A/D轉(zhuǎn)換器在數(shù)字接收機(jī)中的應(yīng)用

徐衛(wèi)合 陳蓮英

摘要：模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D轉(zhuǎn)換器）是實(shí)現(xiàn)數(shù)字接收機(jī)的基礎(chǔ)，它的性能及使用情況對(duì)整個(gè)數(shù)字接收機(jī)的性能都會(huì)產(chǎn)生重要影響。文中介紹了A/D轉(zhuǎn)換器的基本工作過程，提出了數(shù)字接收機(jī)中數(shù)據(jù)采集部分使用A/D轉(zhuǎn)換器的一般要求和注意事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞：A/D轉(zhuǎn)換器；數(shù)字接收機(jī)；數(shù)據(jù)采集；信噪比隨著數(shù)字技術(shù)和集成電路的飛速發(fā)展，各種大規(guī)模芯片如DSP、FPGA、DDS等的快速應(yīng)用使得數(shù)字接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)成為了可能，并有逐漸取代模擬接收機(jī)的趨勢。數(shù)字接收機(jī)就是把輸入的射頻信號(hào)或中頻信號(hào)直接通過A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存起來，再運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)行處理的一種接收機(jī)。A/D轉(zhuǎn)換器是決定數(shù)字接收機(jī)整體性能的關(guān)鍵器件之一。其有效字長和采樣最高速率是影響數(shù)字接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍和帶寬的關(guān)鍵參數(shù)。A/D轉(zhuǎn)換器越靠近接收機(jī)前端則數(shù)字化程度越高，不過受高速數(shù)字處理電路目前技術(shù)上的限制很難做到比較經(jīng)濟(jì)地在較高的射頻上實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換處理。

1A／D轉(zhuǎn)換器的工作過程

A/D轉(zhuǎn)換器就是把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的電路，一般可分為四個(gè)階段：即采樣、保持、量化和編碼。采樣是將在時(shí)間上連續(xù)的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換成在時(shí)間上離散的數(shù)字信號(hào)，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，如果采樣信號(hào)頻率大于或等于兩倍的模擬信號(hào)最高頻率成分，則可以用采樣后的信號(hào)不失真地恢復(fù)這個(gè)模擬信號(hào)。要準(zhǔn)確地?cái)?shù)字化一個(gè)采樣信號(hào)，就需要一段時(shí)間將采樣所得的瞬時(shí)信號(hào)保持住，這稱為保持過程。保持是把時(shí)間離散、數(shù)值連續(xù)的信號(hào)轉(zhuǎn)變成時(shí)間連續(xù)、數(shù)值離散的信號(hào)。雖然邏輯上保持器應(yīng)該是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的單元，但實(shí)際上總是和采樣器做到一起，兩者合稱為采樣保持器。采樣輸出信號(hào)處于保持期間時(shí)可以進(jìn)行量化編碼。量化是將時(shí)間連續(xù)、數(shù)值離散的信號(hào)轉(zhuǎn)化為時(shí)間離散、幅度離散的信號(hào)；編碼是把量化后的信號(hào)進(jìn)行編碼，以形成二進(jìn)制代碼供輸出。至此就完成了A／D轉(zhuǎn)換，這些個(gè)過程通常都是合并進(jìn)行的。隨著芯片和數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，這些過程完全可以做在一個(gè)芯片內(nèi)完成，甚至一個(gè)芯片內(nèi)可以完成數(shù)個(gè)A/D轉(zhuǎn)換。例如，美國ADI公司的AD9238芯片就集成了兩個(gè)高性能采樣保持放大器和一個(gè)基準(zhǔn)電壓源。它采用多級(jí)差分流水線架構(gòu)，內(nèi)置輸出糾錯(cuò)邏輯，在最高65 MSPS數(shù)據(jù)速率時(shí)可提供12位精度，并保證在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)無失碼。

2A/D轉(zhuǎn)換器在數(shù)字接收機(jī)中的使用

數(shù)字接收機(jī)中數(shù)據(jù)采集一般選用高速大動(dòng)態(tài)A/D轉(zhuǎn)換器，力求轉(zhuǎn)換時(shí)做到大動(dòng)態(tài)、低失真、低功耗。在使用A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)為了滿足這些要求，必須考慮在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)數(shù)據(jù)采集各部分電路對(duì)A/D轉(zhuǎn)換性能的影響和采取的必要措施。一般的數(shù)據(jù)采集電路如圖1所示。

從圖中可以看出，在A/D轉(zhuǎn)換器前應(yīng)當(dāng)有濾除采樣帶寬外的信號(hào)及噪聲，以免頻譜混疊的帶通濾波器。同時(shí)還要有驅(qū)動(dòng)電路將A/D器件與前級(jí)隔離，同時(shí)對(duì)后級(jí)A/D器件進(jìn)行輸入信號(hào)電壓范圍內(nèi)的適配。驅(qū)動(dòng)電路中的寬帶放大器帶寬要寬，幅頻特性要平坦，失真要小。在A/D轉(zhuǎn)換器之后與RAM之間要考慮匹配緩沖。

采樣時(shí)鐘的穩(wěn)定性是關(guān)鍵之一。時(shí)鐘的相位抖動(dòng)會(huì)造成整個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器的信噪比下降。圖2中給出了某系統(tǒng)相位抖動(dòng)、SNR（信噪比）、ENOB（有效轉(zhuǎn)換位數(shù)）之間的關(guān)系。從圖中可以看出僅當(dāng)時(shí)鐘本身抖動(dòng)ti為1ps時(shí)才能滿足信噪比要求，隨著抖動(dòng)的增大造成了系統(tǒng)的性能迅速下降的惡果。所以時(shí)鐘信號(hào)本身的相位噪聲盡可能要小，其和A/D器件之間不應(yīng)有別的器件，要單獨(dú)供電，在傳輸路徑、共用電路等方面盡可能避免外部因素帶來的噪聲。

A/D轉(zhuǎn)換器是連接模擬部分和數(shù)字部分的橋梁，對(duì)數(shù)字接收機(jī)的性能有著直接的影響。除了上面電路應(yīng)用方面的考慮以外，還要對(duì)印制板的設(shè)計(jì)布局做周密的安排。通常，一個(gè)組件之內(nèi)往往有多路A/D轉(zhuǎn)換，為了避免之間的相互干擾，器件布局、走線應(yīng)安排得當(dāng)。模擬數(shù)字部分盡量分開布局；各部分實(shí)行單獨(dú)提供電源，電源要進(jìn)行濾波處理；數(shù)字地與模擬地分開，各自形成回路；器件本身發(fā)熱量大，散熱問題也要考慮。

本文闡述了A/D轉(zhuǎn)換的工作過程，說明了A/D轉(zhuǎn)換器在數(shù)字接收機(jī)中的作用和重要性、對(duì)系統(tǒng)性能的影響和設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)注意的事項(xiàng)。

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