漫谈示波器的DDC（数字下变频）技术

图3为R&S数字示波器的基本结构框图。信号处理流程与传统数字示波器并无太大差别，但使用了较多的硬件结构，包括触发系统、数字处理、DDC等。其它硬件结构的特点与优势本文不作讨论，但可以明显的注意到该结构中使用了硬件实现的DDC。由于使用了硬件的DDC结构，可以对信号先下变频到基带，再以较低的采样率进行重采样，在相同存储空间的情况下，可以采集或分析更长时间的信号。并且由于是硬件的实现方式，速度也会较快。

下面，就DDC在I/Q解调和频谱分析当中的应用进行讨论。

3.1 I/Q解调中的DDC

我们先来看一个真实测试中遇到的问题：待测信号为一个载波频率为300MHz，调制带宽为2MHz的调制信号。那么如果用示波器对该信号进行采集，希望采集时间尽量长，最长可以采集多少秒时间的信号？对于这个问题，我们从信号分析的角度来进行分析。
首先对于这类调制信号，军用的有雷达信号（如chirp信号），民用的有一般通信信号（如QAM信号），这些信号绝大多数为矢量信号。对于这类信号的分析，一定会用到正交解调即I/Q解调。传统数字示波器对于该类信号只能先直接对射频信号进行采集，得到数据存储下来后，再交由专用软件或者用第三方软件编程进行处理（包括I/Q解调和后续处理）。

图4 传统数字示波器对调制信号处理流程

图4显示了传统示波器对于该类调制信号的处理流程。针对上述问题，载波频率为300MHz，调制带宽为2MHz，那么信号的最高频率为301MHz。根据奈奎斯特采样定理，ADC所用的采样率必须为信号最高频率的2倍及以上才能真实的还原波形。我们假设传统示波器ADC使用2倍最高频率即602MSa/s的采样率进行采样（示波器采用刚好2倍关系的采样率一般是不推荐的，一般采用3~5倍的关系才能较为真实的还原波形），假设示波器存储深度为10MSa，那么所能采集信号的最长时间为10MSa / (602MSa/s) ≈ 16.6ms。即使用传统示波器对该类信号进行采集，只能采集10多毫秒时间的信号。如果针对载频更高的信号，如2GHz，采集时间则会更短。

对于上述问题，R&S示波器采用了硬件实现的I/Q解调模块，其中最重要的部分就是DDC。通过使用该模块，可以采集尽可能长时间的调制信号。

图5 R&S数字示波器对调制信号处理流程

图5显示了R&S示波器对调制信号的处理流程，其中I/Q解调模块如图6所示。

图6 R&S数字示波器I/Q解调模块

R&S数字示波器在前端的ADC始终保持对射频信号以最高实时采样率进行采集（如10GSa/s或20GSa/s），转换成数字信号后再通过I/Q解调模块对数字化后的射频信号进行数字下变频、滤波得到频率较低的基带信号，最后通过重采样降低数据量，存储下来送到软件进行处理。

I/Q解调模块主要由DDC构成，包括NCO、乘法器、低通滤波器和重采样几个部分构成，如图6所示。NCO负责生成本振频率，在“Carrier freq.”处设置。一般设置为与射频载波相同的频率，设置好后，NCO及产生两路正交频率相同的信号。两路正交信号分别与射频信号相乘，通过滤波得到正交的两路基带信号。滤波带宽可在“Rel.BW”处设置。在“Sample rate”处设置重采样率，最后经过重采样将基带信号保存下来。通过该种处理方式，一是可以省去软件中进行I/Q解调的处理过程。更重要的是，在示波器存储空间有限的情况下，可以存储分析更长时间的信号。例如针对本小节开头的问题，对于载波频率300MHz，调制带宽2MHz的信号，通过设置“Carrier freq.”即本振频率跟载波频率一样，为300MHz，那么经过下变频后信号变为基带，带宽就只有2MHz。重采样率“Sample rate”设置也以2倍关系来算，那么只需设置为2×2=4MSa/s。存储深度仍假设为10MSa，那么可采集和分析的信号时间则为10MSa / (4MSa/s) = 2.5s !!! 时间长度一下就提高了150倍以上！

对于如此高效的利用存储空间，有些朋友很是吃惊，也不免有些难以理解。可能会认为，即使加入了DDC结构，也还是数字信号处理，在前端仍存在着ADC。也就是说示波器仍需在前端对射频信号采样，仍需对射频信号满足2倍的奈奎斯特定理，那么计算下来，也只能存储16.6ms的信号，哪里来的2.5s呢。我们再仔细分析一下信号处理流程就能知晓其中的缘由。

图7 一般认为的信号处理流程

一般认为的信号处理流程如图7所示。对于这种结构，就如上面所理解的一样，这种情况下即使使用了DDC，仍需先将射频采集的信号先存储下来，因此还是会受高采样率的影响。对于上述例子，只能存储16.6ms的信号。但R&S示波器真正的处理流程却如图8所示。

图8 R&S示波器信号处