ADC中的數字下變頻的分析和其高性能優(yōu)勢 - 全文

高性能GSPS ADC 為基于賽靈思FPGA 的設計解決方案帶來板載DDC 功能

寬帶每秒數千兆個樣本 (GSPS) 模數轉換器 (ADC) 為高速采集系統(tǒng)帶來眾多性能優(yōu)勢。這些ADC 在高采樣率和輸入帶寬下提供較寬的可見頻譜。然而，有些情況需要寬帶前端，有些則要求能夠濾波并調諧為較窄的頻帶。

當應用只需要較窄帶時，用ADC 采樣、處理和傳送寬帶頻譜本身就低效，而且還耗能。當數據鏈路占用賽靈思FPGA中的大量高速收發(fā)器，只為在后續(xù)處理中對寬帶數據進行抽取和濾波時，就會產生不必要的系統(tǒng)負擔。賽靈思FPGA 收發(fā)器資源可以得到更好的分配，以接收所需的低帶寬并疏導來自多個ADC 的數據。可在FPGA 的多相濾波器組信道器中針對頻分復用 (FDM) 應用進行額外濾波。

高性能GSPS ADC 現將數字下變頻(DDC) 功能在信號鏈中進一步提升，以使其位于基于賽靈思FPGA 的設計解決方案的ADC 之中。該方案為高速系統(tǒng)架構師提供了多種新的設計選擇。然而，由于該功能對ADC 來說相對比較陌生，因此工程師可能就DDC 模塊在GSPS ADC 中的運行存在一些設計相關問題。讓我們理清一些最常見的問題，以便設計人員能夠更有信心地使用這種新技術。

為了充分獲得DDC的性能優(yōu)勢，設計中還要包含濾波器-混頻器組件以作為抽取的補充。

什么是抽??？
最簡單的定義，抽取就是只觀察ADC輸出樣本中具有周期性的子部分，而忽略其他部分。結果就是通過下采樣來有效降低ADC 采樣率。例如，ADC的M 抽取模式只輸出第M 批樣本中的第一個，舍棄之間的所有其他樣本。對每個M 的倍數，重復該方法。

樣本抽取本身只能有效減小ADC采樣率，并相應地作為低通濾波器。如果沒有頻率變換和數字濾波，抽取只會在頻域中將基波的諧波以及其他雜散信號相互疊加。

DDC的作用是什么？
既然抽取本身無法阻止頻帶外信號的疊加，那么DDC 是如何做到的？

為了充分獲得DDC 的性能優(yōu)勢，設計必須包含濾波器- 混頻器組件作為抽取功能的補充。數字濾波能從狹義上的頻帶（由抽取比率設定）中有效消除帶外噪聲。DDC 的典型數字濾波器實現方案是一個有限脈沖響應 (FIR) 濾波器。由于沒有反饋，這種濾波器只與過去的輸入有關。濾波器的通帶應匹配抽取后的轉換器有效頻譜。

DDC濾波器應該多寬？
DDC 的抽取比率通?；谡麛狄驍?，即2 的冪次方（2, 4, 8, 16 等）。不過，抽取比率實際上可以是基于DDC架構的任意比率，包括小數抽取。對于小數抽取的情況，在抽取前通常需要一個插值計算模塊來實現有理分數比率。

理想情況下，數字濾波器應準確匹配抽取頻率帶寬并濾去頻帶以外的一切干擾。然而，實際的有效濾波器帶寬無法準確匹配抽取比率的整個帶寬。因此，濾波器帶寬將是抽取頻率的一定百分比，例如85% 或90%。舉例來說，抽取因數為8 的濾波器的有用帶寬實際上可能是采樣率除以10 或fs/10。DDC 濾波級必須具備較低的通帶紋波和較強的阻帶混疊抑制能力。

頻率是固定的嗎？
下個問題是DDC 濾波器的頻率是固定的，還是能進行調諧并集中于某個所需的特定頻帶。

我們已經討論了DDC 的抽取和濾波級。不過，只有在所需頻率處于從DC 開始的濾波器通帶之內時才有意義。如果不是這樣，我們需要采取方法將濾波器調諧到不同的頻譜部分以觀察有用信號。可利用數控振蕩器(NCO) 在第一個或第二個奈奎斯特區(qū)域內調諧窄帶。NCO 用來將濾波器頻帶調諧和混合到寬帶頻譜的不同部分（圖1）。

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圖1 – 采用低通濾波器和NCO的頻率變換可在所需頻率下有效實現帶通濾波器。頻率規(guī)劃能確保不想要的諧波、尖刺和圖像落在頻帶以外。

數字控制字提供采樣率的小數分頻器，頻率布置分辨率由數字控制字中所使用的位數來設定， 可實現對有用頻帶的混合。控制字具備相應的調諧范圍和分辨率，以便將濾波器放在所需的位置。典型的NCO 控制字可能多達48 位分辨率，跨越采樣頻率的兩個奈奎斯特頻帶，這對大多數應用來說足夠了。
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NCO 帶有一個混頻器。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)行對真實、復雜輸入信號的下變頻。

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

將輸入信號通過混頻降至基帶時，由于過濾了負像，因而會出現6dB 的信號損失。NCO 還會額外產生一個小的插入損耗。因此，降頻至基帶后的輸入信號總損耗通常略高于6 dB。NCO 允許將輸入頻譜調諧至DC，這樣便可由后續(xù)的濾波器模塊進行有效濾波，以防止混疊。DDC 還可能包含獨立控制的數字增益級。增益級讓系統(tǒng)實現+6 dB 或更高的增益，以在輸出位數的整個范圍內集中信號的動態(tài)范圍。

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

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

數據速率的最小化能減少ADC的JESD204B 輸出通道數量，進而降低系統(tǒng)布局的復雜性。ADC 輸出帶寬的減小有助于設計小型化系統(tǒng)，否則這是無法實現的。例如，受系統(tǒng)功耗和尺寸的限制，電路板只能使用一個FPGA，對于這種情況，系統(tǒng)所支持的高速串行收發(fā)器數量會在不使用DDC 時限制ADC 的數量。

當系統(tǒng)內只能觀察到很窄的帶寬時，ADC 內的抽取有助于消除這種局限性。使用單個8 抽取DDC 可將ADC 的輸出帶寬減少至兩個輸出數據通道，以讓賽靈思Artix?-7 FPGA 系統(tǒng)支持的ADC 數量提高至四倍。對于這種情況，我們利用Artix-7 FPGA中現有的16 GTP 收發(fā)器設計出采用DDC 的八ADC 結構（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ADC，每個都通過兩條JESD204B通道傳送抽取后的I/Q數據，反之只能支持兩個ADC，每個通過八條通道輸出完整帶寬。

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

由于轉換器的寬帶噪聲被濾除而且只能觀察到較窄的頻譜，我們應該看到信號功率與觀察到的噪聲之比更高。ADC 的動態(tài)范圍在濾波器的通帶內應該更好。對寬帶頻譜進行抽取和濾波的固有優(yōu)勢在于利用DDC 改進SNR。

DDC 實現的數字濾波用來濾除較窄帶以外的噪聲。ADC 的SNR 計算必須包含一個考慮被濾除噪聲處理增益的濾波校正因子。使用完美數字濾波器，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 的一個明顯優(yōu)勢是能夠使基波信號的諧波落在所需頻帶的外面。通過適當的頻率規(guī)劃，數字濾波可以防止諧波在窄DDC 帶寬內看到，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的信噪比。另一個優(yōu)勢是，通過合理的頻率規(guī)劃，通常占主導的第二和第三次諧波會落到調諧后的有用帶寬之外并被數字濾除。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奈奎斯特頻帶末尾的周圍。這對于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并降低SFDR。因此，為了研究這類采樣問題，應該為DDC通帶濾波器寬度和NCO 調諧位置實施系統(tǒng)頻率規(guī)劃。

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

DDC 中的數字濾波能分擔一些工作，否則就要在前端放置嚴格的防止混疊模擬濾波器。不過，寬頻帶前端能實現多種用途，可讓DDC 同時觀察多個頻帶，或者利用NCO 掃描有用的頻帶以找到變化的輸入信號。

ADC能否提供多個DDC？
工程師考慮用FPGA 實現內部數字下變頻時提出的最后一個問題是，ADC 是否只提供一個DDC。答案是否定的；事實上可以觀察到多個頻帶。

就ADC 中的多個DDC 而言，每個都有自己的NCO，用來通過調諧將頻帶在奈奎斯特區(qū)域中分開。這種方法能同時觀察多個頻帶，并減小系統(tǒng)FPGA 收發(fā)器和抽取模塊負荷，以將它們分配給其他處理活動，例如針對FDM 系統(tǒng)將多個ADC 實現信道化。

高速ADC 現已具備足夠的處理能力將DDC 功能帶入信號鏈。如果系統(tǒng)不需要使用寬頻帶奈奎斯特率ADC 的完整帶寬，則可通過DDC 濾除不想要的數據和噪聲。這樣能改善信號采集的SNR 和SFDR。較低的帶寬能降低FPGA 收發(fā)器（例如Artix-7）的數據接口負擔，并有助于設計更復雜的信號采集系統(tǒng)。

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