数字下变频是一种数字信号处理技术，广泛应用于数字无线电接收器。本文将了解数字下变频器 (DDC) 的基础知识。我们首先将介绍使用 DDC 而非模拟 DDC 的优势。然后，我们将讨论一个示例并探索 DDC 的基本操作。
为了理解使用 DDC 的优势，我们首先回顾一下传统的双下变频接收器并分析其缺点。下图显示了基本的双下变频接收器。如你所见，信号在被模数转换器 (ADC) 数字化之前，有几个模拟模块。
图1
双下变频接收器基础
带通滤波器的输出由 LNA 放大。这种放大使得后续级产生的噪声与所需信号相比相对较小。这样，接收器对 LNA 之后各级的噪声就不那么敏感了。
然后，节点B处的放大信号经RF mixer混频器被下变频至中频 f IF
现在所需信号已下变频至较低频率，我们可以更轻松地构建相对高 Q 值滤波器 BPF2，并部分执行通道选择。请注意，由于接收器采用双下变频结构，第一个混频器的中频f IF，可以相对较高。这放宽了 BPF1 的要求。
信号通过振荡器 2 驱动的正交混频器。振荡器 2 的频率等于f IF
接下来，我们通过基带低通滤波器 (LPF) 进行信道选择，最后，ADC 将数字化所需信号，结果将由数字信号处理器 (DSP) 进一步处理。DSP 将执行均衡、解调和信道解码等操作。
传统无线电接收器的缺点及解决方案
我们可以在接收器的 DSP 部分中弥补这些缺陷；然而，更好的解决方案是将 A/D 转换器放在接收器链中的正交混频器之前。如下图所示。
图2
如大家所见，现在 A/D 转换发生在 IF 而不是基带。这意味着 ADC 必须以更高的采样率运行。如图所示，ADC 之后的模块都在数字域中运行。例如，图中振荡器 2 的输出实际上是与正弦和余弦信号相对应的数字值。为了实现振荡器 2，我们通常使用直接数字合成器(DDS)。第二次下变频是使用两个数字乘法器执行的，LPF 是数字滤波器。
如上所述，采用上图的结构，ADC 必须以更高的采样率运行。这可以看作是一个缺点，但 DDC 方法也具有显著的优势：
现在，中频混频器和低通滤波器都是数字电路，因此，由模拟元件不匹配引起的不平衡失真已被消除。
与模拟域不同，我们可以轻松设计线性相位数字滤波器。
在信号通过 IF 混频器之前，数字滤波器可以轻松地去除 ADC 注入的直流项。
请注意，虽然图中的正交混频器和 LPF 位于接收器的 DSP 引擎之外，但我们当然可可以在系统的 DSP 平台内实现这些模块。此外，在基带 LPF 之后，我们可以显著降低采样率而不会丢失所需信息。因此，我们可以重新绘制上图虚线框内的电路，如下图所示。该模块称为数字下变频器或 DDC。
图3
数字下变频
假设经过模数转换后，所需信号的频谱如下所示。
所需信号以 110 MHz 为中心，带宽为 4 MHz（该图显示正频率和负频率）。此外，我们假设 ADC 以 440 MSPS（每秒兆次采样）的速率产生样本。DDC 将如何处理此输入？
DDC 所采用的 DDS 将产生 110 MHz 正弦和余弦信号。这些正弦和余弦函数中的每一个都将产生脉冲110MHz。由于时间域中的乘法对应于频域中的卷积，我们将得到图 3 中节点 A 和 B 的频谱（图 5 所示）。
图5
如大家所见，频率偏移110MHz 将图 4 中的蓝色频谱转换为 220 MHz 和 DC。同样，绿色频谱也移至 DC 和 -220 MHz。我们可以对节点 A 和 B 使用一个图，因为这两个节点具有相同的幅度特性，而图 5 仅传达幅度频谱。节点 A 的相位频谱将不同于节点 B 的相位频谱。
在图 5 中，请注意信号边带在下变频后在 DC 周围重叠。考虑到这种重叠，我们能否仅使用以 DC 为中心的频谱部分来恢复所需信息？是的，我们可以；我们使用正交混频，它会产生两个相同的幅度谱，但也会产生两个不相同的相位谱，重叠区域的相位谱使我们能够恢复原始信息。由于这种重叠不是问题，2 MHz 以上的频率分量不会提供任何必要的信息，因此我们可以在数字混频器后放置一个 LPF，以仅保留 2 MHz 以下的频率分量。这种低通滤波在图 3 中被描绘为单级滤波器，通常被实现为两级滤波器，如图 6 所示。
第一级 LPF1 可以设计为消除以 220 MHz 为中心的高频分量。为此，我们需要一个通带延伸到约 2 MHz 且阻带开始于约 218 MHz 的 LPF。这种滤波操作有时被称为过滤由 DDS 产生的镜像信号。
第二阶段 LPF2 消除了 2 MHz 至 218 MHz 之间的任何不需要的频率分量。经过 LPF2 之后，信号不包含超出预期信息带宽（即 2 MHz）的频率分量，但我们仍使用 440 MSPS 来表示此信号。因此，我们可以应用下采样概念来降低采样率。
更有效的实现方法是将 LPF2 分解为级联阶段，并在每个阶段之后执行整体下采样的一部分。
结论
在本文中，我们研究了使用 DDC 的好处。我们发现 DDC 可以提高双下变频接收器的性能：它可以消除模拟 IF 混频器产生的不平衡相关失真，并避免模拟滤波器的相位失真。使用 DDC 后，采样率显著降低，我们可以更高效地实现数据处理。
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