工程師:利用噪聲頻譜密度評估軟體定義系統中的ADC

2021-01-09 OFweek維科網

過採樣替代方法

在較高的採樣速率下使用ADC通常意味著較高的功耗——無論是ADC自身抑或後續數字處理。表1顯示過採樣對NSD有好處,但問題依然存在:「過採樣真的值得嗎?」

如表2所示,使用噪聲較低的轉換器也能實現更好的NSD。捕捉多載波的系統需要工作在較高採樣速率下,因此會對每個載波進行過採樣。不過,過採樣仍有很多優勢。

簡化抗混疊濾波——過採樣會將較高頻率的信號(和噪聲)混疊到轉換器的奈奎斯特頻段內.所以為了混疊影響,這些信號需要在AD轉換前被濾波器濾除。這意味著過濾器的過渡帶必須位於最高目標捕捉頻率(FIN)和該頻率的混疊(FSAMPLE、FIN)之間。隨著FIN越來越接近FSAMPLE/2,此抗混疊濾波器的過渡帶變得非常窄,需要極高階的濾波器。2至4倍過採樣可大幅減少模擬域中的這個限制,並將負擔置於相對容易處理的數字域中。

即便使用完美的抗混疊濾波器,要最大程度減少轉換器失真產物摺疊的影響也會帶來不足,在ADC中產生雜散和其他失真產物,包括某些極高階諧波。這些諧波還將在採樣頻率內摺疊,可能返回帶內,限制目標頻段內的SNR。在較高的採樣速率下,所需頻段成為奈奎斯特帶寬的一小部分,因而降低了摺疊發生的概率。值得一提的是,過採樣還有助於可能發生帶內摺疊的其他系統雜散(比如器件時鐘源)的頻率規劃。

調製增益對任何白噪聲都有影響,包括熱噪聲和量化噪聲,以及來自某些類型時鐘抖動的噪聲。

隨著速度更高的轉換器和數字處理產品的成熟,系統設計人員更頻繁地使用一定量的過採樣以發揮這些優勢,比如噪底和FFT。

圖2. 524,288樣本FFT和8192樣本FFT的ADC

用戶可能很希望通過檢查頻譜曲線以及查看噪底深度來比較轉換器,如圖2所示。進行此類比較時,重要的是需記住頻譜曲線取決於快速傅立葉變換的大小。較大的FFT會將帶寬分成更多的頻率倉,每個頻率倉內累積的噪聲會變少。這種情況下,頻譜曲線會顯示較低的噪底,但這只是一個繪圖偽像。事實上,噪聲頻譜密度並未發生改變(這是改變頻譜分析儀解析度帶寬的信號處理等效情況)。

最終,如果採樣速率等於FFT大小(或者成適當比例),那麼比較噪底是可以接受的,否則可能產生誤解。這裡,NSD規格可用於直接比較。

當噪底不平坦時

到目前為止,關於調製增益和過採樣的討論都假設噪聲在轉換器的奈奎斯特頻帶內是平坦的。這在很多情況下是一個合理的近似,但也有某些情況不適用該假設。

例如,之前已經提到調製增益並不適用於雜散,雖然過採樣系統在頻率規劃和雜散處理方面可能有一些優勢。此外,1/f噪聲和部分類型的振蕩器相位噪聲具有頻譜整形性能,調製增益計算不適用於此類情況。

圖3.目標頻段和噪聲整形

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