[科普中国]-下变频

概念

在通信系统中，为了易于信号发射以及实现信道复用，传输的信号频率很高，因而信号的频率变换是通信系统研究的重要内容。根据频率变换前后的情况可以分为下变频（频率减少）和上变频（频率增加）。在接收机中进行的是下变频。下变频的方法是将接收信号与本地振荡器产生的本振信号相乘，然后通过低通滤波器获得变频后的信号。两个相乘信号通过实数或复数表示可以分为实混频和复混频。

实混频下变频为了将包含所需通道的信号进行下变频，所接收到的射频信号可以与一个实的本振信号进行混频或相乘，并进行低通滤波，若本振频率为fLO，中频频率为fIF。实混频下变频可以将中心频率位于fc=fLO+fIF的信号转换为中心频率为fIF的信号。由于采用了实混频，因此还有一个频率转换的过程，即中心频率位于fM=fLO-fIF的信号也可通过与本振信号相乘滤波而转换为中心频率为fIF的信号。

在中频观察到的信号包含两个不同的信号，分别称为所需信号及其镜像信号，这种现象也称为镜像信号干扰现象。从另一个角度来看，镜像频率干扰现象是因为实信号的正频率部分和负频率部分分别向中频移动而发生混叠造成的。

根据本地振荡器的频率fLO低于或高于所需信号的中心频率的情况，镜像信号频率将相应低于或高于所需信号频率。无论何种方式，所需频道与镜像频道之间的间隔均为2fIF。

对于镜像信号现象，传统的方法是采用镜像抑制滤波（IR），即通过采用带通滤波器在频率变换之前对镜像信号进行抑制。这需要对中频频率进行正确的选择：一方面，中频频率应该足够高，因为所需信号与镜像信号之间的间隔为2fIF，且镜像抑制滤波器工作在射频，为了能够抑制镜像信号，需要高的中频；另一方面，为了实现高Q值的带通滤波器，以抑制带内的干扰信号，实现高选择性的信道滤波，需要低的中频。在接收机设计中需要进行综合考虑。1

复混频下变频信号的频谱分为正频率部分和负频率部分，镜像干扰问题是下变频时由信号的正负频率部分向中频移动而造成的。如果可以将正频率部分和负频率部分相分离，则镜像问题就可以得到轻松解决，这可以通过复信号处理技术来实现。

在理想情况下，正交下变频技术具有完全的镜像信号抑制能力，消除了射频镜像抑制滤波器的使用，大大放宽了对模拟射频滤波器的总要求，简化了射频前端，使接收机集成更为方便。然而，这需要同相信号和正交信号（I、Q信号）两个支路完全平衡。但在实际应用中，这一点是不可能实现的，镜像信号的抑制能力为20～40dB。

除镜像频率问题外，在频率和相位调制系统中，接收机解调需要采用正交下变频方式。

带通采样直接下变频在带通采样中，若采样速率为fs，则采样后的频谱会反射或折叠进直流到fs/2的第1Nyquist区，此时绝对频率信息丢失了，即出现了频谱的搬移。如果选择合适的采样速率，则可以直接通过采样来实现信号的下变频。对于载波频率为fc的模拟信号，如果采样速率fs满足：fc=Kfs≥k·2B则采样后该载波频率fc会折叠进第1Nyquist区，频率转换为0，即该信号直接下变频到基带。但对于具有双边带的模拟信号而言，必然会出现频谱混叠现象，所以必须采用复采样方式。如果对于特殊的单边带信号，载波频率与信号最高频率（取下边带时）或最低频率（取上边带时）相同，则可以采用常规的采样方式直接下变频。

从另外的角度看，采样实际也是一种相乘混频的过程，因为采样是通过输入模拟信号与周期性冲激信号δT(t)相乘实现的。采用这种下变频的方法可以使接收机的结构非常简单，不仅实现了数字化，同时实现了下变频。2