ＡＤＣ的動態性能對軟件無線電接收機性能的影響

摘 要：軟件無線電技術在商用和軍用無線電通信領域越來越顯示出其強大的吸引力，而ADC是軟件無線電的關鍵技術。概括了A/D轉換器在無線電接收機中的應用，分析了其動態性能中互調失真、SFDR (無雜散動態范圍)、孔徑抖動對接收機性能的影響。最后以AD公司的AD9445為例，進行了仿真。

關鍵詞：ADC；軟件無線電；SFDR；孔徑抖動

中圖分類號：TN14 文獻標識碼：B 文章編號：1004373X(2008)1507103

Influence of ADC Dynamic Performance on the Software Radio Receiver

TIAN Kun，GONG Xiaofeng，REN Zhanmin

(School of Electronic Engineering Information，Sichuan University，Chengdu，610065，China)

Abstract：The technology of software radio plays an important part in the commercial and military radio communication.Its key technology is ADC.This paper introduces the implication of ADC in the software radio receiver，analyses its dynamic performance including harmonic distortion，SFDR，aperture jitter and their influence on the performance of the receiver.At last，the paper takes the AD9445 as the example to simulate their performance.

Keywords：ADC;software radio;SFDR;aperture jitter

1 引 言

隨著通信技術的發展，無線電資源作為公共資源的一種，需要國家有關部門對其進行有效的分配和控制，科學地提高頻譜的使用效益，就必須依靠先進的監測手段為管理工作提供強有力的技術支持。而接收機作為無線電監測信號接收的必經途徑，其性能優劣對監測結果的影響更是重中之重。高電平干擾信號與所接收信號頻率僅相距數十千赫，所以，高電平干擾信號和它們在接收機中產生的互調產物會嚴重影響接收機的線性度，除了來自于空中的信號可能產生互調，接收機自身也會產生互調，比如ADC對接收機的性能指標有著重要影響，因此本文旨在論證ADC的動態性能指標對接收機性能的影響。

本文首先介紹了軟件無線電技術和軟件無線電接收機，概括了A/D轉換器在軟件無線電接收機中的應用，最后討論了互調失真、SFDR(無雜散動態范圍)、孔徑抖動對接收機性能的影響，并以AD公司的AD9445為例，進行了仿真。

2 背 景

2.1 軟件無線電

軟件無線電是指在簡單通用的硬件平臺上通過可升級、可重配置的應用軟件實現各種無線電功能。軟件無線電使得無線通信系統具有很好的通用性和靈活性，使系統的互聯和升級非常方便。

軟件無線電理論的提出，把無線電服務從長期依賴無線電硬導線連接的特性中解放出來。隨著技術和制造工藝的發展，越來越多的功能通過通用可編程器件交由軟件來實現。相應地，在無線電接收中，將中頻、基帶、比特流處理等功能交由可編程器件利用軟件完成，實現了軟件定義的無線接收機。

2.2 軟件無線電接收機設計要求

考慮到電磁環境等因素，接收機設計應具有以下性質：

(1) 接收機的動態范圍盡可能要大；

(2) 在信道濾波之前，降低帶外高電平干擾信號在信道濾波器通帶內產生的互調產物。

2.3 ADC在軟件無線電接收機中的應用

模數轉換器(A/D)是無線電監測接收機中的一個關鍵部件，其在理想軟件無線電接收機的應用如圖1所示。

ADC的電路特性決定了ADC的關鍵指標，例如：采樣/保持電路決定了ADC的精度和線性；量化器決定了ADC的分辨率；而ADC的無雜散動態范圍、互調失真、孔徑抖動在很大程度上影響了接收機的性能。

接收機的性能優劣很大程度上受到了ADC的動態性能的制約，因此，要設計高性能的接收機，選擇一款性能優秀的ADC是很關鍵的。

圖1 理想軟件無線電結構框圖

3 ADC動態性能指標及其影響

3.1 互調失真(IMD)

由于ADC非線性的存在，當兩個或兩個以上頻率的信號輸入時，會互相產生調制，從而產生互調失真(IMD)。

當輸入信號中含有兩個頻率的正弦波f1，f2，會產生(m+n)階的畸變，即可能產生頻率為(mf1±nf2)，|m|+|n|≠0的成分，m，n為整數，其中二階和三階互調失真是所遭遇到的最主要的失真。下式給出了涉及這兩種情況的頻率關系：

二階互調失真：f1±f2=f

三階互調失真：2f1±f2=f

注：f1，f2為有害大信號的頻率；f為接收機調諧頻率上的互調產物。若f1，f2相差不大，則2f1－f2，2f2－f1與f1，f2的譜線離得較近，不容易被濾掉，正如圖2中表示。其他二階和高階調制成分及高次諧波與f1，f2離得較遠，二階互調可通過亞倍頻帶通濾波器組成的射頻預選器減小到可忽略的程度，容易在分析和處理時濾掉。

圖2為AD9445雙音互調仿真圖，采樣頻率為125 MSPS，f1＝30.3 MHz，f2＝31.1 MHz。3所指為三階互調產物，2為二階互調產物，3與f1，f2相距很近，不易濾除。

圖2 AD9445雙音互調仿真波形接收機三階截點互調級聯公式為：1POIP3=1POIP3，1+1POIP3，2·G1+

1POIP3，3·G1·G2+…(1)此公式中，方向為輸出到輸入，最后的輸出級為POIP3，1。可見，越靠近輸入端對POIP3貢獻越小。為獲得比較高的POIP3，應該每一級都有所貢獻，ADC主要影響接收機中頻部分的性能，因此，ADC三階截點是不可不考慮的重要指標。

3.2 無雜散動態范圍SFDR

當出現雜散時可以利用的動態范圍是數據轉換器的無雜散動態范圍。

定義雙音互調無雜散動態范圍為輸入信號幅度的均方根值與互調成分(僅取2f1－f2，2f2－f1兩種調制成分)幅度的均方根值的比值。IMD(dBc)=20lgRMS(f1+f2)RMS(IMD) SFDR有兩種表示方法：最大偽峰譜相對于輸入信號的dB數(dBc)和相對于ADC的滿刻度的dB數(dBFS)。

對于一個實際的ADC來說，當輸入信號大大低于滿刻度時，產生的畸變信號平臺與輸入信號的幅度無關，而接近常數。因此，造成ADC的雙通道無雜散動態范圍與輸入的信號無關。如圖3中2所指曲線所示。

圖3中，行坐標為模擬輸入電平(dB)，縱坐標為dB。曲線1為最大偽峰譜相對于輸入信號的dB數曲線，輸入信號每降低n dB，其相對于輸入信號的SFDR(即dBc)也降低n dB；曲線2為最大偽峰譜相對ADC的滿刻度的dB數，在-90～-120 dBFS之間變化，與輸入信號的幅度無關。

SFDR=2/3(IP－NF－10log B+17 dBm)

6.02N(2)

上式為接收機SFDR表達式，其中IP為截點，NF為噪聲系數，B為中頻帶寬，N為ADC位數。由公式可見，接收機的SFDR是同截點成正比，與噪聲系數和中頻帶寬成反比的，即隨著噪聲系數的減小、中頻帶寬的變窄而增大，而不僅僅是更高的截點。其SFDR與ADC的位數緊密相連，目前，AD公司已經開發研制出24位ADC，但是國內廣泛采用的14位AD已經可以達到很好的性能。

3.3 ADC孔徑抖動

在實際的ADC中，采樣信號經常被一些不希望的信號做相位調制。如寬帶隨機噪聲、電源噪聲等，其相位誤差可以用有效孔徑時間抖動的均方根值來表示，這被稱為孔徑抖動。在實際應用中，接收機往往高速采集無線電信號，這時，孔徑抖動對接收機性能影響很大，主要體現在對SNR的影響上。如圖4所示。

圖3 AD9445雙音SFDR仿真波形圖4 AD9445 SNR 、輸入頻率、孔徑抖動圖4為不同的孔徑晃動下輸入滿幅度正弦波的信噪比與輸入信號頻率的關系。由圖可見，孔徑晃動對ADC的影響與輸入信號的頻率有關。當孔徑抖動為3.0 ps時，SNR隨輸入信號頻率的增加而驟降。因此，對于高速信號，它的影響是嚴重的，會大大降低信噪比和有效位；而對于慢沿信號，它的影響就小得多；輸入信號的頻率越高，孔徑晃動越大，對信噪比的影響越大。所以，在高速或高精度ADC的應用中，對于由輸入信號引起的孔徑抖動，一定要慎重考慮抖動電路，采用精密、穩定的抖動電路。

4 結 語

數字接收機的性能取決于接收機本身設計，在理想無線電接收機設計過程中，ADC是關鍵環節，由于“瓶頸”的存在，接收機的性能不可能超過所采用的ADC的性能。現實中，電磁環境十分復雜，預設計一款高性能，高選擇性的接收機，應該選擇性能優秀的ADC芯片。當然，設計過程還要考慮其他環節的影響，在選擇芯片過程中還應該考慮實現問題，往往性能優秀的ADC芯片不易購買。

隨著ADC和數字電路性能的改進，ADC將更進一步發展，移向接收機前端，從中頻移向射頻，越來越接近理想軟件無線電結構模型。

參 考 文 獻

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［3］Taggart David，Kumar Rajendra，Krikorian Yogi，et al.Analog-to-Digital Converter Loading Analysis Considerations for Satellite Communications Systems［C］.IEEE，Aerospace Conference，2007.

［4］賴香山，李曉峰，傅志中.ISL5216在軟件無線電接收機中的應用\\.現代電子技術，2006，29(5):45-47.

作者簡介 田 坤 女，1983年出生，天津人，碩士研究生。主要研究計算機控制與無線電信號監測方向。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文