ADC不可忽略的交調(diào)失真因素

　　簡(jiǎn)介

　　交調(diào)失真（IMD）是用于衡量放大器、增益模塊、混頻器和其他射頻元件線性度的一項(xiàng)常用指標(biāo)。二階和三階交調(diào)截點(diǎn)（IP2和IP3）是這些規(guī)格參數(shù)的品質(zhì)因素，以其為基礎(chǔ)可以計(jì)算不同信號(hào)幅度下的失真積。雖然射頻工程師們非常熟悉這些規(guī)格參數(shù)，但當(dāng)將其用于ADC時(shí)往往會(huì)產(chǎn)生一些困惑。本教程首先在ADC 的框架下對(duì)交調(diào)失真進(jìn)行定義，然后指出將IP2和IP3的定義應(yīng)用于ADC時(shí)必須采取的一些預(yù)防措施。

　　雙音交調(diào)失真（IMD）

　　測(cè)量雙音交調(diào)失真時(shí)，要將兩個(gè)頻譜純凈的正弦波在頻率f1和f2下應(yīng)用于ADC，這兩個(gè)頻率一般距離相對(duì)較近。將每個(gè)音的幅度設(shè)為比滿量程低，數(shù)值略微超過6dB即可，以便兩個(gè)音相位增加時(shí)，ADC不會(huì)出現(xiàn)削波。二階和三階積的位置如圖1所示。請(qǐng)注意，二階積處于數(shù)字濾波器可以消除的頻率位置。然而，三階積2f2-f1和2f1-f2接近原始信號(hào)，過濾的難度更大。除非另有說明，雙音交調(diào)失真指這些“近距”三階積。交調(diào)失真積值一般以dBc為單位，相對(duì)于兩個(gè)原始音之一的值，而不是兩者之和。

　　然而，請(qǐng)注意，如果兩個(gè)音接近fs/4，則基波的混疊三次諧波可能使2f2-f1和2f1-f2真實(shí)積的識(shí)別變得異常困難。其原因在于，fs/4的三次諧波為3fs/4，而混疊出現(xiàn)在fs-3fs/4=fs/4頻率處。類似地，如果兩個(gè)音接近fs/3，則混疊二次諧波可能會(huì)干擾測(cè)量。原理同上，fs/3的二次諧波為2fs/3，混疊出現(xiàn)在fs-2fs/3=fs/3處。

　　二階和三階交調(diào)截點(diǎn)（IP2，IP3）、1-dB壓縮點(diǎn)

　　三階交調(diào)失真積在多通道通信系統(tǒng)中尤其麻煩，這種應(yīng)用中，通道隔離在整個(gè)頻段保持不變。三階交調(diào)失真積在有大信號(hào)的情況下可能掩蓋住小信號(hào)。

　　在放大器、混頻器和其他射頻元件中，一般以三階交調(diào)截點(diǎn)（IP3）來表示三階交調(diào)失真積，如圖2所示。兩個(gè)頻譜純潔的音被應(yīng)用于該系統(tǒng)。單音的輸出信號(hào)功率（單位：dBm）以及三階積的相對(duì)幅度（以一個(gè)單音為基準(zhǔn)）表示為輸入信號(hào)功率的函數(shù)?；ū硎緸閳D中的slope=1曲線。如果通過冪級(jí)數(shù)展開逼近系統(tǒng)非線性度，則信號(hào)每增加1dB，二階IMD（IMD2）幅度將增加2dB，如圖中slope=2曲線所示。

　　類似地，信號(hào)每增加1dB，三階IMD（IMD3）幅度就增加3dB，如圖中slope=3曲線所示。

　　在一個(gè)低電平雙音輸入信號(hào)和兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)下，則可以繪制出二階和三階交調(diào)失真線，如圖2所示（其原理是，一個(gè)點(diǎn)和一個(gè)斜率定義一條直線）。

　　然而，輸入信號(hào)一旦達(dá)到某種水平，輸出信號(hào)就會(huì)開始軟限制或壓縮。這里一個(gè)相關(guān)參數(shù)是1dB壓縮點(diǎn)。這就是輸出信號(hào)從一個(gè)理想的輸入/輸出傳遞函數(shù)壓縮1dB的點(diǎn)。在圖2中，該點(diǎn)處于理想斜率=1線變成虛線與實(shí)際響應(yīng)表現(xiàn)出壓縮跡象（實(shí)線）之間的區(qū)域中。

　　然而，二階和三階交調(diào)截線都可以延長(zhǎng)，與理想輸出信號(hào)線的延長(zhǎng)線（虛線）相交。這些交點(diǎn)分別稱為二階和三階交調(diào)截點(diǎn)，表示為IP2和IP3.這些功率電平值通常以傳導(dǎo)至一個(gè)匹配負(fù)載（通常但不一定為50）的器件輸出功率為基準(zhǔn)，表示為dBm.

　　應(yīng)當(dāng)注意，IP2、IP3和1dB壓縮點(diǎn)都是頻率的函數(shù)，不出所料，頻率越高，失真越嚴(yán)重。

　　對(duì)于給定的頻率，在已知三階交調(diào)截點(diǎn)的情況下，可以計(jì)算出三階IMD積的近似電平值（為輸出信號(hào)電平的函數(shù)）。

　　二階和三階交調(diào)截點(diǎn)的概念對(duì)ADC無效，因?yàn)椋谶@種情況下，失真積的變化不可預(yù)測(cè)（作為信號(hào)幅度的函數(shù)）。ADC并不是逐漸開始?jí)嚎s接近滿量程的信號(hào) （不存在1dB壓縮點(diǎn)）;一旦信號(hào)超過ADC輸入范圍，ADC就會(huì)充當(dāng)硬限幅器，從而因削波而突然產(chǎn)生數(shù)量極大的失真。另一方面，對(duì)于遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于滿量程的信號(hào)，失真底保持相對(duì)穩(wěn)定，不受信號(hào)電平影響，如圖3所示。

　　圖3中的IMD曲線分為三個(gè)區(qū)域。對(duì)于低電平輸入信號(hào)，IMD積保持相對(duì)穩(wěn)定，不受信號(hào)電平的影響。這就意味著，當(dāng)輸入信號(hào)增加1dB時(shí)，該信號(hào)與IMD電平的比值也會(huì)增加1dB.

　　當(dāng)輸入信號(hào)處于ADC滿量程范圍的幾dB之內(nèi)時(shí)，IMD可能開始增加（但在設(shè)計(jì)優(yōu)良的ADC中可能不會(huì)如此）。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的確切電平取決于具體的 ADC--有些ADC在其滿量程輸入范圍內(nèi)，其IMD積不會(huì)顯著增大，但多數(shù)ADC會(huì)。當(dāng)輸入信號(hào)繼續(xù)增加并超過滿量程范圍時(shí)，ADC應(yīng)充當(dāng)理想的限幅器，IMD積將變得非常大。出于對(duì)此類原因的考慮，ADC并無二階和三階IMD交調(diào)截點(diǎn)額定值。需要注意的是，DAC實(shí)際上存在同樣的情況。在兩種情況下，單音或多音SFDR（無雜散動(dòng)態(tài)范圍）額定值是廣受認(rèn)可的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器失真性能的衡量指標(biāo)。