在直接采樣 RF 設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的特征通常是 NSD、IM3 和 ACLR 參數(shù)，而不是 SNR 和 ENOB 等傳統(tǒng)指標(biāo)。在軟件定義無(wú)線電和類似的窄帶用例中，量化落入感興趣頻段的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器噪聲量更為重要；傳統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換指標(biāo)不適合這樣做。本白皮書首先介紹了傳統(tǒng) ADC 參數(shù)（SFDR、SNR、SNDR (SINAD) 和 ENOB）背后的數(shù)學(xué)關(guān)系，并說(shuō)明了為什么這些指標(biāo)可以很好地表征寬帶應(yīng)用（例如超外差接收器）中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。然后描述了為什么這些指標(biāo)不適用于不能在其全部奈奎斯特帶寬上運(yùn)行的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，如在 SDR 等直接射頻采樣應(yīng)用中。詳細(xì)介紹了 NSD、IM3 和 ACLR 的推導(dǎo)和測(cè)量。
介紹
基于真空管技術(shù)的模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器是在二戰(zhàn)期間為消息加密系統(tǒng)開發(fā)的。從早期開始，行業(yè)就定義并采用了關(guān)鍵參數(shù)（例如 SNR、SFDR 和 ENOB）來(lái)量化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的性能。這些歷史參數(shù)是為使用混頻器和濾波器進(jìn)行通道選擇的傳統(tǒng)架構(gòu)以及傳統(tǒng)奈奎斯特速率（即低頻采樣）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器開發(fā)的。最近，已經(jīng)開發(fā)了許多新的 RF 采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，用于在軟件定義無(wú)線電 (SDR) 應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)，但是傳統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器采用的參數(shù)不能完全表征 RF 采樣轉(zhuǎn)換器。需要一組新的參數(shù)，例如噪聲頻譜密度 (NSD)、三階互調(diào)比 (IM3) 和鄰道泄漏比 (ACLR) 來(lái)定義射頻采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)性能，尤其是對(duì)于直接 -RF 采樣應(yīng)用。一段時(shí)間以來(lái)，Xilinx 一直在為一系列 SDR 應(yīng)用提供高度靈活的數(shù)字處理解決方案。最近，賽靈思發(fā)布了其業(yè)界首款 Zynq® UltraScale+™ RFSoC，集成了 UltraScale™ 架構(gòu)可編程邏輯 (PL)、軟決策 FEC 以及多通道 RF-ADC 和 RF-DAC。在這些 RF-ADC（12 位）和 RF-DAC（14 位）中，NSD、IM3 和 ACLR 指標(biāo)與頂級(jí)模擬 IC 供應(yīng)商提供的相同分辨率位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器相比毫不遜色——但 Xilinx Zynq UltraScale+ RFSoC 提供更低的功耗、更高的可編程性和更高的集成度。因此，Zynq UltraScale+ RFSoC 使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠創(chuàng)建高度靈活的 SDR 應(yīng)用程序，同時(shí)解決與競(jìng)爭(zhēng)性直接 RF 采樣解決方案相關(guān)的許多挑戰(zhàn)。本白皮書介紹了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和新型 RF 采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的指標(biāo)，并確定了 RF 采樣轉(zhuǎn)換器的首選參數(shù)。
傳統(tǒng) ADC 指標(biāo)：SFDR、SNR、SNDR、ENOB
無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍 (SFDR)
無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍 (SFDR) 通常用于在雜散分量干擾或使基波失真之前測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的可用動(dòng)態(tài)范圍 信號(hào)。SFDR 定義為基波正弦波信號(hào)的均方根 (RMS) 值與輸出中峰值雜散信號(hào)的 RMS 值之比，從 0Hz (DC) 到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器采樣率的二分之一測(cè)量 （即 fs/2）。峰值雜散分量可以是諧波或非諧波相關(guān)的。SFDR 可以通過(guò)以下公式計(jì)算：
數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的 SFDR 通常受輸入信號(hào)的二次或三次諧波限制，但通過(guò)仔細(xì)的濾波器設(shè)計(jì)和最佳頻率規(guī)劃，通?？梢员苊?HD2 和/或 HD3，從而大大提高 SFDR。
信噪比 (SNR)
信噪比 (SNR) 是通常用于量化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中噪聲的參數(shù)，它是輸入信號(hào)功率與噪聲功率之比，是 通常以 dB 表示。同樣，也可以使用信號(hào)和噪聲幅度的 RMS 值來(lái)評(píng)估 SNR，如公式 2 所示：
信噪比 (SNR)
由于采樣抖動(dòng)，SNR 通常在較高頻率下會(huì)降低。噪聲來(lái)自三個(gè)來(lái)源：
- 量化噪聲
- ADC 的熱噪聲
- 抖動(dòng)或采樣不確定性噪聲
具有滿量程正弦波輸入的 ADC 的理論最大 SNR 來(lái)自量化噪聲。SNR 有另一種公式表示：
SNR
在奈奎斯特帶寬上，其中 N 是理想 ADC 的位數(shù)。該公式可在整個(gè)奈奎斯特帶寬內(nèi)提供最佳 SNR，假設(shè)理想 N 位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的正弦波輸入（不包括諧波失真）。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的 SNR 還受到其自身熱噪聲和采樣時(shí)鐘相位噪聲的限制。當(dāng)輸入信號(hào)帶寬低于奈奎斯特速率時(shí)，SNR 會(huì)提高。
信噪比 (SNDR)
SNDR（也稱為 SINAD）是 RMS 信號(hào)功率與 (a) 總噪聲功率和 (b) 所有其他頻譜分量功率加上所有其他諧波的 RMS 總和之比 當(dāng)輸入為正弦波時(shí)，輸出（不包括 DC）的組件功率。SNDR 是用于測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器動(dòng)態(tài)性能的關(guān)鍵參數(shù)之一，因?yàn)?SNDR 包括奈奎斯特帶寬上的所有噪聲和雜散。SNDR 表示輸入信號(hào)的質(zhì)量；更高的 SNDR 意味著更強(qiáng)的輸入功率與噪聲和雜散性能的區(qū)別。SNDR 方程可以表示為：
信噪比 (SNDR)
其中 P Signal 是感興趣的信號(hào)、噪聲和失真分量的平均功率。SNDR 通常以 dB（分貝）、dBc（相對(duì)于載波的分貝）或 dBFS（相對(duì)于滿量程的分貝）表示。
SNDR 有另一種等式表示：
SNDR另一種等式
SNDR 是 SNR 和 THD 規(guī)范的組合，因此 SNDR 將所有不需要的頻率分量與輸入頻率進(jìn)行比較，這顯示了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器動(dòng)態(tài)性能的整體衡量標(biāo)準(zhǔn)。
有效位數(shù) (ENOB)
有效位數(shù) (ENOB) 是用于表征數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器相對(duì)于奈奎斯特帶寬上的輸入信號(hào)的轉(zhuǎn)換質(zhì)量（以位為單位）的參數(shù)。ENOB 意味著轉(zhuǎn)換器的性能就好像它是理論上完美的轉(zhuǎn)換器。完美的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器絕對(duì)沒(méi)有失真，它表現(xiàn)出的唯一噪聲是量化噪聲，因此 SNR 將等于公式 3 中的 SNDR，即 SNR(dBFS) = 6.02N + 1.76。因此，ENOB 是指定 SNDR 的另一種表示：
然而，對(duì)于非理想數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，SNDR 和 ENOB 退化包括噪聲和缺陷，例如設(shè)備熱噪聲、丟失輸出代碼、諧波、AC/DC 非線性、增益/偏移誤差和孔徑時(shí)鐘相位噪聲或抖動(dòng)。外部偏置參考和電源軌上的噪聲也會(huì)降低 ENOB。
此外，ENOB 值會(huì)隨著頻率的增加而降低，其原因與 THD 因非線性問(wèn)題而隨輸入頻率而降低的原因相同。ENOB來(lái)自SNDR，與THD和SNR有關(guān)。為了顯示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的準(zhǔn)確 ENOB，數(shù)據(jù)表中突出顯示了所需的詳細(xì)規(guī)格和條件。
由于上述標(biāo)準(zhǔn)，大多數(shù)模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器IC供應(yīng)商通常傾向于在理想情況下宣傳其ENOB，尤其是數(shù)據(jù)表標(biāo)題中的ENOB值。然而，許多系統(tǒng)工程師和采購(gòu)經(jīng)理仍然很好奇為什么測(cè)得的 ENOB 值與數(shù)據(jù)表中的理想值不同。關(guān)于 ENOB 的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：• 通常在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)表標(biāo)題中顯示的“位數(shù)”（12 位或 14 位）是指數(shù)字位或電壓分辨率。這與 ENOB 無(wú)關(guān)。
- ENOB 主要是噪聲、非線性和輸入頻率的函數(shù)。
- ENOB 會(huì)因許多外部不確定性（例如，時(shí)鐘源、電源）而降低。
- ENOB 是在整個(gè)奈奎斯特帶寬（DC 至 fs/2）上計(jì)算的。
- ENOB 不是分析直接射頻系統(tǒng)（如 SDR）的好指標(biāo)。
傳統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器指標(biāo)和 SDR
根據(jù)定義，SFDR、SNR、SNDR 和 ENOB 都是從數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器相對(duì)于單音正弦波輸入的完整奈奎斯特帶寬得出的指標(biāo)。
傳統(tǒng)的高中頻超外差接收器架構(gòu)如上圖所示。在本例中，1,800MHz RF 輸入通過(guò)與 1,500MHz 本機(jī)振蕩器 (LO) 混頻被下變頻至 300MHz 的中頻 (IF)。通過(guò)以 245.76MSPS 對(duì) ADC 進(jìn)行采樣，IF 信號(hào)被混疊回 54.24MHz。在這種情況下，感興趣的信號(hào)占據(jù)了大部分 ADC 奈奎斯特帶寬。因此，SNR 和 ENOB 參數(shù)可有效用于表征 ADC 的動(dòng)態(tài)性能。
當(dāng)與軟件定義無(wú)線電 (SDR) 中使用的直接射頻采樣進(jìn)行比較時(shí)，很明顯 ENOB 不是表征數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的準(zhǔn)確參數(shù)。在上圖所示的 SDR 示例中，RF-ADC 對(duì)包含感興趣信號(hào)的大帶寬進(jìn)行采樣，并在數(shù)字域中進(jìn)行下變頻和濾波。直接射頻實(shí)現(xiàn)中最大的問(wèn)題是下采樣和濾波頻帶中的偽影。在奈奎斯特帶寬上定義的 SNR、SFDR 和 ENOB 不相關(guān)，因?yàn)榭梢酝ㄟ^(guò)良好的頻率規(guī)劃濾除帶外失真。最重要的指標(biāo)是靈敏度，而不是奈奎斯特帶寬上定義的 ENOB、SNR 或 SFDR。NSD、IM3 和 ACLR 是量化 RF 采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器性能的更相關(guān)規(guī)范，因?yàn)樗鼈兎从沉嗽肼暫褪д鎸?duì)感興趣的抽取頻帶的真實(shí)影響。
RF 采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器指標(biāo)
RF 采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器規(guī)格 隨著半導(dǎo)體工藝幾何尺寸變得越來(lái)越小，晶體管最大頻率 (fmax) 一直在迅速增加。因此，用于直接采樣通信應(yīng)用的射頻采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品的可用性和性能得到了顯著提高。因此，模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器制造商在很大程度上同意使用噪聲頻譜密度 (NSD)、三階互調(diào)失真 (IM3) 和鄰道泄漏比 (ACLR) 來(lái)表征射頻采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器在其數(shù)據(jù)中的性能。
噪聲頻譜密度 (NSD)
如前所述，SNR 和 ENOB 指標(biāo)考慮了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的整個(gè)奈奎斯特帶寬，這與當(dāng)今的 RF 采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器無(wú)關(guān)，尤其是對(duì)于 SDR 應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中，通常會(huì)在感興趣的頻帶周圍使用緊密的帶通濾波器，而且許多 RF 采樣 ADC 都包含抽取功能，以僅提取感興趣的信號(hào)帶寬。這兩個(gè)方面總是消除這些頻段之外的所有噪聲。因此，NSD 是量化 RF 采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器能力的更合適的指標(biāo)，因?yàn)?NSD 為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器提供了 1Hz 帶寬中的噪聲能量。盡管 NSD 應(yīng)用于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器已有一段時(shí)間，但對(duì)于一些工程師和 IC 采購(gòu)經(jīng)理來(lái)說(shuō)，它仍然是新鮮事物。根據(jù)定義，NSD 是指相對(duì)于 RF-ADC 滿量程輸入音調(diào)每赫茲頻率的噪聲功率，通常表示為 dBFS/Hz，用于檢查具有不同采樣率的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的噪聲性能。要獲得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的 NSD，必須從 SNR 方程中獲得整個(gè)奈奎斯特帶寬上的 RMS 量化噪聲功率，該方程定義為基頻信號(hào)的功率與第一奈奎斯特上積分的噪聲功率的比值區(qū)。
該 NSD 方程可用于評(píng)估具有不同采樣頻率的不同 RF 采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，以表征哪些設(shè)備在 SDR 應(yīng)用中具有最低的頻帶特定噪聲。
對(duì)于具有 4GSPS 采樣時(shí)鐘的理想 12 位 ADC，
對(duì)于非理想數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，NSD 方程為：
公式 11 中測(cè)量的滿量程 SNR 應(yīng)通過(guò)直接測(cè)量或從供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)表中獲得。
三階互調(diào)失真 (IM3)
任何復(fù)雜信號(hào)都同時(shí)包含多個(gè)頻率的分量。轉(zhuǎn)換器傳遞函數(shù)中的非線性不僅會(huì)導(dǎo)致純音失真，還會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)或多個(gè)信號(hào)頻率相互作用并產(chǎn)生互調(diào)產(chǎn)物。發(fā)生這種情況時(shí)，結(jié)果稱為互調(diào)失真或 IM3。
通常，“雙音測(cè)試”通常用于測(cè)量各種射頻設(shè)備（尤其是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器）的非線性行為（即 IM3）。例如，將具有小間隔的雙音輸入信號(hào) (f1, f2) 注入 RF 設(shè)備（即 ADC），如果 ADC 是完全線性的。然而，對(duì)于非線性 ADC，會(huì)產(chǎn)生 2f1–f2 和 2f2–f1 互調(diào)失真產(chǎn)物，以及 nf1 和 nf2 諧波分量。雙音測(cè)試如圖下所示。
某些應(yīng)用，尤其是與 RF 信號(hào)處理相關(guān)的應(yīng)用，對(duì)某些調(diào)制產(chǎn)物比對(duì)其他調(diào)制產(chǎn)物更敏感。例如，在 RF 應(yīng)用中，三階差分乘積 2f1–f2 或 2f2–f1 很重要，因?yàn)樗鼈冏罱咏斎腩l率，其他分量可以被數(shù)字過(guò)濾掉。因此，在為 RF 應(yīng)用指定 IMD 時(shí)，通常會(huì)忽略 IM3 以外的術(shù)語(yǔ)。
IM3 會(huì)導(dǎo)致 RF 通信系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重問(wèn)題，這些問(wèn)題會(huì)在調(diào)制信號(hào)的相鄰頻段中產(chǎn)生額外的頻率分量（稱為“頻譜再生”）。在接收路徑中，頻譜再生會(huì)導(dǎo)致帶外信號(hào)干擾感興趣的信號(hào)。另一方面，在傳輸路徑中，不良 IM3 會(huì)影響相鄰信道，從而無(wú)法通過(guò)無(wú)線協(xié)議的頻率掩碼。
相鄰信道泄漏比 (ACLR)
隨著無(wú)線需求的急劇增加，分配的頻譜變得越來(lái)越擁擠。如今，無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施需要更大的數(shù)據(jù)容量和帶寬，才能向更多用戶和移動(dòng)設(shè)備提供 IP 服務(wù)。在通過(guò)空中接口傳輸信號(hào)時(shí)，從傳輸信號(hào)泄漏到相鄰信道的功率會(huì)干擾相鄰信道的傳輸并損害整體無(wú)線電系統(tǒng)性能。
ACLR 是一種符合關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)的頻譜測(cè)量，設(shè)計(jì)用于無(wú)線電系統(tǒng)，例如 3GPP 5G、LTE 和 W-CDMA。如下圖所示，它表征了調(diào)制信號(hào)功率與發(fā)射或泄漏到通信系統(tǒng)相鄰信道的功率之比。在各種通信協(xié)議的上下文中需要改變信道帶寬和相鄰信道間隔的能力。為了測(cè)量被測(cè)設(shè)備 (DUT) 的 ACLR，通常使用調(diào)制信號(hào)發(fā)生器或 DAC。
總結(jié)
SNR 和 ENOB 是常用參數(shù)，用于在全奈奎斯特帶寬上設(shè)置正弦輸入時(shí)表征和評(píng)估數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。但是，直接采樣應(yīng)用不推薦使用這些和其他傳統(tǒng)指標(biāo)，因?yàn)榇祟愒O(shè)計(jì)中采用的 RF 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器不需要在整個(gè)奈奎斯特帶寬上運(yùn)行。相反，NSD、IM3 和 ACLR 參數(shù)與直接采樣設(shè)計(jì)中使用的設(shè)備評(píng)估更相關(guān)。在此類用例中，量化落入感興趣頻段的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器噪聲量更為重要。因此，不同的 RF 應(yīng)用需要不同的參數(shù)規(guī)范集來(lái)準(zhǔn)確評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)性能。對(duì)于窄帶和更傳統(tǒng)的寬帶應(yīng)用，需要對(duì)帶內(nèi)噪聲、雜散信號(hào)和失真進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量（使用合適的指標(biāo)），以選擇正確的 RF 數(shù)據(jù)處理解決方案。
reference
- wp509-rfsampling-data-converters