無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中的數(shù)字變頻技術(shù)

在無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中，我們經(jīng)常在說(shuō)基帶、中頻、射頻、天線(xiàn)等物理底層，本文簡(jiǎn)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(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)的基本組成部分，包括在發(fā)射機(jī)將離散基帶信號(hào)流上轉(zhuǎn)換為高分辨率無(wú)線(xiàn)電信號(hào)，在接收機(jī)將高分辨率無(wú)線(xiàn)電信號(hào)下轉(zhuǎn)換回基帶信號(hào)。

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(shí)，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(gè)超外差架構(gòu)的數(shù)字無(wú)線(xiàn)電收發(fā)器示例。這是一個(gè)雙級(jí)轉(zhuǎn)換架構(gòu)，其中，在第一階段，射頻(RF)信號(hào)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(hào)。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(wú)線(xiàn)電收發(fā)器架構(gòu)被稱(chēng)為軟件定義無(wú)線(xiàn)電(SDR)。

圖1 SDR框圖

在提出的SDR架構(gòu)中，射頻前端(也稱(chēng)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(xiàn)。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(hào)。一些先進(jìn)的射頻前端允許通過(guò)軟件進(jìn)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(shí)現(xiàn)的數(shù)字中頻處理來(lái)完成。以接收路徑為例;中頻信號(hào)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)數(shù)字化，通過(guò)數(shù)字中頻處理轉(zhuǎn)換為基帶信號(hào)。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(lèi)似地，它以與DDC相反的順序執(zhí)行DUC?，F(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)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?yàn)樗鼈兡軌蛱幚碛捎诟咚俨蓸雍蛿?shù)字轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的嚴(yán)格實(shí)時(shí)約束。最后，在SDR體系結(jié)構(gòu)的后端，基帶進(jìn)程主要完成符號(hào)時(shí)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(hào)處理器(DSP)計(jì)算，實(shí)時(shí)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(hào)和調(diào)諧/檢測(cè)接收到的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)，通過(guò)軟件進(jìn)行數(shù)字操作，而不是傳統(tǒng)的模擬信號(hào)通過(guò)單個(gè)硬件組件執(zhí)行特定功能的方法。軟件定義的無(wú)線(xiàn)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(kuò)展。SDR的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)一個(gè)靈活、通用和多標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)。

在無(wú)線(xiàn)通信中，奈奎斯特采樣定理是DSP中一個(gè)被廣泛討論的話(huà)題，它指出采樣頻率Fs必須大于或等于信號(hào)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(huì)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(hào)不能準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換回模擬信號(hào)。這種將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字域的方法稱(chēng)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?yàn)檎瓗盘?hào)的帶寬B與信號(hào)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(wú)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(shí)際的。

帶通采樣

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，采用帶通采樣（欠采樣）可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻窄帶信號(hào)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(guò)程引起的頻譜重復(fù)。可以看出，窄帶信號(hào)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(hào)可以在沒(méi)有混疊的情況下以理論最小速率進(jìn)行采樣。但是，要求信號(hào)帶邊頻率和為信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換為所需的1MHz中頻。如圖所示，原始信號(hào)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(guò)在4MHz采樣信號(hào)，原始信號(hào)以1MHz的偏移量移位到直流，并實(shí)現(xiàn)到所需頻率的轉(zhuǎn)換。在DDC中，多級(jí)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(duì)低速的ADC在非常高的頻率(例如中頻)對(duì)信號(hào)進(jìn)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(shí)現(xiàn)高中頻下變頻的全數(shù)字實(shí)現(xiàn)，即40 MHz - 250 MHz。在實(shí)踐中，還有許多其他因素需要評(píng)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(dòng)態(tài)范圍，抖動(dòng)，時(shí)鐘抖動(dòng)，孔徑不確定性和失真(信噪比，SINAD, SFDR)。針對(duì)特定應(yīng)用的設(shè)計(jì)問(wèn)題可以在許多ADC設(shè)備數(shù)據(jù)表中找到。

過(guò)采樣

過(guò)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(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣的過(guò)程。對(duì)次采樣信號(hào)進(jìn)行過(guò)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(diǎn)。該技術(shù)通常用于DSP行業(yè)，以降低信號(hào)頻帶中的噪聲水平，并克服ADC的一些限制，例如擴(kuò)展ADC分辨率，通過(guò)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(guò)采樣可以提高6dB的信噪比，并為ADC的位寬增加一個(gè)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(guò)程中。要數(shù)字化的模擬信號(hào)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(mǎn)足采樣要求，使用抗混疊濾波器來(lái)限制信號(hào)帶寬，從而去除折疊頻率以上的所有頻率分量。其優(yōu)點(diǎn)是在滿(mǎn)足采樣要求的同時(shí)，信號(hào)和圖像光譜之間的距離更寬。對(duì)于不以直流為中心的信號(hào)，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。抗混疊濾波器設(shè)計(jì)的一般經(jīng)驗(yàn)法則是在通帶紋波、相位線(xiàn)性、群延遲和通帶與阻帶之間的陡峭過(guò)渡方面實(shí)現(xiàn)良好的性能，同時(shí)插入損耗最小。

基帶信號(hào)基本上是在一個(gè)分配的和專(zhuān)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(wú)線(xiàn)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(shí)更加靈活。在數(shù)字域，頻率轉(zhuǎn)換從中頻到基帶進(jìn)行下變頻，從基帶到中頻進(jìn)行上變頻。

頻率下變頻的操作包括:

選擇目標(biāo)窄帶信號(hào)并采樣到數(shù)字域;

通過(guò)數(shù)字信道濾波將其與寬帶源隔離;

將所選窄帶信號(hào)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(hào)源的頻率向上轉(zhuǎn)換，通常是從基帶到中頻;

結(jié)合多個(gè)窄帶信號(hào)進(jìn)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(jìn)行上述操作，需要幾個(gè)重要的信號(hào)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(shí)稱(chēng)為數(shù)控振蕩器(NCO)，是一個(gè)簡(jiǎn)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(lái)創(chuàng)建具有所需頻率的正弦波。在實(shí)際實(shí)現(xiàn)中，查找表存儲(chǔ)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(gè)算術(shù)函數(shù)，它將輸入的數(shù)字源信號(hào)(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(hào)。類(lèi)似地，在DDC中，將單邊帶中頻接收信號(hào)饋送到正交解調(diào)器中，以便將其區(qū)分為I和Q信號(hào)。

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(shí)現(xiàn)中，與無(wú)限脈沖響應(yīng)(IIR)濾波器相比，F(xiàn)IR濾波器可以在其實(shí)現(xiàn)中實(shí)現(xiàn)具有無(wú)條件穩(wěn)定性的精確線(xiàn)性相位響應(yīng)。這對(duì)于確保頻率轉(zhuǎn)換處理(上/下轉(zhuǎn)換)后輸出信號(hào)的表示很重要，這可能涉及幾個(gè)階段的濾波。正是由于這個(gè)原因，為了實(shí)現(xiàn)DUC和DDC的穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)，使用了不同類(lèi)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(jī)是一種眾所周知的接收機(jī)結(jié)構(gòu)，其中射頻信號(hào)被轉(zhuǎn)換成中頻頻率，然后由ADC采樣，并由DDC進(jìn)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(lái)實(shí)現(xiàn)采樣率轉(zhuǎn)換。

類(lèi)似地，在發(fā)射端，基帶信號(hào)被上采樣到中頻采樣頻率。頻譜需要通過(guò)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(hào)進(jìn)行DAC轉(zhuǎn)換和上變頻到RF頻率。

審核編輯：湯梓紅