探讨一些关于ADC技术层面的问题（下）
四、adc中的nco和ddc如何工作的
首先我们先来回答几个问题。
为什么要做降采样？降采样，顾名思义，降低采样率。为什么要做降采样，那是因为之前用了采样率过高的adc。那为啥不直接用低采样率的adc就可以了吗？
用高速的adc，个人觉得主要原因如下：
第一、因为接收和采集的信号是宽带、高速的信号，需要采集的信号往往是一些宽带的信号，必要时候还需要在一个很宽的频段内进行扫频。所以为了实现匹配，采用高速的adc是必备的。
第二、可以降低对射频前端模拟滤波器的要求。滤波器的设计难点在于尽量需要一个很好的矩形系数，又希望只采用几阶就能够实现，这之间就存在trade-off的设计。
模拟滤波器通带越窄、带外衰减越陡峭、衰减越大，需要的滤波器阶数就越多，滤波器的设计成本就越高，有时甚至无法研制出来。所以采用宽带的滤波器结合逐级滤波，进来的信号量也就很大，就需要用到高速的adc了。
为什么又需要再后面降低采样率呢？主要是因为adc过后，需要将数据传输到后续的dsp、fpga等基带数字信号处理电路进行分析处理，这中间存在一个速率匹配的问题。
高速的adc不经过降采样出来的信号速率通常很高，dsp的时钟速率是无法跟上的，所以需要经过降采样处理。第二，adc的数据输出接口如果一直保持在很高的数据传输速率下，其需要驱动的功率就很高，功耗也提高，芯片的功耗、散热是一个非常大的问题。
为什么是先滤波、再降采样而不是先降采样再滤波？在信号与系统中表述过，时域离散对应频域周期、时域连续对应频域离散。（信号与系统第三章和第四章）。直观的就是时域上的周期方波通过傅里叶变换成为了频域上的sinc函数，如下图。
图片来源：《信号与系统》
假设，输入信号如下左边是时域，右边是频域：
图片来源：《信号与系统》
经过adc采样之后，时域和频域分别变成如下，时域离散对应频域周期。
图片来源：《信号与系统》
降采样过程实际上是在对ad采样之后的数据进行抽取滤波，即是间隔一定的数量进行抽过去采样，如下图所示左所示。这个过程可以看作是对已经在频域上周期了的信号又做了一次周期，结果如下图右边所示。此时的信号在频域上面已经发生了混叠。
所以，需要在采样之后滤波，然后再进行降采样，就可以得到没有混叠的信号。
回到nco和ddc。nco：numerical controloscillator，数控振荡器，集成在ddc中，用于为输入信号分成i/q信号提供本振混频。
ddc：digital downconverters，数字下变频器，进行降采样工作。
图片来源：adi官网
信号经过采样之后进入ddc，首先通过nco，与nco提供的两路相位相差90°的信号进行混频，从一个较高频率变换到较低频率；然后通过滤波器进行抽过去滤波；接着选择性的是否进行一个放大；最后输出两路i/q信号。
图片来源：adi官网
ddc中的滤波器一般来说采用级联方式首先的，分为三级，按照顺序分别是梳状滤波器（cic），第二级半带滤波器（hbf），第三级有限冲激响应滤波器（fir）。
cic是一种不需要进行乘除法运算的滤波器，只需要加减法和移位运算就可以。乘法运算是一种非常耗费资源的运算，因为实际上在数字计算中本质上是没有乘法运算的，还是通过加减法结合移位运算进行的。
乘法运算实质上是一堆加减法+移位运算的集合。在提出cic之前都是直接用乘法运算进行一级滤波的，成本很高，同时运算速率有限。采用了cic能够很好的将高频速率降低，同时修复带内平坦度，为后面两级滤波设计降低了难度。
hbf作为第二级滤波器，运算量是fir的一半。
fir低通滤波器，它的作用是对经过抽取滤波后的波形进行整形，因为经过抽取滤波之后，仍然会有一部分波形处于有效频带之外，故需要低通滤波器将这部分带外波形除去，剩下带内的信号提供给后端的 dsp 处理。
参考文献：
信号处理机中的数字下变频技术研究;数字下变频芯片的前端设计;数字下变频技术及其fpga实现;《data conversion handbook》;《信号与系统》；
ICD配置文件的详细介绍和配置内容的详细概述
iPhone升级周期内或将销售大约1.8亿部新款iPhone
一位印度软件开发工程师的内心独白
5G和物联网掀起新的革命浪潮，价值巨大无可限量
汉莎航空计划淘汰部分空客A380超级客机改用波音客机
探讨一些关于ADC技术层面的问题（下）
心率监测器演示
学生党蓝牙耳机推荐500元以下、这四款蓝牙耳机最适合学生党
借助AI技术医疗健康行业将得到快速发展
三星已经启动了一项名为“ Galaxy To Go”的新服务
三星电子推出了全新一代折叠屏手机:三星Galaxy Z Fold2 5G
基于FPGA脑机接口实时系统
传感器在风电场中的关键技术分析
中国电信开展携号转网工作以来已完成了26个省的内测工作
LCD面板中长期仍将主导市场，周期属性正迎来改变
澳大利亚国立大学开发出一种“量子透镜”
免费WiFi风潮来袭，你享受到了吗？
耐压测试交流与直流之区别
小米5C真机谍照大曝光：全玻璃机身指纹解锁 堪称史上最美小米
一加手机2拆解 给人一种很扎实的感觉
首先我们先来回答几个问题。
为什么要做降采样？降采样，顾名思义，降低采样率。为什么要做降采样，那是因为之前用了采样率过高的adc。那为啥不直接用低采样率的adc就可以了吗？
用高速的adc，个人觉得主要原因如下：
第一、因为接收和采集的信号是宽带、高速的信号，需要采集的信号往往是一些宽带的信号，必要时候还需要在一个很宽的频段内进行扫频。所以为了实现匹配，采用高速的adc是必备的。
第二、可以降低对射频前端模拟滤波器的要求。滤波器的设计难点在于尽量需要一个很好的矩形系数，又希望只采用几阶就能够实现，这之间就存在trade-off的设计。
模拟滤波器通带越窄、带外衰减越陡峭、衰减越大，需要的滤波器阶数就越多，滤波器的设计成本就越高，有时甚至无法研制出来。所以采用宽带的滤波器结合逐级滤波，进来的信号量也就很大，就需要用到高速的adc了。
为什么又需要再后面降低采样率呢？主要是因为adc过后，需要将数据传输到后续的dsp、fpga等基带数字信号处理电路进行分析处理，这中间存在一个速率匹配的问题。
高速的adc不经过降采样出来的信号速率通常很高，dsp的时钟速率是无法跟上的，所以需要经过降采样处理。第二，adc的数据输出接口如果一直保持在很高的数据传输速率下，其需要驱动的功率就很高，功耗也提高，芯片的功耗、散热是一个非常大的问题。
为什么是先滤波、再降采样而不是先降采样再滤波？在信号与系统中表述过，时域离散对应频域周期、时域连续对应频域离散。（信号与系统第三章和第四章）。直观的就是时域上的周期方波通过傅里叶变换成为了频域上的sinc函数，如下图。
图片来源：《信号与系统》
假设，输入信号如下左边是时域，右边是频域：
图片来源：《信号与系统》
经过adc采样之后，时域和频域分别变成如下，时域离散对应频域周期。
图片来源：《信号与系统》
降采样过程实际上是在对ad采样之后的数据进行抽取滤波，即是间隔一定的数量进行抽过去采样，如下图所示左所示。这个过程可以看作是对已经在频域上周期了的信号又做了一次周期，结果如下图右边所示。此时的信号在频域上面已经发生了混叠。
所以，需要在采样之后滤波，然后再进行降采样，就可以得到没有混叠的信号。
回到nco和ddc。nco：numerical controloscillator，数控振荡器，集成在ddc中，用于为输入信号分成i/q信号提供本振混频。
ddc：digital downconverters，数字下变频器，进行降采样工作。
图片来源：adi官网
信号经过采样之后进入ddc，首先通过nco，与nco提供的两路相位相差90°的信号进行混频，从一个较高频率变换到较低频率；然后通过滤波器进行抽过去滤波；接着选择性的是否进行一个放大；最后输出两路i/q信号。
图片来源：adi官网
ddc中的滤波器一般来说采用级联方式首先的，分为三级，按照顺序分别是梳状滤波器（cic），第二级半带滤波器（hbf），第三级有限冲激响应滤波器（fir）。
cic是一种不需要进行乘除法运算的滤波器，只需要加减法和移位运算就可以。乘法运算是一种非常耗费资源的运算，因为实际上在数字计算中本质上是没有乘法运算的，还是通过加减法结合移位运算进行的。
乘法运算实质上是一堆加减法+移位运算的集合。在提出cic之前都是直接用乘法运算进行一级滤波的，成本很高，同时运算速率有限。采用了cic能够很好的将高频速率降低，同时修复带内平坦度，为后面两级滤波设计降低了难度。
hbf作为第二级滤波器，运算量是fir的一半。
fir低通滤波器，它的作用是对经过抽取滤波后的波形进行整形，因为经过抽取滤波之后，仍然会有一部分波形处于有效频带之外，故需要低通滤波器将这部分带外波形除去，剩下带内的信号提供给后端的 dsp 处理。
参考文献：
信号处理机中的数字下变频技术研究;数字下变频芯片的前端设计;数字下变频技术及其fpga实现;《data conversion handbook》;《信号与系统》；
ICD配置文件的详细介绍和配置内容的详细概述
iPhone升级周期内或将销售大约1.8亿部新款iPhone
一位印度软件开发工程师的内心独白
5G和物联网掀起新的革命浪潮，价值巨大无可限量
汉莎航空计划淘汰部分空客A380超级客机改用波音客机
探讨一些关于ADC技术层面的问题（下）
心率监测器演示
学生党蓝牙耳机推荐500元以下、这四款蓝牙耳机最适合学生党
借助AI技术医疗健康行业将得到快速发展
三星已经启动了一项名为“ Galaxy To Go”的新服务
三星电子推出了全新一代折叠屏手机:三星Galaxy Z Fold2 5G
基于FPGA脑机接口实时系统
传感器在风电场中的关键技术分析
中国电信开展携号转网工作以来已完成了26个省的内测工作
LCD面板中长期仍将主导市场，周期属性正迎来改变
澳大利亚国立大学开发出一种“量子透镜”
免费WiFi风潮来袭，你享受到了吗？
耐压测试交流与直流之区别
小米5C真机谍照大曝光：全玻璃机身指纹解锁 堪称史上最美小米
一加手机2拆解 给人一种很扎实的感觉