科普RRU數(shù)字基帶處理之DDC和DUC

在現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)中，基帶處理是確保信號(hào)準(zhǔn)確傳輸和接收的基石。在這一領(lǐng)域中，所使用的眾多技術(shù)中，數(shù)字上變頻器（DUC）和數(shù)字下變頻器（DDC）發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

本文深入探討了DUC和DDC在基帶處理中的重要性，詳細(xì)闡述了它們的功能、作用，以及它們?nèi)绾螢闊o(wú)線通信系統(tǒng)的整體效率和可靠性做出貢獻(xiàn)。

一、什么是DUC

DUC（Digital Up Converters，數(shù)字上變頻），數(shù)字變頻技術(shù)的一種，用于將信號(hào)從較低頻率轉(zhuǎn)換到較高頻率。

在通信系統(tǒng)中，DUC通常用于發(fā)射端，將基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為高頻信號(hào)，以便通過(guò)天線發(fā)送出去。這包括頻譜搬移和頻譜合并兩個(gè)過(guò)程，即將基帶信號(hào)從0頻附近變換到中頻載波上，并將多路基帶信號(hào)合并成一路更高帶寬的中頻信號(hào)。

圖1展示了數(shù)字上變頻（DUC）的框圖。如圖所示，DUC的功能是將數(shù)字基帶樣本轉(zhuǎn)換為數(shù)字中頻樣本。

圖1 數(shù)字上變頻（DUC）的框圖。在這個(gè)DUC模塊之后，使用數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A轉(zhuǎn)換器）將數(shù)字中頻樣本轉(zhuǎn)換成模擬中頻信號(hào)。數(shù)模轉(zhuǎn)換器之后是射頻上變頻器，它將中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)以便傳輸。因此，中頻轉(zhuǎn)換頻率由本地振蕩器（LO，Local Oscillator）決定。最后，使用射頻功率放大器來(lái)放大信號(hào)，以補(bǔ)償從發(fā)射端到接收端的路徑損耗。

數(shù)字上變頻器由以下模塊組成：

? 插值濾波器（Interpolation Filter）
? 數(shù)字混頻器（Digital Mixer）
? 數(shù)字本地振蕩器（Digital Local Oscillator）

這些模塊共同協(xié)作，實(shí)現(xiàn)將數(shù)字基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字中頻信號(hào)的功能。插值濾波器用于提高信號(hào)的采樣率，以便在數(shù)字域中實(shí)現(xiàn)頻率的轉(zhuǎn)換。數(shù)字混頻器則利用數(shù)字本地振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)，將插值后的信號(hào)上變頻到所需的中頻。數(shù)字本地振蕩器負(fù)責(zé)生成一個(gè)穩(wěn)定的、頻率可控的數(shù)字信號(hào)，作為混頻過(guò)程中的參考信號(hào)。

在這里，混頻器（Mixer）針對(duì)兩個(gè)輸入樣本生成一個(gè)輸出樣本。這意味著：

混頻器輸出的樣本頻率 = 數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A轉(zhuǎn)換器）的樣本頻率 = Fs

本地振蕩器（LO）的采樣率 = 基帶采樣率 = Fs

由于基帶采樣頻率遠(yuǎn)低于本地振蕩器的采樣率Fs，因此使用了插值濾波器。

插值濾波器用于將基帶信號(hào)的采樣頻率提高N倍，這個(gè)N被稱為插值因子。

插值因子（N）決定了輸出所需采樣率與輸入基帶采樣率之間的比例關(guān)系。具體地：

? 基帶帶寬=0.8 * Fb（這里的0.8是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，用于確保信號(hào)在采樣和處理過(guò)程中不失真，并留有一定的余量以避免混疊效應(yīng)）

? 輸出采樣頻率Fs = Fb?* N

二、什么是DDC

DDC（Digital Down Converters，數(shù)字下變頻），是數(shù)字變頻技術(shù)的一種，用于將信號(hào)從較高頻率轉(zhuǎn)換到較低頻率。

在通信系統(tǒng)中，DDC通常用于接收端，將天線接收到的高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為基帶信號(hào)，便于后續(xù)的數(shù)字信號(hào)處理。這包括頻譜分離和頻譜搬移兩個(gè)過(guò)程，即將高帶寬的中頻信號(hào)分離成多路不同帶寬的基帶信號(hào)，并將這些基帶信號(hào)從中頻載波上變換到0頻附近。

圖2展示了數(shù)字下變頻器（DDC，Digital Down Conversion）的框圖。如圖所示，DDC的功能是將數(shù)字中頻樣本轉(zhuǎn)換為數(shù)字基帶樣本。

圖2 數(shù)字下變頻器（DDC，Digital Down Conversion）的框圖。

數(shù)字下變頻器由以下模塊組成：

? 數(shù)字混頻器（Digital Mixer）

? 數(shù)字本地振蕩器（Digital Local Oscillator）

? 低通濾波器（Low Pass Filter）

在抽樣率降低（Decimation）過(guò)程中，每N個(gè)數(shù)字樣本中會(huì)保留一個(gè)樣本。如果抽樣率降低后的輸出樣本率超過(guò)輸出帶寬的兩倍，那么就不會(huì)丟失任何信息。

我們了解到，抽樣率降低后的信號(hào)將具有更低的速率，因此也可以存儲(chǔ)在更少的內(nèi)存中。這將極大地降低系統(tǒng)的成本。總體而言，數(shù)字下變頻器（DDC）執(zhí)行以下信號(hào)處理任務(wù)：

利用可變本地振蕩器（LO）設(shè)備進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換。

進(jìn)行低通濾波，其帶寬由抽樣率降低過(guò)程控制。

在DDC中，基帶信號(hào)的帶寬是通過(guò)抽樣率降低因子（N）和低通有限脈沖響應(yīng)（FIR）濾波器來(lái)設(shè)置的：

? 基帶采樣頻率 Fb = Fs / N（其中Fs是原始采樣頻率）
? 基帶帶寬 = 0.8 * Fb（這里的0.8是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，用于確保信號(hào)在采樣和處理過(guò)程中不失真，并留有一定的余量以避免混疊效應(yīng)）

通過(guò)調(diào)整抽樣率降低因子N和低通FIR濾波器的參數(shù)，我們可以靈活地控制DDC輸出基帶信號(hào)的帶寬和采樣率，以滿足不同無(wú)線通信系統(tǒng)的需求。這種靈活性使得DDC成為現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)中不可或缺的一部分，它有助于提高系統(tǒng)的整體性能和效率。

三、DUC VS DDC

四、總結(jié)

綜上所述，DDC和DUC在無(wú)線通信系統(tǒng)中分別扮演著接收端和發(fā)射端的角色，它們的數(shù)字處理流程、關(guān)鍵組件以及輸出信號(hào)等方面都存在顯著差異，但共同協(xié)作實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的準(zhǔn)確傳輸和接收。