ADC的引數分析以及取樣分析

2021-07-24 17:06:11 字數 3849 閱讀 2646

a/d變換器的效能引數

2.1 取樣速率與解析度

取樣速率指模數變換的速率,而解析度表示變換輸出數字資料的位元數。這2個引數很重要,因為較高的取樣速率與解析度對應了高訊雜比和較寬的訊號輸入頻寬。近幾年,a/d器件效能提高得很快,單是取樣速率大約每兩年就翻一倍。幾種a/d器件的取樣速率與解析度如表1所示。

2.2 訊雜比

訊雜比snr(signalto noise ratio)指訊號均方根值與其他頻率分量(不包括直流和諧波)均方根的比值,訊雜比sinad(signal to noise anddistortion)指訊號均方根值與其他頻率分量(包括諧波但不包括直流)均方根的比值,所以sinad比snr要小。若只考慮量化雜訊,訊雜比snr可表示為:

其中:b為a/d轉換器解析度,fs為取樣速率,fmax為輸入訊號的最高頻率。

由式(1)可見,當fs取樣速率等於奈奎斯特(nyquist)速率,即fs=2fmax時,解析度每增加1 bit,訊雜比約增加6 db。並且,當fs大於奈奎斯特速率2fmax時,由於取樣過程將集中在奎斯特頻帶(dc~fmax)內的雜訊能量展寬,訊雜比會隨著取樣速率的提

高而增加。

實際上,a/d轉換器的訊雜比還要考慮內部非線性、孔徑抖動等因素,實際的訊雜比要小得多。

2.3 無失真動態範圍

無失真動態範圍(sfdr,spurious free dynamicrange)為訊號幅度均方根值與其他最大失真頻率分量的幅度均方根的比值,失真頻率分量可以是諧波也可以不是諧波。這一引數表徵了a/d轉換器檢測弱訊號的能力,他在接收系統設計中尤為重要。

2.4 有效位元數

有效位元數(enob,effective number ofbits)是對應於實際訊雜比的位元數,一般,enob比器件解析度低1~2 bits,enob計算如下:

2.5 諧波失真

諧波失真(harmonicdistortion)表示單音訊輸入時訊號幅度均方根與諧波分量均方根的比值。

2.6 交調失真

交調失真(imd,intermodulation distortion)指多頻率分量輸入時,訊號幅度均方根與訊號交叉調製產物均方根的比值。

2.7 全功率輸入頻寬

全功率輸入頻寬(fullpower analog inputbandwidth)指當輸出訊號幅度降低3 db時的輸入訊號頻率點,一般取樣速率越高,全功率輸入頻寬就越寬。

2.8 孔徑抖動

由於每次取樣的時間間隔並不是非常精確,這種取樣時間的不確定性稱為孔徑抖動。由孔徑抖動造成的雜訊可用下式來衡量:

其中:ta為a/d轉換器的孔徑抖動,一般為ps級。

除了上述幾項,還有取樣轉換非線性、資料輸出時延等引數。對通訊系統而言,訊雜比snr、輸入訊號頻寬及無失真動態範圍sfdr是最重要的幾個引數。

3 軟體無線電系統設計中a/d取樣方式的確定

目前較為常用的取樣方式有過取樣(oversampling)、正交取樣(quadrature sampling)和帶通取樣(bandpass sampling)等。

3.1 過取樣

根據奈奎斯特定理,當fs≥2fmax時,就能夠從取樣後的資料中無失真地恢復出原來的訊號。我們知道,訊號在時域的取樣等效於訊號頻譜在頻域的週期拓延,週期為fs,使fs≥2fmax就是為了保證取樣後的訊號頻譜不重疊。當fs=2fmax時,取樣前後的訊號頻譜如圖2所示。

在電路設計中,取樣前需加抗混疊濾波器,以便濾除帶外雜訊,通常要求帶外抑制50 db,為了使抗混疊濾波器易於實現,可以將取樣速率取得高一些,一般fs取為fmax的2.5倍以上,這就是過取樣。過取樣在基帶處理中應用較多,但如果在中頻或射頻進行過取樣,在同等解析度情況下,他要求a/d轉換器達到很高的取樣速率,比如對頻率70 mhz,10 mhz頻寬的中頻訊號取樣,解析度為12 bits,a/d轉換器的取樣速率需達150 ms/s,這時a/d轉換器所提供的訊雜比將比較低,而且對後端資料處理部分的壓力也很大,所以在軟體無線電系統設計中不提倡用過取樣。

3.2 正交取樣

正交取樣方式如圖3所示。

正交取樣將訊號分為2路,分別與本振的2個正交分量相乘,將射頻訊號變到中頻或基帶再取樣,由於每路訊號分量僅有原始訊號頻寬的1/2,取樣速率就可以降為原來的1/2,但其代價是要用2片相位一致的a/d轉換器,這實現起來比較困難。

3.3 帶通取樣

帶通取樣又叫欠取樣(under sampling)或諧波取樣(harmonicsampling),在中頻或射頻取樣中主要採取這種方式。根據奈奎斯特定理,需要fs≥2fmax,目的就是保證取樣後的訊號頻譜不重疊,這樣才能無失真地恢復出原始訊號。對中頻(或射頻)帶通訊號,設頻寬為b,只要取fs≥2b的某些值,就可以保證採

樣後的訊號頻譜不重疊。取樣速率可由下式確定:

其中:fh表示帶通訊號的最高頻率,fl表示帶通訊號的最低頻率,n為整數,取值範圍為:

這樣,在選擇取樣速率時,我們只需關心帶通訊號的頻寬就可以了。帶通取樣帶來的好處是顯而易見的:

①降低了取樣速率;

②可以減少後端資料處理的工作量,提高處理效率。

另外帶通取樣相當於乙個變頻器,後端可以直接在訊號取樣後較低的諧波分量上進行處理,大大簡化了電路設計。在實際應用中,a/d取樣前需加抗混疊帶通濾波器,以消除帶外雜訊帶來的頻譜混疊。

4 中頻a/d取樣引數分析

在軟體無線電通訊系統設計中,由於a/d轉換器的訊雜比等指標還不能滿足射頻取樣的要求,現在一般採取中頻取樣,中頻a/d取樣設計的目的就是根據系統頻寬和靈敏度要求確定取樣速率和對a/d轉換器的訊雜比要求,並選擇a/d器件。下面以gsm蜂窩移動通訊系統基站接收單元的設計為例,分析一下a/d取樣引數的確定。基於軟體無線電的gsm蜂窩移動通訊系統基站接收單元如圖4所示。

圖4中,935~960mhz射頻訊號經低噪放、一次64或二次變頻後,變為頻寬為25mhz的中頻帶通訊號,設中頻為70 mhz,再經過抗混疊帶通濾波,送入寬頻a/d轉換器進行取樣,pdc(可程式設計數字下變頻器)的作用是完成數字下變頻及200 khz單通道選擇,最後由dsp進行各路控制、解調、解碼等終端處理。

4.1 取樣速率的確定

在本系統中採取中頻帶通取樣,中頻if=70 mhz,頻寬b=25 mhz,則:

這樣當n=2時,fs的範圍為82.5~115 ms/s,當n=3時,fs的範圍為55~57.5 ms/s。若取n=2,fs較高,訊雜比就高一些,取樣後頻譜的間隔也可以取得較大,缺點是後端的資料處理量加大及增大功耗;若取n=3,fs較低,減少了後端的資料處理量,但因為取樣後頻譜的間隔會很小,抗混疊帶通濾波器實現起來比較困難。權衡利弊,我們取n=2,為使取樣後頻譜間隔最大,取樣速率fs一般取在最大、最小值的中間值附近,我們取fs=100 ms/s。這時訊號取樣前後的頻譜如圖5所示。

通過圖5,我們可以計算出取樣後頻譜的最小間隔為15mhz,抗混疊帶通濾波器實現起來比較容易。由於帶通取樣兼具變頻器的功能,訊號頻譜從70mhz降到了30mhz,後端的pdc可以直接在30mhz上進行處理。

4.2 a/d取樣對系統靈敏度影響的分析

在圖4中,假設從天線到a/d取樣之間的增益g=30 db,雜訊係數nf=12 db,則系統接收靈敏度就由a/d轉換器的效能來確定。為方便分析,我們採用analogdevices公司生產的a/d晶元ad9432進行設計,ad9432是12 bits,100 ms/s的adc(模數轉換器),全功率輸入頻寬達到500mhz,在輸入訊號頻率為70mhz、輸入幅度為-1dbfs(相對於滿量程)時,他可以提供66db的訊雜比(snr)及80 db的無失真動態範圍(sfdr),他的滿量程輸入為+4dbm/50ω。

SFDR 引數分析

sfdr是訊號系統處理中常用的一項引數,對於評估系統的雜訊水平和adc dac的效能有一定參考意義。sfdr,英文全稱是 spurious free dynamic range,意為無雜散動態範圍。sfdr是指基波強度與最大雜波或諧波的強度之比,所以sfdr值越大則說明系統的雜訊水平越低,靈敏度越高...

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