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

數字轉換是許多數字無線電系統的基本組成部分，包括在發射機將離散基帶信號流上轉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換回基帶信號。

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

在通信系統中，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的數字無線電收發器示例。這是一個雙級轉換架構，其中，在第一階段，射頻(RF)信號被下轉換為中頻(IF)，然后，在第二階段，它被從中頻轉換為基帶信號。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的。這種無線電收發器架構被稱為軟件定義無線電(SDR)。

圖1 SDR框圖

在提出的SDR架構中，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。射頻前端負責射頻和中頻之間的轉換，并發送/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，例如頻率調諧。

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

SDR體系結構傾向于利用通用數字系統。在SDR中利用FPGA和DSP將允許在接收器上生成發射信號和調諧/檢測接收到的無線電信號，通過軟件進行數字操作，而不是傳統的模擬信號通過單個硬件組件執行特定功能的方法。軟件定義的無線電系統提供了可編程性、可重構性和可定義性的極大擴展。SDR的目標是實現一個靈活、通用和多標準的無線電系統。

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定的采樣率會導致折疊或“混疊”效應，在這種情況下，如果需要，原始信號不能準確地轉換回模擬信號。這種將模擬信號轉換為數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用，例如通信系統。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，特別是在數字處理硬件無法處理如此高采樣率的數據處理的情況下，以的速率使用低通采樣是不實際的。

帶通采樣

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

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的整數倍;例如，其中為整數。

圖3奈奎斯特頻譜重復

從本質上講，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。因此，應用上面討論的原理，通過在4MHz采樣信號，原始信號以1MHz的偏移量移位到直流，并實現到所需頻率的轉換。在DDC中，多級多速率濾波也能起到同樣的作用。

圖4欠采樣頻率轉換

根據到目前為止的討論，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基帶信息是可行的。帶通采樣方法可以實現高中頻下變頻的全數字實現，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果和整體可行性。在決定特定子采樣應用的ADC之前，需要仔細分析要求，例如動態范圍，抖動，時鐘抖動，孔徑不確定性和失真(信噪比，SINAD, SFDR)。針對特定應用的設計問題可以在許多ADC設備數據表中找到。

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傳播量化噪聲能量的優點。該技術通常用于DSP行業，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字處理系統的輸入和數字中頻處理過程中。要數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字中頻處理，特別是數字混頻器、諧波抑制、頻譜屏蔽等?？够殳B濾波器設計的一般經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。超外差無線電結構使數字系統在處理基帶和中頻之間的頻率轉換時更加靈活。在數字域，頻率轉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:

選擇目標窄帶信號并采樣到數字域;

通過數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，通常從中頻轉換為基帶;

將數據速率降低到基帶信息速率的整數倍。

頻率上變頻的操作包括:

將窄帶信號源的頻率向上轉換，通常是從基帶到中頻;

結合多個窄帶信號進行上轉換;

將數據速率提高到數字中頻速率。

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

DDS

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

數字混頻器

數字混頻器只是一個算術函數，它將輸入的數字源信號(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，數字混頻器與正交調制器一起使用，以產生所需頻率的單邊帶中頻發射信號。類似地，在DDC中，將單邊帶中頻接收信號饋送到正交解調器中，以便將其區分為I和Q信號。

數字濾波器

有限脈沖響應(FIR)濾波器廣泛應用于DUC和DDC實現中，與無限脈沖響應(IIR)濾波器相比，FIR濾波器可以在其實現中實現具有無條件穩定性的精確線性相位響應。這對于確保頻率轉換處理(上/下轉換)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DUC和DDC的穩定實現，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構，其中射頻信號被轉換成中頻頻率，然后由ADC采樣，并由DDC進行數字處理。在DDC中, I/Q分量被提取并解調到基帶。由于中頻和基帶的采樣率不同，需要多速率濾波器來實現采樣率轉換。

類似地，在發射端，基帶信號被上采樣到中頻采樣頻率。頻譜需要通過I/Q調制轉換到相應的中頻通道。在此之后，中頻信號進行DAC轉換和上變頻到RF頻率。

審核編輯：湯梓紅