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A/D變換器對頻譜儀和信號分析儀動(dòng)態(tài)范圍的影響

作者:羅德與施瓦茨中國有限公司 陳峰 時(shí)間:2008-03-26 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏

  DC動(dòng)態(tài)指標(biāo)

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/80705.htm

  

  對于理想的ADC來說,在奈奎斯特帶寬內(nèi)的量化誤差為一白噪聲隨機(jī)信號,其量化方差。其中的量化間距,N為A/D字長N位。

  量化噪聲的為:

 

式中,N是ADC的位數(shù),fs是采樣頻率,B是模擬輸入信號的帶寬。上式右邊第三項(xiàng)表示增加采樣頻率(過采樣)可提高。

  

  實(shí)際上ADC的誤差表現(xiàn)為靜態(tài)及動(dòng)態(tài)非線性誤差,并且動(dòng)態(tài)誤差隨輸入信號壓擺率的增加而變大。因此實(shí)際測量的信噪比要比理論上的小一些。計(jì)算(ENOB)可以從對方程(1)的N求解得到。

 

  頻譜儀和信號分析儀內(nèi)部的ADC指標(biāo)評估

  ADC動(dòng)態(tài)所影響的信號分析儀指標(biāo)

  典型的頻譜儀電路框圖如圖1所示。其中ADC處于中頻信號之后,對中頻(或視頻)信號進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換。ADC的性能影響到頻譜儀的噪聲和信噪比等指標(biāo),還影響到頻譜儀的失真指標(biāo),包括諧波、雜散和互調(diào)失真。

  對于現(xiàn)代信號分析儀來說,中頻和視頻信號的處理基本采用數(shù)字技術(shù)和矢量分析(IQ分析)技術(shù)。因此,DAC所造成的影響就顯得十分重要。

  舉例分析ADC動(dòng)態(tài)所影響的信號分析儀指標(biāo)

  以羅德與施瓦茨公司FSQ為例,對于A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)分析部分進(jìn)一步分析,框圖如圖2。

  ·ADC的量化噪聲和信噪比理論分析

  對于FSQ的窄帶IQ分析模塊,采用的ADC(標(biāo)注②和③)為14位81.6MHz采樣,根據(jù)公式(1),信噪比理論值歸一化到1Hz帶寬(B=1Hz)為:

  SNR1(1Hz)=6.02N+1.76+101g(fs/2B)=6.02×14+1.76+101g(81.6×106/2)=162dBc/Hz

  所以,對于窄帶IQ分析模塊,ADC的量化噪聲理論值為 -162dBc/Hz。

  對于FSQ的寬帶擴(kuò)展IQ分析模塊(FSQ-B72),采用的ADC(標(biāo)注①)為8位326.4MHz采樣,根據(jù)公式(1),信噪比理論值歸一化到1Hz帶寬(B=1Hz)為:

  SNR2(1Hz)=6.02N+1.76+101g(fs/2B)=6.02×8+1.76+101g(326.4×106/2)=132dBc/Hz

  所以,對于寬帶IQ分析模塊,ADC的量化噪聲理論值為 -132dBc/Hz。

  相對于實(shí)際信號分析儀,根據(jù)ADC之前的濾波器帶寬BW,可以計(jì)算出分析儀在相應(yīng)帶寬下可以達(dá)到的實(shí)際噪聲。噪聲計(jì)算公式為:

  N=-SNR(1Hz)+101g(BW/1Hz)

  對于窄帶IQ分析模塊,當(dāng)濾波器帶寬為10MHz(被測信號帶寬小于10MHz)時(shí),ADC的量化噪聲理論值為

  N=-162+101g(BW/1Hz)=-92dBc

  對于寬帶IQ分析模塊,當(dāng)濾波器帶寬為60MHz(被測信號帶寬小于60MHz)ADC的量化噪聲理論值為

  N=-132+101g(BW/1Hz)=-54dBc

  ·羅德與施瓦茨公司FSQ的IQ分析動(dòng)態(tài)指標(biāo)

  對于實(shí)際的信號分析儀,影響其動(dòng)態(tài)指標(biāo)的因素除了ADC以外還有很多??梢愿鶕?jù)分析儀指標(biāo)手冊中的實(shí)際動(dòng)態(tài)指標(biāo)進(jìn)行分析評價(jià)。

  根據(jù)公式(2),利用分析儀實(shí)際信噪比指標(biāo)計(jì)算實(shí)際ADC的

  ENOB(N)=[SNR-1.76-101g(fs/2B)]/6.02

  FSQ-B72(帶寬擴(kuò)展選件)的信噪比和有效位數(shù)指標(biāo):

  FSQ-B72的雜散指標(biāo):

  FSQ-B72的本底噪聲指標(biāo):-153dBm/Hz

  滿量程信號輸入時(shí),針對寬帶IQ信號,例如30MHz帶寬,此時(shí)信噪比為:

  SNR(dBc)=SNR0(dBc/Hz)-101g(BW/1Hz)=125-101g(30×106/1Hz)

  對于帶寬30MHz的信號,SNR>50dBc。

  某常見頻譜儀寬帶IQ分析選件的動(dòng)態(tài)指標(biāo)

  某常見頻譜儀寬帶IQ分析選件的指標(biāo):在14GHz左右噪聲功率密度為-123dBfs/Hz。

  根據(jù)公式(2),利用頻譜儀實(shí)際信噪比指標(biāo)計(jì)算實(shí)際ADC的有效位數(shù)為7位。

  雜散響應(yīng)為-68dBc, 互調(diào)響應(yīng)為-75dBc,本底噪聲-153dBm/Hz。

  在14GHz滿量程信號輸入時(shí),針對寬帶IQ信號,例如30MHz帶寬,此時(shí)信噪比為:

  SNR(dBc)=SNR0(dBc/Hz)-101g(BW/1Hz)=123-101g(30×106/1Hz)=48(dBc)

  對于帶寬30MHz的信號,SNR>48dBc。
  
  結(jié)語

  在分析頻譜儀和信號分析儀動(dòng)態(tài)指標(biāo)時(shí),要綜合考慮信噪比、雜散和互調(diào)指標(biāo)。從上文分析看出,對于寬帶信號,影響最主要的因素為信噪比,其它失真諸如雜散和互調(diào)等,在分析帶寬較大的情況下,會(huì)淹沒在噪聲內(nèi)。

  例如,F(xiàn)SQ-B72的寬帶信號分析在信號帶寬為30MHz時(shí),大于50dBc,隨著帶寬的增加,減小。2.2.3中所述頻譜儀寬帶IQ分析選件的寬帶信號分析在信號帶寬為30MHz時(shí),輸入頻率為14GHz左右時(shí)動(dòng)態(tài)范圍大于48dBc?!?/p>



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