下變頻

在通信系統中，為了易於信號發射以及實現信道複用，傳輸的信號頻率很高，因而信號的頻率變換是通信系統研究的重要內容。根據頻率變換前後的情況可以分為下變頻（頻率減少）和上變頻（頻率增加）。在接收機中進行的是下變頻。下變頻的方法是將接收信號與本地振盪器產生的本振信號相乘，然後通過低通濾波器獲得變頻後的信號。兩個相乘信號通過實數或複數表示可以分為實混頻和復混頻。

為了將包含所需通道的信號進行下變頻，所接收到的射頻信號可以與一個實的本振信號進行混頻或相乘，並進行低通濾波，若本振頻率為f_LO，中頻頻率為f_IF。實混頻下變頻可以將中心頻率位於f_c=f_LO+f_IF的信號轉換為中心頻率為f_IF的信號。由於採用了實混頻，因此還有一個頻率轉換的過程，即中心頻率位於f_M=f_LO-f_IF的信號也可通過與本振信號相乘濾波而轉換為中心頻率為f_IF的信號。

在中頻觀察到的信號包含兩個不同的信號，分別稱為所需信號及其鏡像信號，這種現象也稱為鏡像信號干擾現象。從另一個角度來看，鏡像頻率干擾現象是因為實信號的正頻率部分和負頻率部分分別向中頻移動而發生混疊造成的。

根據本地振盪器的頻率f_LO低於或高於所需信號的中心頻率的情況，鏡像信號頻率將相應低於或高於所需信號頻率。無論何種方式，所需頻道與鏡像頻道之間的間隔均為2f_IF。

對於鏡像信號現象，傳統的方法是採用鏡像抑制濾波（IR），即通過採用帶通濾波器在頻率變換之前對鏡像信號進行抑制。這需要對中頻頻率進行正確的選擇：一方面，中頻頻率應該足夠高，因為所需信號與鏡像信號之間的間隔為2f_IF，且鏡像抑制濾波器工作在射頻，為了能夠抑制鏡像信號，需要高的中頻；另一方面，為了實現高Q值的帶通濾波器，以抑制帶內的干擾信號，實現高選擇性的信道濾波，需要低的中頻。在接收機設計中需要進行綜合考慮。 ^[1] 

信號的頻譜分為正頻率部分和負頻率部分，鏡像干擾問題是下變頻時由信號的正負頻率部分向中頻移動而造成的。如果可以將正頻率部分和負頻率部分相分離，則鏡像問題就可以得到輕鬆解決，這可以通過覆信號處理技術來實現。

在理想情況下，正交下變頻技術具有完全的鏡像信號抑制能力，消除了射頻鏡像抑制濾波器的使用，大大放寬了對模擬射頻濾波器的總要求，簡化了射頻前端，使接收機集成更為方便。然而，這需要同相信號和正交信號（I、Q信號）兩個支路完全平衡。但在實際應用中，這一點是不可能實現的，鏡像信號的抑制能力為20～40dB。

除鏡像頻率問題外，在頻率和相位調製系統中，接收機解調需要採用正交下變頻方式。

在帶通採樣中，若採樣速率為f_s，則採樣後的頻譜會反射或摺疊進直流到f_s/2的第1Nyquist區，此時絕對頻率信息丟失了，即出現了頻譜的搬移。如果選擇合適的採樣速率，則可以直接通過採樣來實現信號的下變頻。對於載波頻率為fc的模擬信號，如果採樣速率f_s滿足：fc=Kf_s≥k·2B則採樣後該載波頻率fc會摺疊進第1Nyquist區，頻率轉換為0，即該信號直接下變頻到基帶。但對於具有雙邊帶的模擬信號而言，必然會出現頻譜混疊現象，所以必須採用復採樣方式。如果對於特殊的單邊帶信號，載波頻率與信號最高頻率（取下邊帶時）或最低頻率（取上邊帶時）相同，則可以採用常規的採樣方式直接下變頻。

從另外的角度看，採樣實際也是一種相乘混頻的過程，因為採樣是通過輸入模擬信號與週期性衝激信號δ_T(t)相乘實現的。採用這種下變頻的方法可以使接收機的結構非常簡單，不僅實現了數字化，同時實現了下變頻。 ^[2]