IF/RF數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中的數(shù)字信號處理

　　摘要：為了滿足智能手機(jī)功能日益提高的數(shù)據(jù)需求，現(xiàn)代數(shù)字移動通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施必須持續(xù)發(fā)展以支持更寬的帶寬和更快的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。為實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)速率，數(shù)字轉(zhuǎn)換器中的數(shù)字中頻處理、包括DDC（數(shù)字下變頻器）和DUC（數(shù)字上變頻器）是其中主要的功能模塊。這些數(shù)字功能可在DSP和FPGA中實(shí)現(xiàn)，某些大公司也會構(gòu)建自己的數(shù)字中頻處理ASIC。ADI公司正在將越來越多的此類數(shù)字中頻處理模塊集成到高速轉(zhuǎn)換器IC中，從而大幅減輕設(shè)計(jì)工作，節(jié)省系統(tǒng)成本和功耗。本文探討ADI公司IF和RF轉(zhuǎn)換器中的集成DDC和DUC通道，并說明它們在實(shí)際應(yīng)用中如何工作。

　　高速轉(zhuǎn)換器是現(xiàn)代無線基站系統(tǒng)的關(guān)健功能之一。越來越多的此類轉(zhuǎn)換器集成了復(fù)雜的數(shù)字信號處理模塊，以便簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的FPGA工作。轉(zhuǎn)換器中的數(shù)字信號處理模塊對系統(tǒng)設(shè)計(jì)非常有益，但這些益處尚未得到很多工程師的全面了解。希望本文能給數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中的DDC和DUC功能做一個清楚的說明，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能充分利用ADI轉(zhuǎn)換器給收發(fā)器架構(gòu)帶來的好處。注意：本文將聚焦于ADC和DAC中的數(shù)字處理模塊；因此，某些描述中將發(fā)射機(jī)和接收機(jī)模塊加以合并。請忽略可能引起混淆的信號流向。

　　在現(xiàn)代數(shù)字移動通信系統(tǒng)中，發(fā)射和接收路徑（包括下面描述中的反饋接收路徑）可根據(jù)信號特性分為三個主要電路級：射頻級、模擬中頻級和數(shù)字中頻級。圖1是典型發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的框圖。射頻級處理射頻信號，在當(dāng)前LTE標(biāo)準(zhǔn)中，其信號頻率范圍一般是700 MHz到3.8 GHz。

　　經(jīng)過混頻器、調(diào)制器或解調(diào)器—這些都是混頻單元—處理后，射頻信號移動到DC至300 MHz以下的較低頻率。從數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器到混頻器的處理模塊包括轉(zhuǎn)換器（ADC或DAC）、模擬濾波器和中頻放大器。我們可以把該級稱為模擬中頻級。

　　轉(zhuǎn)換器之后（事實(shí)上是在轉(zhuǎn)換器的量化器部分之后），信號變?yōu)閿?shù)字信號；它與隨后的FPGA或ASIC一起，我們稱之為數(shù)字中頻級。對于此級中的各數(shù)字信號處理模塊，在Tx路徑中通常稱之為DUC（數(shù)字上變頻器），在Rx路徑中通常稱之為DDC（數(shù)字下變頻器）。

　　直接射頻架構(gòu)是例外，其中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器直接對射頻信號采樣，因而沒有模擬中頻級，信號鏈僅由射頻級和數(shù)字中頻級構(gòu)成。

　　圖1.發(fā)射機(jī)或接收機(jī)的典型框圖。

　　典型DDC模塊包括載波選擇、下變頻器、濾波器和抽取器。這些功能模塊按順序工作，或者可分別予以旁路，最終根據(jù)后續(xù)FPGA或ASIC（其采樣速率較低）的要求，產(chǎn)生一個位于DC的復(fù)信號或一個實(shí)信號。

　　典型DUC模塊包括插值、濾波器、上變頻器和載波合并器。根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，DUC產(chǎn)生一個位于DC的復(fù)信號或中頻信號，或者直接產(chǎn)生射頻信號。DUC的處理幾乎與DDC的處理相反。

　　常常將多個DDC和DUC級級聯(lián)以提供靈活性。獨(dú)立的DDC和DUC需要并行處理多個載波，合并之后輸出發(fā)射信號或在接收信號中將其分離。

　　DDC

　　Rx鏈路需要較高采樣速率以避免信號混疊，簡化模擬濾波器設(shè)計(jì)，提供更寬的信號頻帶。但另一方面，為了節(jié)省功耗、成本以及FPGA/ASIC中的高速邏輯，最好降低接口上的數(shù)據(jù)速率。轉(zhuǎn)換器的集成DDC將解決上述要求。圖2是典型DDC的框圖。

　　圖2.DDC框圖

　　NCO和混頻器

　　為了從干擾（阻塞信號和其他載波）中選擇所需的載波，NCO的輸出頻率與輸入中頻信號混頻以將所需載波頻移到DC。這樣可以降低后續(xù)濾波和抽取級的復(fù)雜度。

　　濾波和抽取

　　在NCO和混頻級之后，使用一個低通濾波器來選取所需的濾波并抑制其他不需要的信號。濾波器之后，使用一個2倍抽取器來降低數(shù)據(jù)速率。為了節(jié)省資源并向客戶提供靈活性，半帶FIR濾波器加2倍抽取器被合并在一個模塊中；重復(fù)使用該模塊以級聯(lián)三到四級。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者可根據(jù)應(yīng)用需要選擇使用其中的一部分或全部。轉(zhuǎn)換器也可能提供2倍之外的其它抽取率以提供更大的靈活性，尤其是在RF ADC中。

　　DUC

　　Tx鏈具有與Rx鏈相同的要求：需要高采樣速率以簡化濾波器設(shè)計(jì)，使信號頻率位于高中頻或直接變?yōu)樯漕l，以及遠(yuǎn)遠(yuǎn)地推開鏡像，但接口希望使用較低的數(shù)據(jù)速率。轉(zhuǎn)換器的集成DUC將解決這些要求。圖3是典型DUC的框圖。

　　插值和濾波

　　最簡單的數(shù)字插值算法稱為“零填充”，即在每兩個樣本之間插入0。采樣速率加倍，但在得到的頻譜中也會產(chǎn)生頻率為Fs –Fif的鏡像。因此，在插值器之后需要使用一個濾波器級，以便消除鏡像或原始載波（依據(jù)應(yīng)用而定）。如果消除的是原始載波，結(jié)果將是插值和Fs/2的粗調(diào)。

　　像在DDC中一樣，2倍插值和濾波器被合并為一個模塊。然后重復(fù)此功能模塊并級聯(lián)三到四級，以提高靈活性。也可使用2倍之外的其他插值系數(shù)以提供更大的靈活性，尤其是在RF DAC中。

　　NCO和混頻器

　　DUC中的NCO和混頻器級與DDC中的相同模塊非常相似，但功能相反，即根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)的要求，將載波頻移到所需的中頻或射頻頻率。在零中頻架構(gòu)中，可旁路此模塊以使載波保持在DC。

　　增益、相位、I/Q偏移和反Sinc

　　增益、相位調(diào)整、I/Q偏移和反sinc模塊是許多IF/RF DAC的附件。

　　增益、相位調(diào)整和I/Q偏移常常一起使用以獨(dú)立調(diào)諧輸出信號I/Q通道，補(bǔ)償不同類型的I/Q失配（DAC、模擬濾波器和調(diào)制器引起），最終從模擬調(diào)制器后輸出一個低本振泄漏和低鏡像的理想復(fù)信號。

　　圖3.DUC框圖

　　反sinc濾波器補(bǔ)償DAC引起的sinc滾降，這種滾降會影響平坦度和信號幅度，尤其是在采用高中頻或直接射頻架構(gòu)的寬帶應(yīng)用中。

　　總結(jié)

　　本文簡要說明了當(dāng)前IF/RF轉(zhuǎn)換器中集成的典型DDC和DUC——它們是何物，為何需要它們，以及它們在信號鏈中如何工作。適當(dāng)了解這些內(nèi)容并正確使用它們將能減少資源占用并減輕FBGA/ASIC中的編碼工作，以及節(jié)省系統(tǒng)的功耗和成本。更多詳情和說明請參閱以下參考文獻(xiàn)。

　　參考文獻(xiàn)

　　1. AD9680數(shù)據(jù)手冊。ADI公司，2015年。

　　2. AD9154數(shù)據(jù)手冊。ADI公司，2015年。

　　3.Brad Brannon和Rob Reeder。應(yīng)用筆記AN-835，了解高速ADC測試和評估。ADI公司，2015年。

　　4.JusTIn Munson。應(yīng)用筆記AN-928，了解高速DAC測試和評估。ADI公司，2013年。

　　5.Brad Brannon。“超外差多通道數(shù)字接收機(jī)設(shè)計(jì)。”ADI公司

　　6.應(yīng)用筆記1298，“通信系統(tǒng)中的數(shù)字調(diào)制—導(dǎo)論。”Agilent。

　　7. “3GPP TS 36.104 V10.1.0 （2010-12）。”3GPP。

　　8.Steven W. Smith。面向科學(xué)家和工程師的數(shù)字信號處理指南。California Technical Publishing，1999年。

　　作者簡介

　　Alex Zou于1999年畢業(yè)于中國電子科技大學(xué)，獲得無線電物理學(xué)碩士學(xué)位。他曾在中國電信擔(dān)任硬件設(shè)計(jì)工程師，并在恩智浦半導(dǎo)體擔(dān)任應(yīng)用工程師，后于2007年加入ADI公司，擔(dān)任高級現(xiàn)場應(yīng)用工程師，負(fù)責(zé)支持無線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用。

　　在線支持社區(qū)

　　訪問ADI在線支持社區(qū)，與ADI技術(shù)專家互動。提出您的棘手設(shè)計(jì)問題、瀏覽常見問題解答，或參與討論。