漫談示波器的DDC（數(shù)字下變頻）技術(shù)

如今隨著電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的日趨復(fù)雜，測(cè)試內(nèi)容也越來越復(fù)雜，人們可能不僅需要知道信號(hào)的時(shí)域特性，也想了解信號(hào)的頻域特性，或者多域的聯(lián)合特性也需要進(jìn)行測(cè)量。結(jié)果是，很可能在工作測(cè)試臺(tái)上擺滿了各種儀器：示波器、頻譜儀……等等，工作空間受到擠占，并且更重要的是測(cè)試工作變得復(fù)雜，各種儀器的復(fù)雜連接，儀器間的同步問題需要解決……。因此，對(duì)于一般的調(diào)試測(cè)量，人們希望能有一臺(tái)多功能的儀器，既能滿足時(shí)域測(cè)試的需求，又能進(jìn)行頻域的分析，甚至?xí)r頻域信號(hào)一起進(jìn)行相參的聯(lián)合調(diào)試，再甚至對(duì)于一些矢量信號(hào)也能進(jìn)行分析。示波器作為最基本的測(cè)試測(cè)量儀器被廣泛的使用，如果能融入這些分析功能，將給工程師們帶來極大的便利。目前，各示波器廠家也推出了一些多合一的示波器，技術(shù)也各不相同，不是分離的時(shí)域和頻域通道測(cè)量，就是采用軟件計(jì)算的方式進(jìn)行分析，因此也面臨一些問題。例如在頻譜分析時(shí)，我們知道RBW（分辨率帶寬）與信號(hào)的捕獲時(shí)間成反比關(guān)系，如果需要小的RBW（通俗說就是頻譜看的更精細(xì)），那就需要更長捕獲時(shí)間，采樣率必然會(huì)降低，那么對(duì)于高頻的信號(hào)將無法進(jìn)行分析。相反，如果要對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行分析，那么RBW將會(huì)較大，頻率分辨率將會(huì)變?nèi)?。另外，在矢量信?hào)分析中，同樣會(huì)受到示波器存儲(chǔ)空間和采樣率的限制，導(dǎo)致不能對(duì)更長時(shí)間的信號(hào)進(jìn)行分析。那么對(duì)于這些測(cè)量當(dāng)中的問題，如何通過示波器設(shè)計(jì)來解決呢？本文介紹了R&S公司示波器采用的DDC（數(shù)字下變頻）技術(shù)，很好的解決了以上問題，將多域聯(lián)合測(cè)試發(fā)揮的淋漓盡致。

2 DDC介紹

DDC（Digital Down Converter）即數(shù)字下變頻，是通過NCO（數(shù)控振蕩器）產(chǎn)生與射頻或中頻信號(hào)載波相同頻率的正弦或余弦信號(hào)，與射頻或中頻信號(hào)相乘，最后通過濾波、重采樣得到基帶信號(hào)的過程。

由于數(shù)字信號(hào)處理的巨大優(yōu)勢(shì)，使其得到了廣泛的應(yīng)用。在無線通信系統(tǒng)中，也越來越希望能將A/D（模數(shù)）、D/A（數(shù)模）轉(zhuǎn)換靠近射頻前端，從而能通過數(shù)字信號(hào)處理來實(shí)現(xiàn)通信中的各種功能。然而目前受ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）和DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）發(fā)展水平的限制，直接在很高頻的射頻端進(jìn)行AD變換再進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理非常困難——數(shù)字示波器也一樣，如受處理能力限制，如果在射頻端對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行AD采樣，需要很高的采樣率，捕獲時(shí)間一旦加長，樣本點(diǎn)數(shù)就會(huì)非常巨大，此時(shí)就會(huì)發(fā)現(xiàn)示波器處理時(shí)間變長，反應(yīng)很緩慢。為了解決ADC與DSP的這個(gè)矛盾，采用DDC將信號(hào)變頻到基帶，再使用更低的速率進(jìn)行重采樣，就能減小數(shù)據(jù)量，提高DSP的效率。

圖1 DDC原理框圖

圖1為DDC原理框圖，主要由NCO、混頻器、低通濾波器和重采樣幾個(gè)模塊組成。射頻信號(hào)通過高速ADC后變?yōu)閿?shù)字信號(hào)In(n)：
In(n) = s(n)×cos(wn) (1)

其中，s(n)為信號(hào)，cos(wn)為載波，w為載波頻率。NCO產(chǎn)生與射頻信號(hào)頻率相同的本振信號(hào)f(n)：
f(n) = cos(wn) (2)

本振信號(hào)與射頻信號(hào)混頻相乘后得到信號(hào)m(n)：
m(n) = In(n)×f(n) = s(n)×cos(wn)×cos(wn)
= 1/2s(n)[cos(2wn)+1] (3)

將信號(hào)m(n)進(jìn)行低通濾波和重采樣后便可得到輸出信號(hào)Out(n)：
Out(n) = 1/2s(n) (4)

由此可見，通過DDC，即保留了真實(shí)的有用信號(hào)s(n)，又通過重采樣使得數(shù)據(jù)量大大減少，提高了后續(xù)信號(hào)處理的效率。同樣，如果在數(shù)字示波器中使用了DDC技術(shù)，不但能保留射頻信號(hào)中的有用信號(hào)，同時(shí)能大大減少數(shù)據(jù)量，提高示波器的處理速度。

下面我們就來討論R&S示波器中的DDC應(yīng)用。

3 R&S示波器硬件實(shí)現(xiàn)的DDC

在討論R&S示波器中的DDC應(yīng)用之前，我們先來比較一下R&S數(shù)字示波器與傳統(tǒng)數(shù)字示波器結(jié)構(gòu)上的不同。

圖2 傳統(tǒng)數(shù)字示波器結(jié)構(gòu)框圖

圖2為傳統(tǒng)數(shù)字示波器的基本結(jié)構(gòu)框圖。信號(hào)通過模擬通道進(jìn)入示波器，經(jīng)過垂直增益放大器和濾波，通過ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，由采集存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)下來，再通過軟件的方式進(jìn)行后續(xù)的處理，最終顯示在示波器屏幕上。傳統(tǒng)數(shù)字示波器采用軟件處理的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在硬件上并沒有DDC的結(jié)構(gòu)。因此對(duì)一些高頻信號(hào)進(jìn)行采集或者頻譜分析的時(shí)候，必須在高采樣率下進(jìn)行，由于示波器本身存儲(chǔ)空間有限，因此采集或分析的信號(hào)時(shí)間長度也相對(duì)較短。

圖3 R&S數(shù)字示波器結(jié)構(gòu)框圖

圖3為R&S數(shù)字示波器的基本結(jié)構(gòu)框圖。信號(hào)處理流程與傳統(tǒng)數(shù)字示波器并無太大差別，但使用了較多的硬件結(jié)構(gòu)，包括觸發(fā)系統(tǒng)、數(shù)字處理、DDC等。其它硬件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)本文不作討論，但可以明顯的注意到該結(jié)構(gòu)中使用了硬件實(shí)現(xiàn)的DDC。由于使用了硬件的DDC結(jié)構(gòu)，可以對(duì)信號(hào)先下變頻到基帶，再以較低的采樣率進(jìn)行重采樣，在相同存儲(chǔ)空間的情況下，可以采集或分析更長時(shí)間的信號(hào)。并且由于是硬件的實(shí)現(xiàn)方式，速度也會(huì)較快。

下面，就DDC在I/Q解調(diào)和頻譜分析當(dāng)中的應(yīng)用進(jìn)行討論。

3.1 I/Q解調(diào)中的DDC

我們先來看一個(gè)真實(shí)測(cè)試中遇到的問題：待測(cè)信號(hào)為一個(gè)載波頻率為300MHz，調(diào)制帶寬為2MHz的調(diào)制信號(hào)。那么如果用示波器對(duì)該信號(hào)進(jìn)行采集，希望采集時(shí)間盡量長，最長可以采集多少秒時(shí)間的信號(hào)？對(duì)于這個(gè)問題，我們從信號(hào)分析的角度來進(jìn)行分析。
首先對(duì)于這類調(diào)制信號(hào)，軍用的有雷達(dá)信號(hào)（如chirp信號(hào)），民用的有一般通信信號(hào)（如QAM信號(hào)），這些信號(hào)絕大多數(shù)為矢量信號(hào)。對(duì)于這類信號(hào)的分析，一定會(huì)用到正交解調(diào)即I/Q解調(diào)。傳統(tǒng)數(shù)字示波器對(duì)于該類信號(hào)只能先直接對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行采集，得到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)下來后，再交由專用軟件或者用第三方軟件編程進(jìn)行處理（包括I/Q解調(diào)和后續(xù)處理）。

圖4 傳統(tǒng)數(shù)字示波器對(duì)調(diào)制信號(hào)處理流程

圖4顯示了傳統(tǒng)示波器對(duì)于該類調(diào)制信號(hào)的處理流程。針對(duì)上述問題，載波頻率為300MHz，調(diào)制帶寬為2MHz，那么信號(hào)的最高頻率為301MHz。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，ADC所用的采樣率必須為信號(hào)最高頻率的2倍及以上才能真實(shí)的還原波形。我們假設(shè)傳統(tǒng)示波器ADC使用2倍最高頻率即602MSa/s的采樣率進(jìn)行采樣（示波器采用剛好2倍關(guān)系的采樣率一般是不推薦的，一般采用3~5倍的關(guān)系才能較為真實(shí)的還原波形），假設(shè)示波器存儲(chǔ)深度為10MSa，那么所能采集信號(hào)的最長時(shí)間為10MSa / (602MSa/s) ≈ 16.6ms。即使用傳統(tǒng)示波器對(duì)該類信號(hào)進(jìn)行采集，只能采集10多毫秒時(shí)間的信號(hào)。如果針對(duì)載頻更高的信號(hào)，如2GHz，采集時(shí)間則會(huì)更短。

對(duì)于上述問題，R&S示波器采用了硬件實(shí)現(xiàn)的I/Q解調(diào)模塊，其中最重要的部分就是DDC。通過使用該模塊，可以采集盡可能長時(shí)間的調(diào)制信號(hào)。