在直接采樣 RF 設(shè)計中，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。在軟件定義無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)學關(guān)系，并說明了為什么這些指標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不適用于不能在其全部奈奎斯特帶寬上運行的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，如在 SDR 等直接射頻采樣應(yīng)用中。詳細介紹了 NSD、IM3 和 ACLR 的推導(dǎo)和測量。
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，用于在軟件定義無線電 (SDR) 應(yīng)用中實現(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) 來定義射頻采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的動態(tài)性能，尤其是對于直接 -RF 采樣應(yīng)用。一段時間以來，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 指標與頂級模擬 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)計人員能夠創(chuàng)建高度靈活的 SDR 應(yīng)用程序，同時解決與競爭性直接 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，并確定了 RF 采樣轉(zhuǎn)換器的首選參數(shù)。
傳統(tǒng) ADC 指標：SFDR、SNR、SNDR、ENOB
無雜散動態(tài)范圍 (SFDR)
無雜散動態(tài)范圍 (SFDR) 通常用于在雜散分量干擾或使基波失真之前測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的可用動態(tài)范圍 信號。SFDR 定義為基波正弦波信號的均方根 (RMS) 值與輸出中峰值雜散信號的 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 可以通過以下公式計算：
數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的 SFDR 通常受輸入信號的二次或三次諧波限制，但通過仔細的濾波器設(shè)計和最佳頻率規(guī)劃，通常可以避免 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，也可以使用信號和噪聲幅度的 RMS 值來評估 SNR，如公式 2 所示：
信噪比 (SNR)
由于采樣抖動，SNR 通常在較高頻率下會降低。噪聲來自三個來源：
- 量化噪聲
- ADC 的熱噪聲
- 抖動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鐘相位噪聲的限制。當輸入信號帶寬低于奈奎斯特速率時，SNR 會提高。
信噪比 (SNDR)
SNDR（也稱為 SINAD）是 RMS 信號功率與 (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 當輸入為正弦波時，輸出（不包括 DC）的組件功率。SNDR 是用于測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器動態(tài)性能的關(guān)鍵參數(shù)之一，因為 SNDR 包括奈奎斯特帶寬上的所有噪聲和雜散。SNDR 表示輸入信號的質(zhì)量；更高的 SNDR 意味著更強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、噪聲和失真分量的平均功率。SNDR 通常以 dB（分貝）、dBc（相對于載波的分貝）或 dBFS（相對于滿量程的分貝）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行比較，這顯示了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器動態(tài)性能的整體衡量標準。
有效位數(shù) (ENOB)
有效位數(shù) (ENOB) 是用于表征數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器相對于奈奎斯特帶寬上的輸入信號的轉(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)換器絕對沒有失真，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/偏移誤差和孔徑時鐘相位噪聲或抖動。外部偏置參考和電源軌上的噪聲也會降低 ENOB。
此外，ENOB 值會隨著頻率的增加而降低，其原因與 THD 因非線性問題而隨輸入頻率而降低的原因相同。ENOB來自SNDR，與THD和SNR有關(guān)。為了顯示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的準確 ENOB，數(shù)據(jù)表中突出顯示了所需的詳細規(guī)格和條件。
由于上述標準，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)表標題中的ENOB值。然而，許多系統(tǒng)工程師和采購經(jīng)理仍然很好奇為什么測得的 ENOB 值與數(shù)據(jù)表中的理想值不同。關(guān)于 ENOB 的幾個關(guān)鍵點：• 通常在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)表標題中顯示的“位數(shù)”（12 位或 14 位）是指數(shù)字位或電壓分辨率。這與 ENOB 無關(guān)。
- ENOB 主要是噪聲、非線性和輸入頻率的函數(shù)。
- ENOB 會因許多外部不確定性（例如，時鐘源、電源）而降低。
- ENOB 是在整個奈奎斯特帶寬（DC 至 fs/2）上計算的。
- ENOB 不是分析直接射頻系統(tǒng)（如 SDR）的好指標。
傳統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器指標和 SDR
根據(jù)定義，SFDR、SNR、SNDR 和 ENOB 都是從數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器相對于單音正弦波輸入的完整奈奎斯特帶寬得出的指標。
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 輸入通過與 1,500MHz 本機振蕩器 (LO) 混頻被下變頻至 300MHz 的中頻 (IF)。通過以 245.76MSPS 對 ADC 進行采樣，IF 信號被混疊回 54.24MHz。在這種情況下，感興趣的信號占據(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 的動態(tài)性能。
當與軟件定義無線電 (SDR) 中使用的直接射頻采樣進行比較時，很明顯 ENOB 不是表征數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的準確參數(shù)。在上圖所示的 SDR 示例中，RF-ADC 對包含感興趣信號的大帶寬進行采樣，并在數(shù)字域中進行下變頻和濾波。直接射頻實現(xiàn)中最大的問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)，因為可以通過良好的頻率規(guī)劃濾除帶外失真。最重要的指標是靈敏度，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，因為它們反映了噪聲和失真對感興趣的抽取頻帶的真實影響。
RF 采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器指標
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 指標考慮了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的整個奈奎斯特帶寬，這與當今的 RF 采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器無關(guān)，尤其是對于 SDR 應(yīng)用。在實際應(yīng)用中，通常會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帶寬。這兩個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，因為 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)換器已有一段時間，但對于一些工程師和 IC 采購經(jīng)理來說，它仍然是新鮮事物。根據(jù)定義，NSD 是指相對于 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。
對于具有 4GSPS 采樣時鐘的理想 12 位 ADC，
對于非理想數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，NSD 方程為：
公式 11 中測量的滿量程 SNR 應(yīng)通過直接測量或從供應(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)雜信號都同時包含多個頻率的分量。轉(zhuǎn)換器傳遞函數(shù)中的非線性不僅會導(dǎo)致純音失真，還會導(dǎo)致兩個或多個信號頻率相互作用并產(chǎn)生互調(diào)產(chǎn)物。發(fā)生這種情況時，結(jié)果稱為互調(diào)失真或 IM3。
通常，“雙音測試”通常用于測量各種射頻設(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 (f1, f2) 注入 RF 設(shè)備（即 ADC），如果 ADC 是完全線性的。然而，對于非線性 ADC，會產(chǎn)生 2f1–f2 和 2f2–f1 互調(diào)失真產(chǎn)物，以及 nf1 和 nf2 諧波分量。雙音測試如圖下所示。
某些應(yīng)用，尤其是與 RF 信號處理相關(guān)的應(yīng)用，對某些調(diào)制產(chǎn)物比對其他調(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，因為它們最接近輸入頻率，其他分量可以被數(shù)字過濾掉。因此，在為 RF 應(yīng)用指定 IMD 時，通常會忽略 IM3 以外的術(shù)語。
IM3 會導(dǎo)致 RF 通信系統(tǒng)出現(xiàn)嚴重問題，這些問題會在調(diào)制信號的相鄰頻段中產(chǎn)生額外的頻率分量（稱為“頻譜再生”）。在接收路徑中，頻譜再生會導(dǎo)致帶外信號干擾感興趣的信號。另一方面，在傳輸路徑中，不良 IM3 會影響相鄰信道，從而無法通過無線協(xié)議的頻率掩碼。
相鄰信道泄漏比 (ACLR)
隨著無線需求的急劇增加，分配的頻譜變得越來越擁擠。如今，無線基礎(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設(shè)備提供 IP 服務(wù)。在通過空中接口傳輸信號時，從傳輸信號泄漏到相鄰信道的功率會干擾相鄰信道的傳輸并損害整體無線電系統(tǒng)性能。
ACLR 是一種符合關(guān)鍵標準的頻譜測量，設(shè)計用于無線電系統(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。為了測量被測設(shè)備 (DUT) 的 ACLR，通常使用調(diào)制信號發(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)置正弦輸入時表征和評估數(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，因為此類設(shè)計中采用的 RF 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器不需要在整個奈奎斯特帶寬上運行。相反，NSD、IM3 和 ACLR 參數(shù)與直接采樣設(shè)計中使用的設(shè)備評估更相關(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)范集來準確評估系統(tǒng)設(shè)計性能。對于窄帶和更傳統(tǒng)的寬帶應(yīng)用，需要對帶內(nèi)噪聲、雜散信號和失真進行準確測量（使用合適的指標），以選擇正確的 RF 數(shù)據(jù)處理解決方案。
reference
- wp509-rfsampling-data-converters