NCO的分析 - ADC中的數(shù)字下變頻的分析和其高性能優(yōu)勢(shì)

NCO 帶有一個(gè)混頻器。該器件工作方式很像模擬正交混頻器，可將NCO 頻率作為本地振蕩器，以執(zhí)行對(duì)真實(shí)、復(fù)雜輸入信號(hào)的下變頻。

濾波器緊跟在頻率變換級(jí)后面。在所需的載波頻帶向下調(diào)諧到DC 以后，濾波器就能有效降低采樣率，同時(shí)能有效抑制在調(diào)諧后的有用帶寬周圍由臨近的無用載波產(chǎn)生的混疊現(xiàn)象。

將輸入信號(hào)通過混頻降至基帶時(shí)，由于過濾了負(fù)像，因而會(huì)出現(xiàn)6dB 的信號(hào)損失。NCO 還會(huì)額外產(chǎn)生一個(gè)小的插入損耗。因此，降頻至基帶后的輸入信號(hào)總損耗通常略高于6 dB。NCO 允許將輸入頻譜調(diào)諧至DC，這樣便可由后續(xù)的濾波器模塊進(jìn)行有效濾波，以防止混疊。DDC 還可能包含獨(dú)立控制的數(shù)字增益級(jí)。增益級(jí)讓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)+6 dB 或更高的增益，以在輸出位數(shù)的整個(gè)范圍內(nèi)集中信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。

單個(gè)8抽取DDC能夠使賽靈思Artix-7 FPGA系統(tǒng)可支持的ADC數(shù)量提高至四倍。

處理器間中斷
采用ADC 樣本抽取后便無需向信號(hào)鏈下游發(fā)送最終會(huì)被舍棄的無用信息。由于這類數(shù)據(jù)被濾除，因此降低了ADC 后端所需的輸出數(shù)據(jù)帶寬。這個(gè)減少量被I/Q 輸出數(shù)據(jù)量的增加所抵消。例如，具有I 和Q 數(shù)據(jù)的16抽取濾波器會(huì)使寬帶輸出數(shù)據(jù)減少8倍。

數(shù)據(jù)速率的最小化能減少ADC的JESD204B 輸出通道數(shù)量，進(jìn)而降低系統(tǒng)布局的復(fù)雜性。ADC 輸出帶寬的減小有助于設(shè)計(jì)小型化系統(tǒng)，否則這是無法實(shí)現(xiàn)的。例如，受系統(tǒng)功耗和尺寸的限制，電路板只能使用一個(gè)FPGA，對(duì)于這種情況，系統(tǒng)所支持的高速串行收發(fā)器數(shù)量會(huì)在不使用DDC 時(shí)限制ADC 的數(shù)量。

當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)只能觀察到很窄的帶寬時(shí)，ADC 內(nèi)的抽取有助于消除這種局限性。使用單個(gè)8 抽取DDC 可將ADC 的輸出帶寬減少至兩個(gè)輸出數(shù)據(jù)通道，以讓賽靈思Artix?-7 FPGA 系統(tǒng)支持的ADC 數(shù)量提高至四倍。對(duì)于這種情況，我們利用Artix-7 FPGA中現(xiàn)有的16 GTP 收發(fā)器設(shè)計(jì)出采用DDC 的八ADC 結(jié)構(gòu)（圖2）。這樣能更高效使用賽靈思FPGA 資源，成為一組FDM 通道的多通道數(shù)字接收器。

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圖2 – 抽取比率為8的DDC能讓賽靈思Artix-7的16 GTP 6.6Gbps收發(fā)器支持八個(gè)ADC，每個(gè)都通過兩條JESD204B通道傳送抽取后的I/Q數(shù)據(jù)，反之只能支持兩個(gè)ADC，每個(gè)通過八條通道輸出完整帶寬。

DDC濾波器是否影響SNR和SFDR？
下一個(gè)需要研究的問題是當(dāng)DDC 濾波器打開和關(guān)閉時(shí)，信噪比 (SNR) 和無雜散動(dòng)態(tài)范圍 (SFDR) 這兩個(gè)模擬性能如何變化。

由于轉(zhuǎn)換器的寬帶噪聲被濾除而且只能觀察到較窄的頻譜，我們應(yīng)該看到信號(hào)功率與觀察到的噪聲之比更高。ADC 的動(dòng)態(tài)范圍在濾波器的通帶內(nèi)應(yīng)該更好。對(duì)寬帶頻譜進(jìn)行抽取和濾波的固有優(yōu)勢(shì)在于利用DDC 改進(jìn)SNR。

DDC 實(shí)現(xiàn)的數(shù)字濾波用來濾除較窄帶以外的噪聲。ADC 的SNR 計(jì)算必須包含一個(gè)考慮被濾除噪聲處理增益的濾波校正因子。使用完美數(shù)字濾波器，帶寬每減小的2 的冪次方，被濾除噪聲引起的處理增益將會(huì)增加+3dB ：
理想SNR（具有處理增益）=6.02*N + 1.76 dB + 10log10(fs/(2*BW))

使用DDC 的一個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)是能夠使基波信號(hào)的諧波落在所需頻帶的外面。通過適當(dāng)?shù)念l率規(guī)劃，數(shù)字濾波可以防止諧波在窄DDC 帶寬內(nèi)看到，從而提高系統(tǒng)的SFDR 性能。

在只需要窄帶的系統(tǒng)中，DDC通過濾掉寬帶噪聲來提供ADC 處理增益。這樣能提高有用帶寬內(nèi)的信噪比。另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，通過合理的頻率規(guī)劃，通常占主導(dǎo)的第二和第三次諧波會(huì)落到調(diào)諧后的有用帶寬之外并被數(shù)字濾除。這能提高系統(tǒng)的SFDR。

采樣定理指出諧波或其他高階系統(tǒng)尖刺可能回折到每個(gè)奈奎斯特頻帶末尾的周圍。這對(duì)于DDC 同樣適用，其第二或第三次無用諧波有可能回折到通帶內(nèi)并降低SFDR。因此，為了研究這類采樣問題，應(yīng)該為DDC通帶濾波器寬度和NCO 調(diào)諧位置實(shí)施系統(tǒng)頻率規(guī)劃。

是否需要外部濾波器？
使用內(nèi)部DDC 的系統(tǒng)ADC 也可以使用附加的模擬濾波器，就像沒有DDC濾波時(shí)那樣。對(duì)于寬帶系統(tǒng)，DDC 能夠緩和ADC 前端的濾波要求。