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ADC性能及其对接收机性能的影响 通信网络 免费猫

发布时间:2020-02-17 12:40:18 阅读: 来源:陶瓷纤维盘根厂家

ADC性能及其对接收机性能的影响 - 通信/网络 - 电子工程网

在传统的模拟接收机设计中,所有接收机都是通过晶体检波器把RF变换为视频信号,但检波器会破坏信号中的载波和相位信息。如果用模-数变换器(ADC)来取代检波器,那么所有信息会被保留下来。通过高速大动态的ADC可以使接收机数字化。ADC是把模拟信号变换为数字信号需要的第一个器件,为了能够在数字接收机中承担起信号变换的任务,要求ADC必须能在很高的采样速度下工作,为了减小信号数字化时造成的量化误差,ADC就必须有很多的位数。可以说ADC的性能在一定程度上直接决定了数字接收机的性能。

2 ADC主要性能分析和对接收机的影响

ADC与接收机有关的重要参数包括:位数、最大采样频率、量化噪声、最大输入功率和输入带宽等。其中ADC对接收机最显著的影响是动态范围,因为动态范围与接收机的灵敏度密切相关,而灵敏度是接收机动态范围的下限。

2.1 基本的ADC性能和输入带宽

ADC将一个连续的输入电压变换为可用二进制编码表示的离散输出电平,其最小的离散电压步距称为量化电平。A/D变换的过程是首先对输入的模拟电压信号取样,取样结束后进入保持时间,在这段时间内将取样的电压量化为数字量,并按一定的编码形式给出转换结果。由于输入的模拟电压在时间上是连续的,而输出的数字信号在时间上是离散的,因而量化过程不可避免地会引入误差,这种误差称为量化误差。 通常要求ADC的输入频率是采样频率的一半,以满足奈奎斯特采样准则,但实际上并非总是如此。为了避免产生折叠模糊,要求ADC的输入带宽(不是输入频率)必须小于1/2采样频率,这就可以使输入频率高于最高采样频率,因为输入带宽并不需要从直流开始。例如,如果ADC的最高采样频率是200 MHz,则非模糊带宽为100 MHz,其输入带宽不必是从直流开始到100 MHz,可以是从120~220 MHz,这一选择保持了输入带宽低于一倍频程。低于一倍频程的输入带宽可以消除由于模拟前端或ADC非线性变换特性引起的二次谐波。

2.2 ADC的最大和最小输入信号

ADC的最大输入通常定义为振幅与ADC的最高电平相匹配的正弦波。如果输入信号比这个最大电平还大,则输出波形将被限幅。如果输入信号比该信号小,则不是所有的比特位都能被置位。最大电平通常决定动态范围的上限。如果没有噪声,则最大电压Vmax为:

其中,b为位数;Q为每一量化电平的电压。

幅度与最大电平匹配的正弦波的功率为:

上式中,输入阻抗假设为单位阻抗。

如果没有噪声,则将能引起最低有效位(LSB)产生变换的输入电压认为是最小输入信号,如果输入电压小于这个最小输入电压,ADC将难以检测到信号。则最小电压Vmin为:

相应的功率为:

动态范围(DR)为Pmax和Pmin的比值,即:

通常写成对数形式为:

这就是为什么通常称ADC的动态范围为6 dB/b。

ADC的动态范围决定了数字接收机的动态范围,不过接收机的动态范围还取决于接收机的设计和ADC前端的放大器性能。

2.3 理想ADC的量化噪声

ADC将输入信号从模拟变换为数字形式是一个非线性过程。

如图1所示,一个1位的ADC将输入的正弦波各个点逐个地变换成两个不同的输出电平值,在正弦波的真实值和他的输出量化值之间就存在一个误差。因为误差可以是量化电平范围内的任意值,所以有理由假设误差的概率在量化电平Q上是均匀分布的。这样,幅度的概率密度函数即为1/Q,可以求得量化噪声功率为:

有时把这个量当接收机的灵敏度电平。在这一条件下,利用式(2),可以得到最大信噪比(S/N)为:

2.4 ADC的虚假响应

一个具有任意频率的输入信号加入到ADC的输入端后,真实信号与其数字化输出值之间的误差是不可预知的。这时假设误差为均匀分布是合理的。但是,如果输入信号频率与采样频率有一定的关系,那么误差函数将是高度相关的。在这种条件下,均匀分布的假设就不一定成立。例如,如果输入信号频率fi与采样频率fs有以下关系:

其中,n为整数。则误差将从一个周期到下一周期显示重复的模式,如图2所示。

图2(a)显示的是一个具有2个周期并进行32点采样的正弦波。图2(b)显示的是经过3位ADC量化后的信号,这种情况可以认为是fs=32且fi=2。时域中的误差如图2(c)所示,需要注意的是,从第0点到第15点的误差和第16点到第32点的误差是相同的,如果增加采样点数,误差的这种状态将重复出现。图2(d)显示了正弦波的FFT结果,这里没有旁瓣。图2(e)显示的是量化后的FFT结果,其中包含了出量化误差引起的虚假。由于误差数据在每一输入周期中进行重复,因此增加FFT长度将不会改变虚假的电平,也不会使虚假电平减小。

数字化信号将产生虚假响应,而且虚假即使采用更长的FFT也难以减小。因此,需要找到最大的虚假电平用来确定接收机的动态范围。

2.5 ADC噪声的影响

前面讨论ADC的性能都假设是理想的,但实际上几乎所有ADC的性能都不完善。例如量化电平步距不一致,有的步距较宽,有的步距较窄,在极端情况下,某种量化电平可能窄得难以产生输出,这就称为 位丢失 。ADC电路中也有噪声,有的ADC甚至在没有输入信号的情况下最低有效位也会以随机方式时隐时现。根据一般的常识,噪声将会影响接收机的灵敏度。

在ADC中,有时噪声会产生有利的影响。例如,噪声能减少相关数字化误差产生的 虚假 。有些 虚假 是由相关误差产生的,但噪声是不相关的,当噪声叠加到输入信号中时,数字化相关将会减少,这样, 虚假 通常会减少甚至可能消失。

一般来说,噪声将减少大部分 虚假 ,当噪声功率增加时,他将掩盖所有的虚假,同时也将降低接收机的灵敏度。所以,小的噪声可以减少虚假电平,并可能略微提高动态范围,但更多的噪声则会降低灵敏度。

3 结 语

数字接收机的性能取决于接收机本身设计和ADC的性能,而且接收机的性能不可能超过所采用的ADC的性能。可以做出这样的结论:接收机的动态范围小于ADC测试获得的动态范围值。随着ADC和数字电路性能的改进,ADC将取代RF接收机中的晶体滤波器,更进一步发展,ADC将移向接收机前端,也就是说从中频移向射频。将来的接收机设计在天线和ADC之间只有RF放大器和带通滤波器。

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