寬帶無線電需要寬動態(tài)范圍轉(zhuǎn)換器

寬帶接收器通常使用固定本振從 900 MHz 等頻率下變頻至 5 至 25 MHz 的基帶，并直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字。其中的許多獨立信號通道都經(jīng)過濾波、解調(diào)和數(shù)字處理。這種基站系統(tǒng)降低了成本和復(fù)雜性——它們只需要一個高頻模擬前端。但關(guān)鍵環(huán)節(jié)，即A/D轉(zhuǎn)換器，必須具有出色的性能。

寬帶接收機的 A/D 規(guī)格由系統(tǒng)無線電標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動。為了在附近信號較強的情況下接收遠(yuǎn)距離信號，蜂窩基站接收器必須具有寬動態(tài)范圍。例如，GSM 規(guī)范要求接收器能夠在存在許多其他信號的情況下準(zhǔn)確數(shù)字化 -13 dBm 至 -104 dBm 的信號（圖 1）— 91 dB 動態(tài)范圍！這意味著轉(zhuǎn)換器和模擬前端的無雜散動態(tài)范圍（SFDR）必須約為95至100 dBFS。具有給定幅度的轉(zhuǎn)換信號的SFDR是該幅度與轉(zhuǎn)換器奈奎斯特頻譜（0至F）中最大雜散頻率分量的對數(shù)比（dB）s/2赫茲）。

圖1.在附近GSM信道中存在強信號的情況下，必須能夠檢測到微弱信號。

最大的雜散通常由前端強信號的失真分量產(chǎn)生，可能會掩蓋接收器處理的微弱條紋信號。SFDR規(guī)范允許評估接收器本底噪聲附近的信號的信噪比（或SNR的逆，數(shù)字接收器中的誤碼率，BER）。

GSM是使用寬帶技術(shù)更難實現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)之一，因此它是某些轉(zhuǎn)換器規(guī)格重要性的一個很好的例子。其他標(biāo)準(zhǔn)，如AMPS（北美模擬蜂窩），對接收器設(shè)計的要求較低，可以使用寬帶輕松實現(xiàn)。

滿量程SINAD和SNR雖然足以滿足單音輸入信號，但不能為寬帶無線電中存在的無數(shù)信號和寬帶頻譜提供完整的圖像。多音調(diào)測試和 SFDR 功率掃描信息量更大。

轉(zhuǎn)換器在數(shù)字化滿量程信號時的性能通常與處理比滿量程低 10、20、30 dB 或更高的較小信號（典型的寬帶無線電）的性能不同。圖2顯示了12位、50 MSPS AD8011的SFDR與信號幅度的關(guān)系。由于轉(zhuǎn)換器積分非線性和滿量程時的采樣/保持壓擺率限制，SFDR實際上隨著全跨度附近信號電平的降低而改善，從而提供了更大的動態(tài)范圍。SFDR比率對于較低的信號電平更好，因為轉(zhuǎn)換器在其余范圍內(nèi)更加線性。多個信號也會產(chǎn)生近乎滿量程的代碼，但隨機非相關(guān)信號的總和類似于抖動。

圖2.AD9042的SFDR與輸入幅度的關(guān)系

抖動是一種技術(shù)，用于通過使轉(zhuǎn)換器在每次對給定模擬電平進(jìn)行采樣時使用其范圍的不同部分來降低有效本底噪聲的非線性度。它可以通過模擬或數(shù)字方法實現(xiàn)。以數(shù)字方式生成偽隨機數(shù)（抖動），轉(zhuǎn)換為模擬數(shù)，并與模擬輸入信號重復(fù)求和[因此給定電平的每個轉(zhuǎn)換結(jié)果取決于抖動值]。每次轉(zhuǎn)換后，從數(shù)字輸出中減去偽隨機數(shù)字值。這種技術(shù)減少了重復(fù)執(zhí)行相同非線性時產(chǎn)生的光譜內(nèi)容。在寬帶接收機中，背景噪聲和其他不相關(guān)信號提供了抖動的一些好處，但抖動通常是有意增加的，以提高動態(tài)性能。

三階互調(diào)失真：（IMD）在存在兩個大信號而存在許多較小信號的情況下很重要。兩個最大的信號將在（2f）處產(chǎn)生由非線性引起的雜散2， G1) 和 （2f1， G2).顯著雜散可以覆蓋位于這些頻率上的小期望信號，就像諧波可以掩蓋小信號一樣;由于這些產(chǎn)品總是按帶狀排列，因此無法過濾。IMD并不重要，因為它對較大信號的影響，而是干擾附近信道中的較小信號。可以清楚地看到圖3中的上部IMD乘積，混疊后帶。還表明，除了IMD，其他雜散也可能會出現(xiàn)問題。在這種情況下，在 2（f2， G1） 表示雙音 SFDR 等測量與雙音 IMD 同樣重要。

圖3.AD9042的雙音性能

差分線性誤差（DNL）雖然是特定于架構(gòu)的，但會因多級轉(zhuǎn)換器內(nèi)的失配而增加。當(dāng)?shù)托盘栯娖娇缭较鄬υ愀獾拇a（在DNL圖中突出的代碼）時，它們變得很重要。在圖4的SFDR圖中可以看到SFDR在-25和-40 dBFS之間的急劇下降。失配的均方根誤差保持不變，但隨著信號電平的降低，SFDR會變得更糟，并且對雜散項的貢獻(xiàn)更大。再往下，信號不再越過這些不匹配，SFDR保持高電平。多個信號或增加抖動可以減少該誤差源，從而提高接收器的性能。

圖4.一個“壞”的SFDR情節(jié)。注意在 35 dB 附近下降。

頭部空間：當(dāng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器在寬帶架構(gòu)中接收多個通道時，每個信號電平必須遠(yuǎn)小于轉(zhuǎn)換器的滿量程。單獨一個信號可能使用轉(zhuǎn)換器的滿量程范圍，但當(dāng)存在兩個信號時，假設(shè)信號功率相等，每個信號都必須是半振幅（-6 dB），以防止這些信號在其峰值處加在一起時出現(xiàn)輸出削波。信號數(shù)量每增加一倍，單個電平就需要降低 6 dB。例如，4 個通道為 -12 dBFS，8 個通道為 -18 dBFS。多通道無線電必須具有足夠的動態(tài)范圍，以解決因可用信號電平降低而損失的SNR。此外，無線電設(shè)計人員在ADC范圍的頂部保留3至15 dB的裕量作為裕量，以防止隨著新呼叫者進(jìn)入小區(qū)而出現(xiàn)額外信號時不可避免的高輸入峰均方比和飽和帶來的削波。

其他模數(shù)轉(zhuǎn)換器要求

采樣率：許多寬帶無線電使用寬動態(tài)范圍、超高截點混頻器（如AD831）（模擬對話28-2，第3-5頁）將RF頻譜混合到基帶（從直流到某些高頻的一系列信號）。此類無線電的轉(zhuǎn)換器要求采樣速率至少為最高頻率（奈奎斯特速率）的兩倍，即直流至10 MHz信號范圍的最低采樣速率為20 MSPS，并且通常具有至少20%的額外裕量，將所需的編碼速率提高到約25 MSPS。

對于模擬和數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)，過采樣可提供可提高有效SNR的處理增益。對于數(shù)字調(diào)制數(shù)據(jù)，ADC應(yīng)以數(shù)據(jù)速率的整數(shù)倍采樣，以便通道中心位于FFT或濾波器箱的中心。例如，如果接收器正在解碼GSM數(shù)據(jù)包，則采樣速率將是270.833-kHz數(shù)據(jù)速率的倍數(shù)。典型的GSM接收器使用每比特48個樣本的倍數(shù)，對于基本采樣率，F(xiàn)s，的 13 MSPS。[1]模擬接收（如 AM 和 FM）的采樣速率是通道帶寬的倍數(shù)。使用 AMPS（30kHz 標(biāo)準(zhǔn)），典型采樣率為 1024[2]帶寬的倍數(shù)為 30.72 MSPS。

驅(qū)動器和過濾：基帶采樣的替代方法是對位于第二或第三奈奎斯特區(qū)的IF信號進(jìn)行采樣[即，從（N-1）Fs/2到NFs/2].因此，第二個奈奎斯特區(qū)來自Fs/2至Fs;第三個是來自Fs至 （3/2）Fs.為Fs= 25 MSPS，第二個區(qū)域為 12.5 MHz 至 25 MHz;第三個是25-37.5 MHz。 使用較高的區(qū)域可以大大放寬驅(qū)動放大器的諧波要求，因為對于高于第一奈奎斯特區(qū)的頻率進(jìn)行濾波要容易得多。

在 10 MHz 基帶下，對于具有 1 MHz 信號的 70 dB 諧波抑制，驅(qū)動放大器必須具有 70 dB 諧波性能，因為抗混疊濾波器不能濾除低于 10 MHz 的諧波。但是，如果系統(tǒng)設(shè)計用于 26 MHz 的 1 MHz 基帶信號 （Fs+ 1 MHz，在第三個奈奎斯特區(qū)），二次諧波將為 52 MHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出數(shù)字化儀抗混疊濾波器的 25 至 37.5 MHz 通帶（圖 5）。無需犧牲轉(zhuǎn)換器精度;由于采樣系統(tǒng)內(nèi)的信號折疊，所有轉(zhuǎn)換器諧波總是落在“帶內(nèi)”。通過犧牲放大器性能提高以放寬濾波器規(guī)格來簡化模擬電路要求。但互調(diào)要求不能降低;放大器和轉(zhuǎn)換器的IM必須始終落在帶內(nèi)。

圖5.易于濾波：第三奈奎斯特區(qū)的欠采樣信號，以消除基帶諧波。

[1]其他可能的采樣頻率包括26 MSPS和39 MSPS，均為13 MSPS的倍數(shù)。

[2]其他倍數(shù)通常是可能的，通常是 2 的冪，并且在可用轉(zhuǎn)換器的采樣率能力范圍內(nèi)。

寬帶無線電過采樣和過程增益

SNR可以通過稱為處理增益的數(shù)值運算來改善。在任何數(shù)字化過程中，信號采樣越快，本底噪聲越低。SNR沒有改善，總積分噪聲保持不變，但它分布在更多的頻率上。本底噪聲遵循公式（b = 分辨率）：

Noise Floor = 6.02 b + 1.8 + 10 log (Fs / 2 BW)

這表示轉(zhuǎn)換器的量化噪聲，并顯示噪聲與采樣速率之間的關(guān)系。采樣速率每增加一倍，有效本底噪聲就會降低3 dB。

雖然通過提高采樣率可以實現(xiàn)一些增益，但它們相對較小。然而，當(dāng)需要使用數(shù)字信號處理芯片對信號進(jìn)行通道化和濾波時，在數(shù)字濾波過程中可以獲得重要的收益。例如，如果使用AD9042采樣速率以40.96 MSPS的速度對30 kHz AMPS信號進(jìn)行數(shù)字化處理，則只有一小部分寬帶噪聲通過數(shù)字濾波器通帶。通帶（0.03 MHz/20.48 MHz）中的噪聲降低以對數(shù)形式為10對數(shù)（20.48 MHz/30 kHz）或28.3 dB。

考慮到這一點，給定信號的有效SNR是

SNR = 6.2 + 1.8 + 10 log (Fs / (2 x BW)) - HR

如果實際的SNR規(guī)格已知，則將其替換為（6.02 b +1.8）項。如果轉(zhuǎn)換器的SNR規(guī)格為67 dB，有8個信號，則每個信號將比滿量程低18 + 12 dB（裕量-HR）（如上所述）。因此，整體信號電平將比滿量程低30 dB（即SNR降低到37 dB）。但有效信道信噪比將為 67+28.3-30 = 65.3 dB。

審核編輯：郭婷