利用噪声频谱密度评估软件定义系统中的ADC

David Robertson和Gabriele Manganaro ADI公司

不断丰富的高速和极高速ADC以及数字处理产品正使过采样成为宽带和射频系统的实用架构方法。半导体技术进步为提升速度以及降低成本做出了诸多贡献(比如价格、功耗和电路板面积),让系统设计人员得以探索转换和处理信号的各种方法——无论使用具有平坦噪声频谱密度的宽带转换器,或是使用在目标频段内具有高动态范围的带限∑-Δ型转换器。这些技术改变了设计工程师对信号处理的认识,以及他们定义产品规格的方式。

噪声频谱密度(NSD)及其在目标频段内的分布,能够让其在数据转换过程中更好的被滤除。

比较在不同速度下工作的系统,或者查看软件定义系统如何处理不同带宽的信号时,噪声频谱密度(NSD)可以说比信噪比(SNR)更为有用。它不能取代其他规格,但会是分析工具箱中的一个有用参数指标。

我的目标频段内有多少噪声?

数据转换器数据手册上的SNR表示满量程信号功率与其他所有频率的总噪声功率之比。

图1. 9 dB调制增益的图形表示:保留全部信号,丢弃7⁄8噪声。

现在考虑一个简单情况来比较SNR和NSD,如图1所示。假设ADC时钟频率为75 MHz。对输出数据运行快速傅里叶变换(FFT),图中显示的频谱为从直流到37.5 MHz。本例中,目标信号是唯一的大信号,且碰巧位于2 MHz附近。对于白噪声(大部分情况下包含量化噪声和热噪声)而言,噪声均匀分布在转换器的奈奎斯特频段内,本例中为直流至37.5 MHz。

由于目标信号在直流与4 MHz之间,故可相对简单地应用数字后处理以滤除或抛弃一切高于4 MHz的频率(仅保留红框中的内容)。这里将需要丢弃7⁄8噪声,保留所有信号能量,从而有效SNR改善9 dB。换句话说,如果知道信号位于频段的一半中,那么事实上可以在仅消除噪声的同时,丢弃另一半频段。这就引出了一条有用的经验法则:存在白噪声时,调制增益可使过采样信号的SNR额外改善3 dB/倍频程。在图1示例中,可将此技巧应用到三个倍频程中(系数为8),从而使SNR改善9 dB。

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