ＡＤＣ的動(dòng)態(tài)性能對(duì)軟件無(wú)線電接收機(jī)性能的影響

摘 要：軟件無(wú)線電技術(shù)在商用和軍用無(wú)線電通信領(lǐng)域越來(lái)越顯示出其強(qiáng)大的吸引力，而ADC是軟件無(wú)線電的關(guān)鍵技術(shù)。概括了A/D轉(zhuǎn)換器在無(wú)線電接收機(jī)中的應(yīng)用，分析了其動(dòng)態(tài)性能中互調(diào)失真、SFDR (無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍)、孔徑抖動(dòng)對(duì)接收機(jī)性能的影響。最后以AD公司的AD9445為例，進(jìn)行了仿真。

關(guān)鍵詞：ADC；軟件無(wú)線電；SFDR；孔徑抖動(dòng)

中圖分類號(hào)：TN14 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1004373X(2008)1507103

Influence of ADC Dynamic Performance on the Software Radio Receiver

TIAN Kun，GONG Xiaofeng，REN Zhanmin

(School of Electronic Engineering Information，Sichuan University，Chengdu，610065，China)

Abstract：The technology of software radio plays an important part in the commercial and military radio communication.Its key technology is ADC.This paper introduces the implication of ADC in the software radio receiver，analyses its dynamic performance including harmonic distortion，SFDR，aperture jitter and their influence on the performance of the receiver.At last，the paper takes the AD9445 as the example to simulate their performance.

Keywords：ADC;software radio;SFDR;aperture jitter

1 引 言

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線電資源作為公共資源的一種，需要國(guó)家有關(guān)部門對(duì)其進(jìn)行有效的分配和控制，科學(xué)地提高頻譜的使用效益，就必須依靠先進(jìn)的監(jiān)測(cè)手段為管理工作提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。而接收機(jī)作為無(wú)線電監(jiān)測(cè)信號(hào)接收的必經(jīng)途徑，其性能優(yōu)劣對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響更是重中之重。高電平干擾信號(hào)與所接收信號(hào)頻率僅相距數(shù)十千赫，所以，高電平干擾信號(hào)和它們?cè)诮邮諜C(jī)中產(chǎn)生的互調(diào)產(chǎn)物會(huì)嚴(yán)重影響接收機(jī)的線性度，除了來(lái)自于空中的信號(hào)可能產(chǎn)生互調(diào)，接收機(jī)自身也會(huì)產(chǎn)生互調(diào)，比如ADC對(duì)接收機(jī)的性能指標(biāo)有著重要影響，因此本文旨在論證ADC的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)對(duì)接收機(jī)性能的影響。

本文首先介紹了軟件無(wú)線電技術(shù)和軟件無(wú)線電接收機(jī)，概括了A/D轉(zhuǎn)換器在軟件無(wú)線電接收機(jī)中的應(yīng)用，最后討論了互調(diào)失真、SFDR(無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍)、孔徑抖動(dòng)對(duì)接收機(jī)性能的影響，并以AD公司的AD9445為例，進(jìn)行了仿真。

2 背 景

2.1 軟件無(wú)線電

軟件無(wú)線電是指在簡(jiǎn)單通用的硬件平臺(tái)上通過(guò)可升級(jí)、可重配置的應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)各種無(wú)線電功能。軟件無(wú)線電使得無(wú)線通信系統(tǒng)具有很好的通用性和靈活性，使系統(tǒng)的互聯(lián)和升級(jí)非常方便。

軟件無(wú)線電理論的提出，把無(wú)線電服務(wù)從長(zhǎng)期依賴無(wú)線電硬導(dǎo)線連接的特性中解放出來(lái)。隨著技術(shù)和制造工藝的發(fā)展，越來(lái)越多的功能通過(guò)通用可編程器件交由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。相應(yīng)地，在無(wú)線電接收中，將中頻、基帶、比特流處理等功能交由可編程器件利用軟件完成，實(shí)現(xiàn)了軟件定義的無(wú)線接收機(jī)。

2.2 軟件無(wú)線電接收機(jī)設(shè)計(jì)要求

考慮到電磁環(huán)境等因素，接收機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)具有以下性質(zhì)：

(1) 接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍盡可能要大；

(2) 在信道濾波之前，降低帶外高電平干擾信號(hào)在信道濾波器通帶內(nèi)產(chǎn)生的互調(diào)產(chǎn)物。

2.3 ADC在軟件無(wú)線電接收機(jī)中的應(yīng)用

模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)是無(wú)線電監(jiān)測(cè)接收機(jī)中的一個(gè)關(guān)鍵部件，其在理想軟件無(wú)線電接收機(jī)的應(yīng)用如圖1所示。

ADC的電路特性決定了ADC的關(guān)鍵指標(biāo)，例如：采樣/保持電路決定了ADC的精度和線性；量化器決定了ADC的分辨率；而ADC的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍、互調(diào)失真、孔徑抖動(dòng)在很大程度上影響了接收機(jī)的性能。

接收機(jī)的性能優(yōu)劣很大程度上受到了ADC的動(dòng)態(tài)性能的制約，因此，要設(shè)計(jì)高性能的接收機(jī)，選擇一款性能優(yōu)秀的ADC是很關(guān)鍵的。

圖1 理想軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)框圖

3 ADC動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)及其影響

3.1 互調(diào)失真(IMD)

由于ADC非線性的存在，當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上頻率的信號(hào)輸入時(shí)，會(huì)互相產(chǎn)生調(diào)制，從而產(chǎn)生互調(diào)失真(IMD)。

當(dāng)輸入信號(hào)中含有兩個(gè)頻率的正弦波f1，f2，會(huì)產(chǎn)生(m+n)階的畸變，即可能產(chǎn)生頻率為(mf1±nf2)，|m|+|n|≠0的成分，m，n為整數(shù)，其中二階和三階互調(diào)失真是所遭遇到的最主要的失真。下式給出了涉及這兩種情況的頻率關(guān)系：

二階互調(diào)失真：f1±f2=f

三階互調(diào)失真：2f1±f2=f

注：f1，f2為有害大信號(hào)的頻率；f為接收機(jī)調(diào)諧頻率上的互調(diào)產(chǎn)物。若f1，f2相差不大，則2f1－f2，2f2－f1與f1，f2的譜線離得較近，不容易被濾掉，正如圖2中表示。其他二階和高階調(diào)制成分及高次諧波與f1，f2離得較遠(yuǎn)，二階互調(diào)可通過(guò)亞倍頻帶通濾波器組成的射頻預(yù)選器減小到可忽略的程度，容易在分析和處理時(shí)濾掉。

圖2為AD9445雙音互調(diào)仿真圖，采樣頻率為125 MSPS，f1＝30.3 MHz，f2＝31.1 MHz。3所指為三階互調(diào)產(chǎn)物，2為二階互調(diào)產(chǎn)物，3與f1，f2相距很近，不易濾除。

圖2 AD9445雙音互調(diào)仿真波形接收機(jī)三階截點(diǎn)互調(diào)級(jí)聯(lián)公式為：1POIP3=1POIP3，1+1POIP3，2·G1+

1POIP3，3·G1·G2+…(1)此公式中，方向?yàn)檩敵龅捷斎耄詈蟮妮敵黾?jí)為POIP3，1。可見(jiàn)，越靠近輸入端對(duì)POIP3貢獻(xiàn)越小。為獲得比較高的POIP3，應(yīng)該每一級(jí)都有所貢獻(xiàn)，ADC主要影響接收機(jī)中頻部分的性能，因此，ADC三階截點(diǎn)是不可不考慮的重要指標(biāo)。

3.2 無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍SFDR

當(dāng)出現(xiàn)雜散時(shí)可以利用的動(dòng)態(tài)范圍是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍。

定義雙音互調(diào)無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍為輸入信號(hào)幅度的均方根值與互調(diào)成分(僅取2f1－f2，2f2－f1兩種調(diào)制成分)幅度的均方根值的比值。IMD(dBc)=20lgRMS(f1+f2)RMS(IMD) SFDR有兩種表示方法：最大偽峰譜相對(duì)于輸入信號(hào)的dB數(shù)(dBc)和相對(duì)于ADC的滿刻度的dB數(shù)(dBFS)。

對(duì)于一個(gè)實(shí)際的ADC來(lái)說(shuō)，當(dāng)輸入信號(hào)大大低于滿刻度時(shí)，產(chǎn)生的畸變信號(hào)平臺(tái)與輸入信號(hào)的幅度無(wú)關(guān)，而接近常數(shù)。因此，造成ADC的雙通道無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍與輸入的信號(hào)無(wú)關(guān)。如圖3中2所指曲線所示。

圖3中，行坐標(biāo)為模擬輸入電平(dB)，縱坐標(biāo)為dB。曲線1為最大偽峰譜相對(duì)于輸入信號(hào)的dB數(shù)曲線，輸入信號(hào)每降低n dB，其相對(duì)于輸入信號(hào)的SFDR(即dBc)也降低n dB；曲線2為最大偽峰譜相對(duì)ADC的滿刻度的dB數(shù)，在-90～-120 dBFS之間變化，與輸入信號(hào)的幅度無(wú)關(guān)。

SFDR=2/3(IP－NF－10log B+17 dBm)

6.02N(2)

上式為接收機(jī)SFDR表達(dá)式，其中IP為截點(diǎn)，NF為噪聲系數(shù)，B為中頻帶寬，N為ADC位數(shù)。由公式可見(jiàn)，接收機(jī)的SFDR是同截點(diǎn)成正比，與噪聲系數(shù)和中頻帶寬成反比的，即隨著噪聲系數(shù)的減小、中頻帶寬的變窄而增大，而不僅僅是更高的截點(diǎn)。其SFDR與ADC的位數(shù)緊密相連，目前，AD公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)研制出24位ADC，但是國(guó)內(nèi)廣泛采用的14位AD已經(jīng)可以達(dá)到很好的性能。

3.3 ADC孔徑抖動(dòng)

在實(shí)際的ADC中，采樣信號(hào)經(jīng)常被一些不希望的信號(hào)做相位調(diào)制。如寬帶隨機(jī)噪聲、電源噪聲等，其相位誤差可以用有效孔徑時(shí)間抖動(dòng)的均方根值來(lái)表示，這被稱為孔徑抖動(dòng)。在實(shí)際應(yīng)用中，接收機(jī)往往高速采集無(wú)線電信號(hào)，這時(shí)，孔徑抖動(dòng)對(duì)接收機(jī)性能影響很大，主要體現(xiàn)在對(duì)SNR的影響上。如圖4所示。

圖3 AD9445雙音SFDR仿真波形圖4 AD9445 SNR 、輸入頻率、孔徑抖動(dòng)圖4為不同的孔徑晃動(dòng)下輸入滿幅度正弦波的信噪比與輸入信號(hào)頻率的關(guān)系。由圖可見(jiàn)，孔徑晃動(dòng)對(duì)ADC的影響與輸入信號(hào)的頻率有關(guān)。當(dāng)孔徑抖動(dòng)為3.0 ps時(shí)，SNR隨輸入信號(hào)頻率的增加而驟降。因此，對(duì)于高速信號(hào)，它的影響是嚴(yán)重的，會(huì)大大降低信噪比和有效位；而對(duì)于慢沿信號(hào)，它的影響就小得多；輸入信號(hào)的頻率越高，孔徑晃動(dòng)越大，對(duì)信噪比的影響越大。所以，在高速或高精度ADC的應(yīng)用中，對(duì)于由輸入信號(hào)引起的孔徑抖動(dòng)，一定要慎重考慮抖動(dòng)電路，采用精密、穩(wěn)定的抖動(dòng)電路。

4 結(jié) 語(yǔ)

數(shù)字接收機(jī)的性能取決于接收機(jī)本身設(shè)計(jì)，在理想無(wú)線電接收機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，ADC是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，由于“瓶頸”的存在，接收機(jī)的性能不可能超過(guò)所采用的ADC的性能。現(xiàn)實(shí)中，電磁環(huán)境十分復(fù)雜，預(yù)設(shè)計(jì)一款高性能，高選擇性的接收機(jī)，應(yīng)該選擇性能優(yōu)秀的ADC芯片。當(dāng)然，設(shè)計(jì)過(guò)程還要考慮其他環(huán)節(jié)的影響，在選擇芯片過(guò)程中還應(yīng)該考慮實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，往往性能優(yōu)秀的ADC芯片不易購(gòu)買。

隨著ADC和數(shù)字電路性能的改進(jìn)，ADC將更進(jìn)一步發(fā)展，移向接收機(jī)前端，從中頻移向射頻，越來(lái)越接近理想軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)模型。

參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介 田 坤 女，1983年出生，天津人，碩士研究生。主要研究計(jì)算機(jī)控制與無(wú)線電信號(hào)監(jiān)測(cè)方向。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文