高速轉(zhuǎn)換器的原理是什么，它的作用有哪些

作為＂現(xiàn)實(shí)世界＂模擬域與 1 和 0 構(gòu)成的數(shù)字世界之間的關(guān)口，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器是現(xiàn)代信號(hào)處理中的關(guān)鍵要素之一。過(guò)去 30 年，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換領(lǐng)域涌現(xiàn)出了大量創(chuàng)新技術(shù)，這些技術(shù)不但助推了從醫(yī)療成像到蜂窩通信、再到消費(fèi)音視頻，各個(gè)領(lǐng)域的性能提升和架構(gòu)進(jìn)步，同時(shí)還為實(shí)現(xiàn)全新應(yīng)用發(fā)揮了重要作用。

寬帶通信和高性能成像應(yīng)用的持續(xù)擴(kuò)張凸顯出 高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的特殊重要性：轉(zhuǎn)換器要能處理帶寬范圍在 10 MHz 至 1 GHz 以上的信號(hào)。人們通過(guò)多種各樣的轉(zhuǎn)換器架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)這些較高的速率，各有其優(yōu)勢(shì)。高速下在模擬域和數(shù)字域之間來(lái)回切換也對(duì)信號(hào)完整性提出了一些特殊的挑戰(zhàn)——不僅模擬信號(hào)如此，時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)亦是如此。了解這些問(wèn)題不僅對(duì)于組件選擇十分重要，而且甚至?xí)绊懻w系統(tǒng)架構(gòu)的選擇。

圖 1．

更快、更快、更快

在許多技術(shù)領(lǐng)域，我們習(xí)慣于把技術(shù)進(jìn)步與更高的速率關(guān)聯(lián)起來(lái)： 從以太網(wǎng)到無(wú)線局域網(wǎng)再到蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)通信的實(shí)質(zhì)就是不斷提高數(shù)據(jù)傳輸速率。通過(guò)時(shí)鐘速率的進(jìn)步，微處理器、數(shù)字信號(hào)處理器和 FPGA 發(fā)展十分迅速。這些器件主要得益于尺寸不斷縮小的蝕刻工藝，結(jié)果造就出開(kāi)關(guān)速率更快、體積更?。ǘ夜母停┑?a target="_blank">晶體管。這些進(jìn)步創(chuàng)造出一個(gè)處理能力和數(shù)據(jù)帶寬呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的環(huán)境。這些強(qiáng)大的數(shù)字引擎帶來(lái)了同樣呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的信號(hào)和數(shù)據(jù)處理需求：從靜態(tài)圖像到視頻，到帶寬頻譜，無(wú)論是有線還是無(wú)線，均是如此。運(yùn)行時(shí)鐘速率為 100 MHz 的處理器或許能有效地處理帶寬為 1 MHz 至 10 MHz 的信號(hào)：運(yùn)行時(shí)鐘速率達(dá)數(shù) GHz 的處理器能夠處理帶寬達(dá)數(shù)百 MHz 的信號(hào)。

自然地，更強(qiáng)的處理能力、更高的處理速率會(huì)導(dǎo)致更快的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換：寬帶信號(hào)擴(kuò)大其帶寬（往往達(dá)到物理或監(jiān)管機(jī)構(gòu)設(shè)定的頻譜極限），成像系統(tǒng)尋求提高每秒像素處理能力，以便更加快速地處理更高分辨率的圖像。系統(tǒng)架構(gòu)推陳出新，以利用極高的這種處理性能，其中還出現(xiàn)了并行處理的趨勢(shì)，這可能意味著對(duì)多通道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的需求。

架構(gòu)上的另一重要變化是走向多載波 ／ 多通道，甚至軟件定義系統(tǒng)的趨勢(shì)。傳統(tǒng)的模擬密集型系統(tǒng)在模擬域中完成許多信號(hào)調(diào)理工作（濾波、放大、頻率轉(zhuǎn)換）；在經(jīng)過(guò)充分準(zhǔn)備后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理。一個(gè)例子是 FM 廣播：給定電臺(tái)的通道寬度通常為 200 kHz，F(xiàn)M 頻段范圍為 88 MHz 至 108 MHz。傳統(tǒng)接收器把目標(biāo)電臺(tái)的頻率轉(zhuǎn)換成 10．7 MHz 的中頻，過(guò)濾掉所有其他通道，并把信號(hào)放大到最佳解調(diào)幅度。多載波架構(gòu)將整個(gè) 20 MHz FM 頻段數(shù)字化，并利用數(shù)字處理技術(shù)來(lái)選擇和恢復(fù)目標(biāo)電臺(tái)。雖然多載波方案需要采用復(fù)雜得多的電路，但它具有極大的系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)：系統(tǒng)可以同時(shí)恢復(fù)多個(gè)電臺(tái)，包括邊頻電臺(tái)。如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，多載波系統(tǒng)甚至可以通過(guò)軟件重新配置，以支持新的標(biāo)準(zhǔn)（例如，分配在無(wú)線電邊頻帶的新型高清電臺(tái)）。這種方式的最終目標(biāo)是采用可以接納所有頻帶的寬帶數(shù)字化儀和可以恢復(fù)任何信號(hào)的強(qiáng)大處理器：這即是所謂的軟件定義無(wú)線電。其他領(lǐng)域中有等效的架構(gòu)——軟件定義儀表、軟件定義攝像頭等。我們可以把這些當(dāng)作虛擬化的信號(hào)處理等效物。使得諸如此類(lèi)靈活架構(gòu)成為可能的是強(qiáng)大的數(shù)字處理技術(shù)以及高速、高性能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)。

圖 2． 多載波示例

帶寬和動(dòng)態(tài)范圍

無(wú)論是模擬還是數(shù)字信號(hào)處理，其基本維度都是帶寬和動(dòng)態(tài)范圍——這兩個(gè)因素決定著系統(tǒng)實(shí)際可以處理的信息量。在通信領(lǐng)域，克勞德?香農(nóng)的理論就使用這兩個(gè)維度來(lái)描述一個(gè)通信通道可以攜帶的信息量的基本理論限值，但其原理卻適用于多個(gè)領(lǐng)域。對(duì)于成像系統(tǒng)，帶寬決定著給定時(shí)間可以處理的像素量，動(dòng)態(tài)范圍決定著最暗的可覺(jué)察光源與像素飽和點(diǎn)之間的強(qiáng)度或色彩范圍。

圖 3． 信號(hào)處理的基本維度

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的可用帶寬有一個(gè)由奈奎斯特采樣理論設(shè)定的基本理論限值——為了表示或處理帶寬為 F 的信號(hào)，我們需要使用運(yùn)行采樣速率至少為 2 F 的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器（請(qǐng)注意，本法則適用于任何采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)——模擬或數(shù)字都適用）。對(duì)于實(shí)際系統(tǒng)，一定量的過(guò)采樣可極大地簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，因此，更典型的數(shù)值是信號(hào)帶寬的 2．5 至 3 倍。如前所述，不斷增加的處理能力可提高系統(tǒng)處理更高帶寬的能力，而蜂窩電話、電纜系統(tǒng)、有線和無(wú)線局域網(wǎng)、圖像處理以及儀器儀表等系統(tǒng)都在朝著帶寬更高的系統(tǒng)發(fā)展。這種不斷提高帶寬需求要求數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器具備更高的采樣速率。

如果說(shuō)帶寬這個(gè)維度直觀易懂，那么動(dòng)態(tài)范圍這個(gè)維度則可能稍顯晦澀。在信號(hào)處理中，動(dòng)態(tài)范圍表示系統(tǒng)可以處理且不發(fā)生飽和或削波的最大信號(hào)與系統(tǒng)可以有效捕獲的最小信號(hào)之間的分布范圍。我們可以考慮兩類(lèi)動(dòng)態(tài)范圍：可配置動(dòng)態(tài)范圍可以通過(guò)在低分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）之前放置一個(gè)可編程增益放大器（PGA）來(lái)實(shí)現(xiàn)（假設(shè)對(duì)于 12 位的可配置動(dòng)態(tài)范圍，在一個(gè) 8 位轉(zhuǎn)換器前放置一個(gè) 4 位 PGA）：當(dāng)增益設(shè)為低值時(shí)，這種配置可以捕獲大信號(hào)而不會(huì)超過(guò)轉(zhuǎn)換器的范圍。當(dāng)信號(hào)超小時(shí)，可將 PGA 設(shè)為高增益，以將信號(hào)放大到轉(zhuǎn)換器的噪底以上。信號(hào)可能是一個(gè)信號(hào)強(qiáng)或信號(hào)弱的電臺(tái)，也可能是成像系統(tǒng)中的一個(gè)明亮或暗淡的像素。對(duì)于一次只嘗試恢復(fù)一個(gè)信號(hào)的傳統(tǒng)信號(hào)處理架構(gòu)來(lái)說(shuō)，這種可配置動(dòng)態(tài)范圍可能是非常有效的。

瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍更加強(qiáng)大：在這種配置中，系統(tǒng)擁有充足的動(dòng)態(tài)范圍，能夠同時(shí)捕獲大信號(hào)而不產(chǎn)生削波現(xiàn)象，同時(shí)還能恢復(fù)小信號(hào)——現(xiàn)在，我們可能需要一個(gè) 14 位的轉(zhuǎn)換器。該原理適用于多種應(yīng)用——恢復(fù)強(qiáng)電臺(tái)或弱電臺(tái)信號(hào)，恢復(fù)手機(jī)信號(hào)，或者恢復(fù)圖像的超亮和超暗部分。在系統(tǒng)傾向使用更加復(fù)雜的信號(hào)處理算法的同時(shí)，對(duì)動(dòng)態(tài)范圍的需求也是水漲船高的走向。在這種情況下，系統(tǒng)可以處理更多信號(hào)——如果全部信號(hào)都具有相同的強(qiáng)度，并且需要處理兩倍的信號(hào)，則需要增加 3 dB 的動(dòng)態(tài)范圍（在所有其他條件相等的情況下）?？赡芨匾氖?，如前所述，如果系統(tǒng)需要同時(shí)處理強(qiáng)信號(hào)和弱信號(hào)，則動(dòng)態(tài)范圍的增量要求可能要大得多。

動(dòng)態(tài)范圍的不同衡量指標(biāo)

在數(shù)字信號(hào)處理中，動(dòng)態(tài)范圍的關(guān)鍵參數(shù)是信號(hào)表示中的位數(shù)，或稱(chēng)字長(zhǎng)：一個(gè) 32 位處理器的動(dòng)態(tài)范圍多于一個(gè) 16 位的處理器。過(guò)大的信號(hào)將發(fā)生削波——這是一種高度非線性的運(yùn)算，會(huì)破壞多數(shù)信號(hào)的完整性。過(guò)小的信號(hào)——幅度小于 1 LSB——將變得不可檢測(cè)并丟失掉。這個(gè)有限分辨率通常稱(chēng)為量化誤差，或量化噪聲，在確立可檢測(cè)性下限時(shí)可能是一個(gè)重要因素。

量化噪聲也是混合信號(hào)系統(tǒng)中的一個(gè)因素，但有多個(gè)因素決定著數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的可用動(dòng)態(tài)范圍，而且每個(gè)因素都自己的動(dòng)態(tài)范圍

信噪比（SNR）——轉(zhuǎn)換器的滿量程與頻帶總噪聲之比。該噪聲可能來(lái)自量化噪聲（如上所述）、熱噪聲（所有現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中都存在）或其他誤差項(xiàng)（如抖動(dòng)）。

靜態(tài)非線性度——微分非線性度（DNL）和積分非線性度（INL）——衡量從數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器輸入端到輸出端的直流傳遞函數(shù)的非理想程度的指標(biāo)（DNL 通常確定成像系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍）。

總諧波失真——靜態(tài)和動(dòng)態(tài)非線性度會(huì)產(chǎn)生諧音，可能有效地屏蔽其他信號(hào)。THD 通常會(huì)限制音頻系統(tǒng)的有效動(dòng)態(tài)范圍。

無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）——考慮相對(duì)于輸入信號(hào)的最高頻譜雜散，無(wú)論是二階還是三階諧波時(shí)鐘饋通，甚至是 60 Hz 的＂嗡嗡＂噪聲。由于頻譜音或雜散可能屏蔽小信號(hào)，因此，SFDR 是用來(lái)表示許多通信系統(tǒng)中可用動(dòng)態(tài)范圍的一個(gè)良好指標(biāo)。

還有其他技術(shù)規(guī)格——事實(shí)上，每種應(yīng)用可能都有自己的有效動(dòng)態(tài)范圍描述方式。開(kāi)始時(shí)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的分辨率是其動(dòng)態(tài)范圍的一個(gè)良好替代指標(biāo)，但在真正決定時(shí)選擇正確的技術(shù)規(guī)格是非常重要的。關(guān)鍵原則是，越多越好。雖然許多系統(tǒng)可以立即意識(shí)到需要更高的信號(hào)處理帶寬，但對(duì)動(dòng)態(tài)范圍的需求卻可能不是如此直觀，即便要求更加苛刻。

值得注意的是，盡管帶寬和動(dòng)態(tài)范圍是信號(hào)處理的兩個(gè)主要維度，但還有必要考慮第三個(gè)維度，即效率：這有助于我們回答這樣一個(gè)問(wèn)題：＂為了實(shí)現(xiàn)額外性能，我需要付出多少成本？＂我們可以從購(gòu)置價(jià)格來(lái)看成本，但對(duì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和其他電子信號(hào)處理應(yīng)用來(lái)說(shuō)，一種更加純粹的、衡量成本的技術(shù)手段是功耗。性能越高的系統(tǒng)——更大的帶寬或動(dòng)態(tài)范圍——往往要消耗更多的電能。隨著技術(shù)的進(jìn)步，我們都試圖在提高帶寬和動(dòng)態(tài)范圍的同時(shí)減少功耗。