采樣技術(shù)對(duì)信噪比的提升方法

基本原理

如上圖所示,過(guò)采樣提升信噪比的基本原理：對(duì)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(shí)，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(hào)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(hào)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(mén)利用這個(gè)原理制造的ADC芯片，即sigma-delta型ADC，其通過(guò)很低的實(shí)際ADC分辨率（比如2bit）進(jìn)行超高過(guò)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(cè)量精密直流信號(hào)的ADC就適合用這種類(lèi)型，要求的數(shù)據(jù)刷新速率較低，如用于測(cè)量溫度、壓力這種緩變的24bit、32bit ADC幾乎（應(yīng)該說(shuō)全部）都是這種。

sigma-delta型ADC除了利用過(guò)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(guò)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(duì)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(duì)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(cè)量的24、32bit ADC，重點(diǎn)、重點(diǎn)、重點(diǎn)來(lái)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(lái)源自ADI文獻(xiàn)

案列描述

案列描述：使用信號(hào)源給ADC輸入一個(gè)-1dBFS的61MHz正弦信號(hào)，其中ADC采樣率80MHz，信號(hào)經(jīng)過(guò)DDC數(shù)字下變頻、CIC濾波4抽取、兩級(jí)FIR濾波2抽取最終得到5Mbps速率的基帶IQ信號(hào)（帶寬4MHz），通過(guò)Vivado的ILA核從FPGA同時(shí)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(jì)算SNR；文中所有頻譜不是matlab仿真而來(lái)，而是在FPGA中采集的實(shí)際信號(hào)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(guò)采樣處理增益）,從圖看出經(jīng)過(guò)系列處理后SNR提高了8.3dB，后文中除了第一個(gè)圖是原始實(shí)信號(hào)外，其余均為基帶I路信號(hào)，最后輸出信號(hào)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(guò)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(hào)中有直流成分，導(dǎo)致DDC過(guò)程中NCO本振頻率（20MHz）泄露

圖3-CIC后的I路數(shù)據(jù)頻譜

實(shí)際此處采用4倍CIC抽取其實(shí)有些問(wèn)題，

圖4-HB后的I路數(shù)據(jù)頻譜

圖5-末級(jí)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(jiàn)到2~2.5MHz處的濾波器過(guò)渡帶滾降特性。