高性能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)的分析原理以及其應(yīng)用

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)。人們通過多種各樣的轉(zhuǎn)換器架構(gòu)來實(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。

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： 從以太網(wǎng)到無線局域網(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)果造就出開關(guān)速率更快、體積更小(而且功耗更低)的晶體管。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，無論是有線還是無線，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M(fèi)Hz的信號(hào)。

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圖1

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)甚至可以通過軟件重新配置，以支持新的標(biāo)準(zhǔn)(例如，分配在無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)。

帶寬和動(dòng)態(tài)范圍

無論是模擬還是數(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察光源與像素飽和點(diǎn)之間的強(qiáng)度或色彩范圍。

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圖2. 多載波示例

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。