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DSP 中數(shù)字下變頻的基礎(chǔ)知識(shí)

發(fā)布時(shí)間:2023-05-05 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】數(shù)字下變頻是一種數(shù)字信號(hào)處理技術(shù),廣泛用于數(shù)字無線電接收機(jī)。本文將回顧數(shù)字下變頻器 (DDC) 的基礎(chǔ)知識(shí)。我們將首先了解使用 DDC 而不是模擬對(duì)應(yīng)物的優(yōu)勢(shì)。然后,我們將討論一個(gè)示例并探索 DDC 的基本操作。


本文討論數(shù)字下變頻,這是一種廣泛用于數(shù)字無線電接收器的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)。

數(shù)字下變頻是一種數(shù)字信號(hào)處理技術(shù),廣泛用于數(shù)字無線電接收機(jī)。本文將回顧數(shù)字下變頻器 (DDC) 的基礎(chǔ)知識(shí)。我們將首先了解使用 DDC 而不是模擬對(duì)應(yīng)物的優(yōu)勢(shì)。然后,我們將討論一個(gè)示例并探索 DDC 的基本操作。

要了解使用 DDC 的優(yōu)勢(shì),讓我們首先回顧一下傳統(tǒng)的雙下變頻接收器并檢查其缺點(diǎn)?;镜碾p下變頻接收器如圖 1 所示。如您所見,在信號(hào)被模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 數(shù)字化之前有幾個(gè)模擬塊。


DSP 中數(shù)字下變頻的基礎(chǔ)知識(shí)
圖 1.


以下部分回顧了上述接收器中使用的每個(gè)塊的基本功能。如果您熟悉 RF 工程的基礎(chǔ)知識(shí),則可以通過下一節(jié)來刷新您的知識(shí);否則,您可能需要先閱讀 AAC 的RF 教科書中的一些頁面。

基本雙下變頻接收器

在圖 1 的接收器中,個(gè)帶通濾波器 BPF1 為個(gè)混頻器執(zhí)行鏡像抑制,在圖中標(biāo)記為“RF 混頻器”。它還部分抑制了天線拾取的干擾源。這放寬了低噪聲放大器 (LNA) 的線性度要求。

帶通濾波器的輸出由 LNA 放大。與所需信號(hào)相比,這種放大使得后續(xù)級(jí)產(chǎn)生的噪聲相對(duì)較小。這樣,接收器對(duì) LNA 之后級(jí)的噪聲變得不那么敏感。

然后,RF 混頻器將節(jié)點(diǎn) B 處的放大信號(hào)下變頻為中頻$$f_{IF}$$。

現(xiàn)在所需信號(hào)已下變頻到較低頻率,我們可以更輕松地構(gòu)建一個(gè)相對(duì)高 Q 的濾波器 BPF2,并部分執(zhí)行通道選擇。請(qǐng)注意,由于接收器的雙下變頻結(jié)構(gòu),個(gè)混頻器的中頻 $$f_{IF}$$ 可以相對(duì)較高。這放寬了 BPF1 的要求。

接下來,信號(hào)通過由振蕩器 2 驅(qū)動(dòng)的正交混頻器(見圖 1)。振蕩器 2 的頻率等于 $$f_{IF}$$,因此所需頻帶的中心頻率將轉(zhuǎn)換為 DC。這意味著我們不需要用于 IF 混頻器的鏡像抑制濾波器。

接下來我們通過基帶低通濾波器 (LPF) 進(jìn)行通道選擇,,ADC 將所需信號(hào)數(shù)字化,結(jié)果將由數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 進(jìn)一步處理。DSP 引擎將執(zhí)行均衡、解調(diào)和通道解碼等操作。

傳統(tǒng)收音機(jī)的弊端及解決方案

我們可以考慮圖 1 中所示的雙下變頻接收器的三個(gè)主要限制:

1.兩條基帶路徑必須高度匹配。藍(lán)色路徑中的 IF 混頻器、LPF 和 ADC 必須與綠色路徑中的相應(yīng)組件匹配。

2.模擬濾波器引入了相位失真。

3.ADC 注入一個(gè) DC 項(xiàng),該項(xiàng)不能輕易從所需信息中刪除。請(qǐng)注意,圖 1 的 IF 混頻器將所需通道的中心頻率轉(zhuǎn)換為 DC,其中 ADC 可以注入誤差項(xiàng)。該 ADC 偏移量可由其構(gòu)建模塊(例如放大器和比較器)的偏移量產(chǎn)生。即使零信號(hào)應(yīng)用于 ADC,偏移項(xiàng)也會(huì)導(dǎo)致非零數(shù)字代碼。這對(duì)于以極低頻率傳送信息的系統(tǒng)非常重要。

我們可以在接收器的 DSP 部分彌補(bǔ)這些缺陷;然而,更好的解決方案是將 A/D 轉(zhuǎn)換器放在接收器鏈中的正交混頻器之前。如圖 2 所示。


DSP 中數(shù)字下變頻的基礎(chǔ)知識(shí)
圖 2


如您所見,現(xiàn)在 A/D 轉(zhuǎn)換發(fā)生在 IF 而不是基帶。這意味著 ADC 必須以更高的采樣率運(yùn)行。如圖所示,ADC之后的block都工作在數(shù)字域。例如,圖2中振蕩器2的輸出實(shí)際上是正弦和余弦信號(hào)對(duì)應(yīng)的數(shù)字值。為了實(shí)現(xiàn)振蕩器 2,我們通常使用直接數(shù)字合成器(DDS)。第二次下變頻是使用兩個(gè)數(shù)字乘法器執(zhí)行的,LPF 是數(shù)字濾波器。

如上所述,對(duì)于圖 2 的結(jié)構(gòu),ADC 必須以更高的采樣率運(yùn)行。這可能被認(rèn)為是一個(gè)缺點(diǎn),但 DDC 方法也提供了顯著的好處:

1.現(xiàn)在,IF 混頻器和 LPF 是數(shù)字電路。因此,消除了由模擬組件之間的不匹配引起的與不平衡相關(guān)的失真。

2.與模擬領(lǐng)域不同,我們可以輕松設(shè)計(jì)線性相位數(shù)字濾波器。

3.在信號(hào)通過 IF 混頻器之前,ADC 注入的 DC 項(xiàng)可以很容易地被數(shù)字濾波器去除( 有關(guān)示例,請(qǐng)參見《無線通信和廣播中的數(shù)字前端》第 12 章)。

請(qǐng)注意,雖然圖 2 在接收器的 DSP 引擎之外具有正交混頻器和 LPF,但我們當(dāng)然可以在系統(tǒng)的 DSP 平臺(tái)內(nèi)實(shí)現(xiàn)這些塊。此外,在基帶 LPF 之后,我們可以在不丟失所需信息的情況下顯著降低采樣率(  有關(guān)更多信息,請(qǐng)參閱我關(guān)于多速率 DSP 及其在 A/D 轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用的文章)。因此,我們可以重新繪制圖 2 的虛線框內(nèi)的電路,如圖 3 所示。此模塊稱為數(shù)字下變頻器或 DDC。


DSP 中數(shù)字下變頻的基礎(chǔ)知識(shí)
圖 3


數(shù)字下變頻

假設(shè)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后,所需信號(hào)的頻譜如圖 4 所示。


DSP 中數(shù)字下變頻的基礎(chǔ)知識(shí)

圖 4


所需信號(hào)的中心頻率為 110 MHz,帶寬為 4 MHz(圖中顯示了正頻率和負(fù)頻率)。此外,我們假設(shè) ADC 以 440 MSPS(每秒百萬樣本)的速率生成樣本。DDC 將如何處理這個(gè)輸入?

DDC 使用的 DDS 將生成 110 MHz 正弦和余弦信號(hào)。這些正弦和余弦函數(shù)中的每一個(gè)都會(huì)導(dǎo)致 $$pm 110$$ MHz 的脈沖。由于時(shí)域中的乘法對(duì)應(yīng)于頻域中的卷積,因此對(duì)于圖 3 中的節(jié)點(diǎn) A 和 B,我們將得到圖 5 所示的頻譜。


DSP 中數(shù)字下變頻的基礎(chǔ)知識(shí)
圖 5


如您所見,$$pm 110$$ MHz 的頻移已將圖 4 的藍(lán)色頻譜轉(zhuǎn)換為 220 MHz 和 DC。類似地,綠色頻譜轉(zhuǎn)移到 DC 和 -220 MHz。我們能夠?qū)?jié)點(diǎn) A 和 B 使用一個(gè)圖,因?yàn)檫@兩個(gè)節(jié)點(diǎn)具有相同的幅度特性,圖 5 僅傳達(dá)了幅度譜。節(jié)點(diǎn) A 的相位譜將不同于節(jié)點(diǎn) B 的相位譜。

在圖 5 中,請(qǐng)注意下變頻后信號(hào)邊帶在 DC 周圍重疊??紤]到這種重疊,我們是否可以僅使用以 DC 為中心的頻譜部分來恢復(fù)所需的信息?我們可以; 我們正在使用正交混合,它會(huì)生成兩個(gè)相同的幅度譜,但也會(huì)生成兩個(gè)不同的相位譜,重疊區(qū)域的相位譜使我們能夠恢復(fù)原始信息。由于這種重疊不是問題,高于 2 MHz 的頻率分量不會(huì)提供任何必要的信息,因此我們可以在數(shù)字混頻器之后放置一個(gè) LPF,以僅保留低于 2 MHz 的頻率分量。這種低通濾波在圖 3 中描繪為單級(jí)濾波器,通常作為兩級(jí)濾波器實(shí)現(xiàn),如圖 6 所示。


DSP 中數(shù)字下變頻的基礎(chǔ)知識(shí)
圖 6


級(jí) LPF1 可設(shè)計(jì)為消除以 220 MHz 為中心的高頻分量。為此,我們需要一個(gè) LPF,其通帶擴(kuò)展到大約 2 MHz,阻帶開始于大約 218 MHz。這種過濾操作有時(shí)被稱為過濾由 DDS 創(chuàng)建的圖像信號(hào)。

第二級(jí) LPF2 消除了 2 MHz 和 218 MHz 之間的任何不需要的頻率分量。在 LPF2 之后,信號(hào)不包含超出預(yù)期信息帶寬(即 2 MHz)的頻率分量,但我們?nèi)匀皇褂?440 MSPS 來表示該信號(hào)。因此,我們可以應(yīng)用下采樣概念來降低采樣率。

更有效的實(shí)施方式是將 LPF2 分成級(jí)聯(lián)階段,并在每個(gè)階段之后執(zhí)行部分整體下采樣。同樣,有關(guān) DDC 的 FPGA 實(shí)現(xiàn)的更多詳細(xì)信息,請(qǐng)閱讀我上面提到的書的第 12 章。

結(jié)論

在本文中,我們研究了使用 DDC 的好處。我們看到 DDC 可以提高基本雙下變頻接收器的性能:它可以消除模擬 IF 混頻器產(chǎn)生的與不平衡相關(guān)的失真,并避免模擬濾波器產(chǎn)生的相位失真。在 DDC 之后,采樣率顯著降低,我們可以更有效地執(zhí)行進(jìn)一步處理數(shù)據(jù)的 DSP 例程。  


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