濾波和分樣每個(gè)通路。從此，可由FPGA進(jìn)一步處理I和Q信號(hào)或后面的處理記錄它們。

正交數(shù)字上變頻

在數(shù)字通信領(lǐng)域，信號(hào)像經(jīng)常被采集那樣需要產(chǎn)生。很像DDC用于采集IF信號(hào)，DUC用于產(chǎn)生IF信號(hào)。DUC處理是DDC處理的嚴(yán)格反處理。代替下變頻和分樣，DUC采用內(nèi)插和上變頻。

內(nèi)插或上取樣轉(zhuǎn)換低取樣率調(diào)制信號(hào)為相當(dāng)高取樣率信號(hào)，以易于上變頻。該步往往用軟件實(shí)現(xiàn)，可以用任何因數(shù)乘整個(gè)的波形大小。例如，可以用2048內(nèi)插因數(shù)內(nèi)插16KB調(diào)制波形為32MB。最后，調(diào)制內(nèi)插數(shù)據(jù)與載波混頻，上變頻基帶信號(hào)為所需的載波頻率。

任意波形產(chǎn)生器可以下載整個(gè)的上取樣、上變頻信號(hào)到板上存儲(chǔ)器。然而，帶DUC的產(chǎn)生器以硬件代替軟件執(zhí)行內(nèi)插和上變頻級(jí)導(dǎo)致明顯更快速的波形計(jì)算和更小的波形大小。高效率處理和更小的波形節(jié)省了下載時(shí)間并使得再現(xiàn)時(shí)間更長(zhǎng)，這改善了很多通信測(cè)量和檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)性能(如誤碼率，格子結(jié)構(gòu)圖，星座圖)。