高速高精度ADC的研究與設(shè)計(jì)

王俊博

摘 要：當(dāng)前來(lái)看，單獨(dú)的ADC模擬輸入帶寬是存在限制的，其自帶的混合濾波器組無(wú)法在模擬信號(hào)中采樣。本文建立了一個(gè)低通濾波器和混頻器基礎(chǔ)之上的模型，并且從時(shí)間和頻率這兩個(gè)維度上建立了一個(gè)高速度、高精度的ADC系統(tǒng)，當(dāng)前來(lái)看已經(jīng)可以滿足無(wú)線電以及雷達(dá)等多重需求了。

關(guān)鍵詞：抽取器；ADC系統(tǒng)；混合濾波器組

ADC全名為模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，這個(gè)接口部件的作用是將模擬量向數(shù)字量轉(zhuǎn)化，在二者之間起到了紐帶作用。當(dāng)前來(lái)看，超大規(guī)模集成電路的數(shù)量已經(jīng)越來(lái)越多，制造工藝也在不斷改善，其在性能上一直有所發(fā)展。當(dāng)前來(lái)看，市面上2GSPS規(guī)格的模數(shù)轉(zhuǎn)換器件已經(jīng)比較常見，但從另一面來(lái)看，隨著信息機(jī)數(shù)的發(fā)展，其已經(jīng)不僅局限于通訊領(lǐng)域，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和寬帶領(lǐng)域也都在精度上提出了更高的要求，所以ADC系統(tǒng)的要求越來(lái)越高，需要其提高速度并且提高精度。

可以說運(yùn)行速度和精度是衡量一個(gè)ADC的重要標(biāo)準(zhǔn)，其中轉(zhuǎn)換速度直接能夠反映出這個(gè)模擬信號(hào)的帶寬情況，其精度也決定著整個(gè)模擬信號(hào)的量化指數(shù)。就ADC結(jié)構(gòu)來(lái)說，這兩個(gè)參數(shù)可以說是一對(duì)矛盾，如果其速率高，就會(huì)早成精度的下降，而其精度提高則會(huì)給速度造成影響，這種特性給當(dāng)前信息技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了一定阻礙，所以我們有必要對(duì)舊有的技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，建立一個(gè)高精度、高速度的ADC系統(tǒng)。

1 關(guān)于混合濾波器組ADC系統(tǒng)

首先將受到的模擬信號(hào)進(jìn)行分割，保證各子帶的帶寬相等，然后將各頻帶的信號(hào)來(lái)進(jìn)行高精度采樣，每個(gè)ADC系統(tǒng)使用的時(shí)鐘為同一個(gè)，避免進(jìn)行交替采樣操作。但是由于有過渡帶的存在，其采樣處理操作無(wú)法滿足實(shí)際使用的要求，在進(jìn)行采樣之后，信號(hào)會(huì)出現(xiàn)重疊現(xiàn)象。

雖然混合濾波器的ADC系統(tǒng)精度較高，但是其依然存在著一系列缺陷，例如最高頻率依然無(wú)法符合使用需求，會(huì)直接導(dǎo)致信號(hào)被過濾而無(wú)法接收。

上圖中第一個(gè)SHA可以帶寬信號(hào)運(yùn)用高速手段來(lái)進(jìn)行離散，第二個(gè)SHA則可以進(jìn)行抽取，所以這樣看來(lái)，兩個(gè)SHA共同完成調(diào)頻信號(hào)處理工作。這種結(jié)構(gòu)可以有效提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度，但是其結(jié)構(gòu)對(duì)于控制順序的要求很高，另外第一個(gè)SHA決定了系統(tǒng)的帶寬，所以本文運(yùn)用低筒濾波器以及混頻器來(lái)替代SHA，以求解決帶寬問題。

2 基于混頻器和低通濾波器的抽取器模型

雙SHA抽取器完成了寬帶信號(hào)輸入、高速采樣和抽取的過程。只要基于混頻器和低通濾波器的抽取器也具有這樣的特征，那么用這種模型代替雙SHA抽取器也就能夠?qū)崿F(xiàn)高速高分辨率ADC系統(tǒng)。基于混頻器和低通濾波器的抽取器模型如圖3所示。

輸入信號(hào)為經(jīng)過頻帶分割后的子帶信號(hào)（帶通信號(hào)）。首先通過混頻器將信號(hào)頻譜搬移到零頻附近，后一級(jí)的低通濾波器濾除混頻器輸出信號(hào)中的鏡像成分，保留零頻附近的子帶信號(hào)。其上限頻率小于單個(gè)ADC的模擬輸入帶寬。圖3所示的第2個(gè)混頻器（抽取器）是ADC內(nèi)部的SHA抽取器，它同時(shí)完成信號(hào)的調(diào)制和降采樣率兩個(gè)過程。

3 基于混合濾波器組的高速高精度ADC系統(tǒng)

用混頻器和低通濾波器代替雙SHA抽取器可以消除單個(gè)ADC模擬輸入帶寬不夠造成的瓶頸其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

ADC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在圖5中，第1個(gè)子通道也使用了H（s），它主要抵消其他通道H（s）線性相位所產(chǎn)生的延時(shí)，便于數(shù)字部分準(zhǔn)確重建。

結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前信息技術(shù)發(fā)展比較迅速，ADC器件其一方面提高了采樣率，另一方面其分辨率也有了很大的提高。基于混合濾波器組的ADC系統(tǒng)其雖然模數(shù)轉(zhuǎn)換的分辨率和精度較高，但是其帶寬存在一些限制，所以這種結(jié)構(gòu)難以直接量化GHz的模擬信號(hào)。本文采用了UWB數(shù)字接收機(jī)的運(yùn)作模式，建立了一個(gè)低通濾波抽取器和混頻器的數(shù)學(xué)模型，并且對(duì)以時(shí)間和頻率這兩個(gè)維度對(duì)這個(gè)模型進(jìn)行解析。這樣一來(lái)，ADC系統(tǒng)就得到了更新，其帶寬不足的問題也就得到了解決，高速高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換也就成為了可能。

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