采樣技術(shù)對信噪比的提升方法

基本原理

如上圖所示,過采樣提升信噪比的基本原理：對于確定的ADC芯片，其采樣的量化噪聲為固定常數(shù)，其均勻的分布在Fs/2帶寬的奈奎斯特區(qū)間內(nèi)，當(dāng)采樣率Fs增加時，等量的量化噪聲將分布在更換的內(nèi)奎斯特區(qū)間內(nèi)，噪聲譜密度降低（上圖中陰影區(qū)域被壓扁，但面積不變），即同樣信號帶寬內(nèi)包含的噪聲降低，理論上采樣率每提高一倍，噪聲功率譜密度就降低3dB。

利用該原理而得到的信噪比提升值稱為“處理增益”，因此提高采樣率可以在特定信號帶寬內(nèi)提高ADC的有效位ENOB，F(xiàn)s每增加4倍，有效位增加1bit。有專門利用這個原理制造的ADC芯片，即sigma-delta型ADC，其通過很低的實際ADC分辨率（比如2bit）進(jìn)行超高過采樣（比如1024倍）后再濾波抽取，就能在得到10bit的分辨率，因此很多測量精密直流信號的ADC就適合用這種類型，要求的數(shù)據(jù)刷新速率較低，如用于測量溫度、壓力這種緩變的24bit、32bit ADC幾乎（應(yīng)該說全部）都是這種。

sigma-delta型ADC除了利用過采樣外，還利用特殊的噪聲整形技術(shù)，將關(guān)注的帶內(nèi)噪聲大部分轉(zhuǎn)移到帶外，然后再用數(shù)字濾波器濾除，如此即可在前面常規(guī)過采樣的基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低目標(biāo)帶寬的噪聲量；噪聲整形的形狀大概有兩種，一種是針對中頻數(shù)字接收（如ADI的某些中頻數(shù)字接收芯片），有的稱作“浴盆狀”，一種是針對以直流為起點(diǎn)的低通應(yīng)用，如上面提到的用于近直流測量的24、32bit ADC，重點(diǎn)、重點(diǎn)、重點(diǎn)來了，ADI的射頻收發(fā)器如AD9361、71，ADRV9009等的接收通道ADC都屬于sigma-delta型ADC；

注：以上3圖來源自ADI文獻(xiàn)

案列描述

案列描述：使用信號源給ADC輸入一個-1dBFS的61MHz正弦信號，其中ADC采樣率80MHz，信號經(jīng)過DDC數(shù)字下變頻、CIC濾波4抽取、兩級FIR濾波2抽取最終得到5Mbps速率的基帶IQ信號（帶寬4MHz），通過Vivado的ILA核從FPGA同時抓取ADC原始數(shù)據(jù)、DDC結(jié)果、CIC結(jié)果、HB濾波結(jié)果、FIR濾波結(jié)果；然后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入matlab繪制頻譜和計算SNR；文中所有頻譜不是matlab仿真而來，而是在FPGA中采集的實際信號頻譜。

處理增益PG=Fs/(2BW)=80/(25)=8，即理想情況下SNR能夠提升9dB（過采樣處理增益）,從圖看出經(jīng)過系列處理后SNR提高了8.3dB，后文中除了第一個圖是原始實信號外，其余均為基帶I路信號，最后輸出信號的信噪比與理想條件下相差0.7dB，這0.7dB的差異主要就是濾波器不理想（過渡帶）等因素所導(dǎo)致。

基本流程

圖1-ADC采樣的原始數(shù)據(jù)頻譜

圖2-DDC后的I路數(shù)據(jù)頻譜

信號中有直流成分，導(dǎo)致DDC過程中NCO本振頻率（20MHz）泄露

圖3-CIC后的I路數(shù)據(jù)頻譜

實際此處采用4倍CIC抽取其實有些問題，

圖4-HB后的I路數(shù)據(jù)頻譜

圖5-末級FIR后的I路數(shù)據(jù)頻譜

濾波器帶寬設(shè)置為2MHz，故上圖中可清晰見到2~2.5MHz處的濾波器過渡帶滾降特性。