深入解析数字下变频与数字上变频原理

常规的外差式无线电接收器已经使用了近一个世纪，如图所示。我们再次回顾一下模拟接收器的结构，以便于和数字接收器进行比较。

首先，来自天线的射频信号被放大，通常射频部分利用一个调谐器将感兴趣的频段区域的信号进行放大。这个放大的射频信号被送入一个混频器。来自本振的信号也被送入混频器，其频率由无线电的调谐控制决定。混频器将所需的输入信号转换为中频，如图所示。

中频部分是一个带通放大器，只允许一个信号或者无线电台通过。常见的中心频率是455kHz和10.7MHz，用于商业的AM和FM广播。解调器从几个不同的方案中选择一个，将中频输出信号还原成初始调制信号。例如，AM利用包络检波器，FM利用频率鉴别器。在一个典型的家用收音机中，解调后的输出信号被送入到一个音频功率放大器，驱动一个扬声器。 混频器对两个输入信号进行模拟相乘，生成一个差频信号。通过设置本振频率，从而使得本振频率与想要的输入信号（你想要接收到的无线电台）的差值等于中频。例如，你想接收频率为100.7MHz的调频电台，中频为10.7MHz，你需要将本振调整至：

此过程称作“下变频”，因为一个高频信号通过混频器下移到低频率。 中频部分的作用相当于一个窄带滤波器，只允许被转换后的射频输入的一个“片段”通过。中频部分的带宽等于你试图接收到的信号（或者“无线电台”）的带宽。 商业调频电台的带宽大约为100kHz，调幅电台带宽为5kHz，分别对应相应的频道间隔200kHz和10kHz。

软件无线电接收器

软件定义的无线电接收器框图如图所示。射频调谐器将模拟射频信号转换为模拟中频，与模拟接收器的前三个阶段相同。

接下来，A/D转换器将中频信号数字化，从而将其转换成数字样点。这些样点被送入下一级，即图中虚线框所示的数字下变频（DDC）。数字下变频通常是一个单独的芯片电路或者FPGA的IP核，它是SDR系统的关键部分。

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数字下变频（DDC）

一个常规的DDC包含三个主要部分：

一个数字混频器；

一个数字本振；

一个FIR低通滤波器。

数字混频器和本振将数字中频样点向下转换至基带。FIR低通滤波器限制了信号带宽，并作为一个抽取式低通滤波器使用。数字下变频使用大量的硬件乘法器、加法器和移位寄存器存储器来完成这项工作。 然后，数字基带样点被送入到数字信号处理模块中，执行的任务诸如解调、解码和其它处理任务。通常，这些需求是通过专门的特定用途的集成电路（ASICs）和可编程的DSPs来处理。 在混频器的输出端，来自A/D输入的高频宽带信号（如图所示）已经被下变频为基带的复数I和Q分量，其频移等于本振频率。

这类似于模拟接收器的混频器，只是这里的混频是在中频下完成的。通过在其工作范围内调整本振，射频输入信号的任何部分都能混频至基带。实际上，宽带的射频信号频谱能够围绕0Hz左右滑动，只需调整本振即可。请注意，上下边带仍是保留的。 由于本振使用的是数字相位累加器，其具有一些很好的特性。它在频率之间的切换具有相位连续性，因此能够精确地生成FSK信号或者扫频如图所示。

频率的准确性和稳定性完全由A/D时钟决定，因此它本身与采样频率是同步的。由于它完全由数字逻辑实现，因此不存在老化、漂移或者校准。

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抽取滤波

由于FIR滤波器的输出是有限带宽的，Nyquist定理允许我们降低抽样率。如果我们只保留N个样点中的一个，如图所示，那么我们就将采样率降低了N倍。

这个过程被称作抽样，它意味着每N个信号样点只保留其中一个。如果抽样后，输出的样点率是输出带宽的两倍，那么就不会有信息丢失。最明显的好处是抽样后的信号更容易被处理，能够以较低的速率传输，或者占用的内存更少。因此，抽样能够明显减少系统成本。 DDC执行了两个信号处理操作： 1、频率转换，其调谐由本振控制； 2、低通滤波，其带宽由抽样设置所控制。

软件无线电发射器

接下来，我们将注意力转移到软件定义的无线电发射器。SDR系统发射端的输入是一个数字基带信号，通常是由DSP级生成的，如图所示。

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数字上变频（DUC）

虚线中的数字硬件框是一个DUC（数字上变频），其将基带信号转换为中频频率。紧接着，D/A转换器将数字中频样点转换为模拟中频信号。接下来，射频信号上变频将模拟中频信号转换至射频频率。最后，功率放大器提升信号能量后，送入天线。 DUC的内部组成如图所示，右侧的数字混频器和本振将基带样点信号上变至中频频率。中频转换频率由本振所决定。

混频器为其两个输入样点各生成一个输出样点。而且，混频器输出的采样频率必须等于D/A采样频率fs。因此，本振的采样率和基带的采样率必须等于D/A采样频率fs。本振已经以fs的采样率工作，但是左侧的输入基带采样频率通常很低。这个问题可以通过插值滤波器解决。

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插值滤波

插值滤波器必须将基带输入的采样频率fs/N提高到混频器输入和D/A输出所要求的采样频率fs。插值滤波器通过一个系数N提高基带输入信号的采样频率，该系数被称为插值系数。图中底部的图片显示了插值滤波器在时域中的作用。

注意到，通过在原始输入样点的空隙间填入额外的样点，将基带信号频率信息完全地保留了下来。通过插值滤波器执行的信号处理操作是我们前面DDC部分讨论的抽样滤波器的逆向操作。数字上变频的频域如图所示。

本振的设置与要求的中频信号频率相等，就如DDC一样。数字下变频执行的两步处理如图所示。

利用本振和混频器，将中频信号下变至基带频率。“调谐旋钮”代表了本振频率的可编程性，可以选择所需的信号下变频至基带。通过设置抽样系数N和低通FIR滤波器来设定基带信号带宽：

基带带宽方程反映了典型的80%通带特征，以及(I+Q) 复数样点。“带宽旋钮”代表了抽样系数的可编程性，从而选择所需的基带信号带宽。数字上变频执行的两步处理如图所示。

所需的输出采样率与输入基带采样率之间的比值决定了插值系数N：

同样，基带带宽方程呈现了一个(I+Q)复数基带输入和80%滤波器。“带宽旋钮”代表了插值系数的可编程性，从而选择所需的输入基带信号带宽。利用本振和混频器，将基带频率上变至中频。“调谐旋钮”代表了本振频率的可编程性，可以选择所需的中频频率，由基带信号向上变频。

审核编辑：黄飞