ZHCADV9A March 2024 – March 2024
簡介
模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 是接收器鏈中的最后一個(gè)模擬器件。接收器通常在存在噪聲的情況下識別小信號。恰當(dāng)?shù)卣f，ADC 的一個(gè)關(guān)鍵性能參數(shù)是其自身的噪聲對系統(tǒng)性能的影響。
ADC 的傳統(tǒng)噪聲指標(biāo)為 SNR（信噪比）或 ENOB（有效位數(shù)）。盡管這些參數(shù)各自都在特定領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮著作用，但對于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器器件來說，有一個(gè)更好的評判標(biāo)準(zhǔn)：噪聲頻譜密度 (NSD)。NSD 可以更好地表征 ADC 性能，更接近實(shí)際場景，并且不會受到不同數(shù)字下變頻/抽取配置的影響。
SNR
模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 是接收器鏈中的最后一個(gè)模擬器件。接收器通常在存在噪聲的情況下識別小信號。恰當(dāng)?shù)卣f，ADC 的一個(gè)關(guān)鍵性能參數(shù)是其自身的噪聲對系統(tǒng)性能的影響。
?ADC 的傳統(tǒng)噪聲指標(biāo)為 SNR（信噪比）或 ENOB（有效位數(shù)）。盡管這些參數(shù)各自都在特定領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮著作用，但對于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器器件來說，有一個(gè)更好的評判標(biāo)準(zhǔn)：噪聲頻譜密度 (NSD)。NSD 可以更好地表征 ADC 性能，更接近實(shí)際場景，并且不會受到不同數(shù)字下變頻/抽取配置的影響。
噪聲要素
ADC 噪聲包括三個(gè)核心要素：量化噪聲、熱噪聲和時(shí)鐘抖動。根據(jù)方程式 1，每個(gè)要素均會影響整體 SNR 性能。
?采樣速率超過 1GSPS 的高速 ADC 通常不受量化噪聲的限制。熱噪聲和抖動的其他參數(shù)起主導(dǎo)作用。圖 1 詳細(xì)直觀地展示了假定的 12 位轉(zhuǎn)換器（速率為 10GSPS）的噪聲影響因素。
圖 1 噪聲比較詳解ENOB
ENOB 是可以呈現(xiàn)以上相同信息的另一個(gè)指標(biāo)。ENOB 將 SNR 值轉(zhuǎn)換為理想化情況，其中轉(zhuǎn)換器的噪聲僅受由位數(shù)決定的量化噪聲的限制。ENOB 可通過 SNR 參數(shù)計(jì)算得出：
例如，如果 14 位轉(zhuǎn)換器報(bào)告的 SNR 值為 62dBFS，則 ENOB 為 10 位。也就是說，該轉(zhuǎn)換器的噪聲性能相當(dāng)于一個(gè)理想 10 位轉(zhuǎn)換器只受量化噪聲限制時(shí)的性能。
奈奎斯特困境
第一奈奎斯特區(qū)域定義為從直流到 ADC 采樣頻率除以 2 (Fs/2) 的范圍。根據(jù)傳統(tǒng)的采樣理論，所有信號都將落入第一奈奎斯特區(qū)域。量化噪聲存在于整個(gè)第一奈奎斯特區(qū)域中。寬帶熱噪聲會混疊到第一奈奎斯特區(qū)域。SNR 或 ENOB 的計(jì)算會整合第一奈奎斯特區(qū)域中的所有噪聲。
現(xiàn)代射頻采樣轉(zhuǎn)換器通常采用數(shù)字下變頻和抽取來降低將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)?FPGA 或處理器所需的數(shù)據(jù)速率。抽取從流中移除數(shù)據(jù)點(diǎn)，可在不影響信號的情況下降低數(shù)據(jù)速率。每進(jìn)行 2 倍抽取即可有效地將奈奎斯特區(qū)域減半，并相應(yīng)地消除一半的噪聲（由于抽取濾波）。由于信號保持不變，而噪聲降低了一半，因此 SNR 提高了 3dB。使用任意抽取值 D 時(shí)的 SNR 性能可通過方程式 3 計(jì)算。
當(dāng)不同器件的分辨率、采樣率和抽取率不完全相同時(shí)，比較這些器件的 ADC 性能會比較困難。判斷哪個(gè)器件的噪聲最低時(shí)，SNR 或 ENOB 等參數(shù)可能會導(dǎo)致您得出錯(cuò)誤結(jié)論。因此，必須采用更優(yōu)方案！
NSD：解鎖更優(yōu)方案
噪聲頻譜密度 (NSD) 是一個(gè)更適合噪聲分析和比較的指標(biāo)。NSD 對每單位帶寬的噪聲性能進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化；通常，單位為 dBFS/Hz（例如，與滿量程電壓有關(guān)，并按單位 Hz 帶寬進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化）。通常在無信號或低信號的情況下測量 NSD。在靈敏度至關(guān)重要的低信號電平下，NSD 可以更好地衡量噪聲影響。在較低的信號驅(qū)動電平下，抖動分量被抵消，而熱噪聲分量得以輕微改進(jìn)。通過使用 NSD 參數(shù)，依賴采樣率和抽取率的噪聲性能按單位帶寬進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，可更方便與其他器件進(jìn)行比較。
為了證明這一點(diǎn)，本文討論了幾個(gè)假設(shè)的示例。此處，假設(shè)轉(zhuǎn)換器具有等效的滿量程電壓，因此以 dBFS/Hz 或 dBm/Hz 來表示 NSD 是等效的。表 1 展示了兩個(gè)假設(shè)的 ADC 的性能比較。器件 1 以 10GSPS 采樣率運(yùn)行，器件 2 以 5GSPS 采樣率運(yùn)行。乍一看數(shù)據(jù)表中報(bào)告的 SNR 或 ENOB 參數(shù)，器件 2 似乎性能更好。器件 2 具有較高的 SNR 和相應(yīng)較高的 ENOB。自然而然地，我們會認(rèn)為器件 2 是低噪聲轉(zhuǎn)換器，但這并不準(zhǔn)確，因?yàn)椴蓸勇剩ㄒ约跋鄳?yīng)的奈奎斯特頻帶）不相等。器件 1 的 NSD 性能實(shí)際上比器件 2 低 1dB。器件 1 實(shí)際上是低噪聲轉(zhuǎn)換器。要查看 SNR 參數(shù)，請適當(dāng)對每個(gè)器件進(jìn)行抽取，以獲得等效帶寬。在本示例中，每個(gè)器件都被抽取以獲得 2.5GHz 帶寬。果然，在等效帶寬下，NSD 參數(shù)低 1dB 也會使 SNR 參數(shù)優(yōu)化 1dB。這一點(diǎn)也可以通過另一種方法進(jìn)行理解，即認(rèn)識到過采樣的優(yōu)勢（例如，以比奈奎斯特定理要求的高得多的速率進(jìn)行采樣）可以轉(zhuǎn)化為提高系統(tǒng)噪聲性能的優(yōu)勢。
| 器件 1 | 器件 2 | |
|---|---|---|
| Fs [GHz] | 10 | 5 |
| SNR [dBFS] | 58.0 | 60.0 |
| ENOB [位數(shù)] | 9.3 | 9.7 |
| NSD [dBFS/Hz] | -155 | -154 |
| 抽取因子 | 4 | 2 |
| 奈奎斯特帶寬 [GHz] | 2.5 | 2.5 |
| SNR [dBFS] | 64.0 | 63.0 |
結(jié)語
在研究高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器時(shí)，不能僅看分辨率（位數(shù)）或已發(fā)布的信噪比。在比較以不同采樣速率運(yùn)行的不同轉(zhuǎn)換器時(shí)，這些參數(shù)會造成困擾。為了進(jìn)行正確的比較，奈奎斯特帶寬必須等效。通過比較 NSD 性能可以輕松地簡化比較過程，因?yàn)檫@樣可以大部分地消除外部時(shí)鐘抖動對測量的影響，并將噪聲按 1Hz 帶寬進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。
參考資料
- 德州儀器 (TI)，射頻采樣：過采樣如何超越物理限制，技術(shù)文章。
- 德州儀器 (TI)，使用射頻采樣接收器中的數(shù)字下變頻器消除干擾，技術(shù)文章。