科普RRU数字基带处理之DDC和DUC

在现代无线通信系统中，基带处理是确保信号准确传输和接收的基石。在这一领域中，所使用的众多技术中，数字上变频器（DUC）和数字下变频器（DDC）发挥着至关重要的作用。

本文深入探讨了DUC和DDC在基带处理中的重要性，详细阐述了它们的功能、作用，以及它们如何为无线通信系统的整体效率和可靠性做出贡献。

一、什么是DUC

DUC（Digital Up Converters，数字上变频），数字变频技术的一种，用于将信号从较低频率转换到较高频率。

在通信系统中，DUC通常用于发射端，将基带信号转换为高频信号，以便通过天线发送出去。这包括频谱搬移和频谱合并两个过程，即将基带信号从0频附近变换到中频载波上，并将多路基带信号合并成一路更高带宽的中频信号。

图1展示了数字上变频（DUC）的框图。如图所示，DUC的功能是将数字基带样本转换为数字中频样本。

图1 数字上变频（DUC）的框图。在这个DUC模块之后，使用数模转换器（D/A转换器）将数字中频样本转换成模拟中频信号。数模转换器之后是射频上变频器，它将中频信号转换为射频信号以便传输。因此，中频转换频率由本地振荡器（LO，Local Oscillator）决定。最后，使用射频功率放大器来放大信号，以补偿从发射端到接收端的路径损耗。

数字上变频器由以下模块组成：

• 插值滤波器（Interpolation Filter）
• 数字混频器（Digital Mixer）
• 数字本地振荡器（Digital Local Oscillator）

这些模块共同协作，实现将数字基带信号转换为数字中频信号的功能。插值滤波器用于提高信号的采样率，以便在数字域中实现频率的转换。数字混频器则利用数字本地振荡器产生的信号，将插值后的信号上变频到所需的中频。数字本地振荡器负责生成一个稳定的、频率可控的数字信号，作为混频过程中的参考信号。

在这里，混频器（Mixer）针对两个输入样本生成一个输出样本。这意味着：

混频器输出的样本频率 = 数模转换器（D/A转换器）的样本频率 = Fs

本地振荡器（LO）的采样率 = 基带采样率 = Fs

由于基带采样频率远低于本地振荡器的采样率Fs，因此使用了插值滤波器。

插值滤波器用于将基带信号的采样频率提高N倍，这个N被称为插值因子。

插值因子（N）决定了输出所需采样率与输入基带采样率之间的比例关系。具体地：

• 基带带宽=0.8 * Fb（这里的0.8是一个经验值，用于确保信号在采样和处理过程中不失真，并留有一定的余量以避免混叠效应）

• 输出采样频率Fs = Fb * N

二、什么是DDC

DDC（Digital Down Converters，数字下变频），是数字变频技术的一种，用于将信号从较高频率转换到较低频率。

在通信系统中，DDC通常用于接收端，将天线接收到的高频信号转换为基带信号，便于后续的数字信号处理。这包括频谱分离和频谱搬移两个过程，即将高带宽的中频信号分离成多路不同带宽的基带信号，并将这些基带信号从中频载波上变换到0频附近。

图2展示了数字下变频器（DDC，Digital Down Conversion）的框图。如图所示，DDC的功能是将数字中频样本转换为数字基带样本。

图2 数字下变频器（DDC，Digital Down Conversion）的框图。

数字下变频器由以下模块组成：

• 数字混频器（Digital Mixer）

• 数字本地振荡器（Digital Local Oscillator）

• 低通滤波器（Low Pass Filter）

在抽样率降低（Decimation）过程中，每N个数字样本中会保留一个样本。如果抽样率降低后的输出样本率超过输出带宽的两倍，那么就不会丢失任何信息。

我们了解到，抽样率降低后的信号将具有更低的速率，因此也可以存储在更少的内存中。这将极大地降低系统的成本。总体而言，数字下变频器（DDC）执行以下信号处理任务：

利用可变本地振荡器（LO）设备进行频率转换。

进行低通滤波，其带宽由抽样率降低过程控制。

在DDC中，基带信号的带宽是通过抽样率降低因子（N）和低通有限脉冲响应（FIR）滤波器来设置的：

• 基带采样频率 Fb = Fs / N（其中Fs是原始采样频率）
• 基带带宽 = 0.8 * Fb（这里的0.8是一个经验值，用于确保信号在采样和处理过程中不失真，并留有一定的余量以避免混叠效应）

通过调整抽样率降低因子N和低通FIR滤波器的参数，我们可以灵活地控制DDC输出基带信号的带宽和采样率，以满足不同无线通信系统的需求。这种灵活性使得DDC成为现代无线通信系统中不可或缺的一部分，它有助于提高系统的整体性能和效率。

三、DUC VS DDC

四、总结

综上所述，DDC和DUC在无线通信系统中分别扮演着接收端和发射端的角色，它们的数字处理流程、关键组件以及输出信号等方面都存在显著差异，但共同协作实现了信号的准确传输和接收。