新聞中心

EEPW首頁 > 測(cè)試測(cè)量 > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 漫談示波器的DDC(數(shù)字下變頻)技術(shù)

漫談示波器的DDC(數(shù)字下變頻)技術(shù)

作者: 時(shí)間:2017-02-06 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
1 引言

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。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201702/338121.htm

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)。


上一頁 1 2 3 下一頁

關(guān)鍵詞: 示波器DDC數(shù)字下變

評(píng)論


技術(shù)專區(qū)

關(guān)閉