噪聲頻譜密度——一項(xiàng)“新”的ADC指標(biāo)

　　與此相對(duì)，NSD定義采用單位噪聲帶寬，或者1 Hz FFT子元頻率大小。 現(xiàn)在，您應(yīng)該明白為什么典型FFT噪底幾乎總是高于噪聲頻譜密度。 很少有工程師在系統(tǒng)中使用足夠大的FFT來(lái)獲得僅1 Hz的子元寬度。 這就是FFT中樣本數(shù)量增加時(shí)噪聲基線(xiàn)出現(xiàn)變小的原因。

　　然而，總噪聲沒(méi)有改變。 它仍然分布在同一奈奎斯特頻譜中。 NSD定義使用較小的1 Hz頻率子元增量，以便將更小的噪聲能量捕捉到單個(gè)子元中，而不是使用由樣本大小定義的頻率子元增量。

　　如何測(cè)量和計(jì)算NSD?

　　對(duì)于理想的ADC：

　　SNR = 6.02*N + 1.76 dB

　　其中，N是ADC的分辨率。 這將定義ADC的量化噪聲水平。 實(shí)際的ADC無(wú)法達(dá)到這些性能指標(biāo)，因?yàn)槠湓O(shè)計(jì)引入的非線(xiàn)性會(huì)將其實(shí)際SNR限制為小于理想值。 換種方式來(lái)看，如果我們從ADC滿(mǎn)量程輸入功率中減去信號(hào)功率，則余下的正好是總噪聲功率。 如果我們將NSD數(shù)量中的所有1-Hz噪聲子元相加，則可以得到單獨(dú)的功率噪聲量，等于ADC滿(mǎn)量程功率減去信號(hào)功率。

　　要確定奈奎斯特速率ADC的NSD值，必須計(jì)算噪聲在奈奎斯特區(qū)的分布，然后從滿(mǎn)量程信號(hào)功率中減去。 要開(kāi)始計(jì)算，必須知道采樣速率。 讓我們以理想的12位200 MSPS ADC為例，它具有理想的滿(mǎn)量程SNR，即6.02*12 + 1.76 = 74.04 dB。 其噪聲分布在100 MHz奈奎斯特區(qū)域(Fs/2)內(nèi)。 每個(gè)1 Hz子元的噪聲可使用每個(gè)子元噪聲功率的對(duì)數(shù)函數(shù)來(lái)計(jì)算，即–10Log10(Fs/2) = –80 dBFS/Hz。 對(duì)于這個(gè)12位理想轉(zhuǎn)換器，NSD將為：

　　–74.04 – 80 = –154.04 dBFS/Hz

　　因?yàn)閷?shí)際生活中并沒(méi)有理想ADC，所以我們必須找到ADC的實(shí)際SNRFS。 這可通過(guò)直接測(cè)量得到，也可以從制造商的數(shù)據(jù)手冊(cè)中找到。

　　ADC的滿(mǎn)量程輸入信號(hào)功率水平可以使用已知的滿(mǎn)量程峰值電壓或滿(mǎn)量程RMS電壓以及ADC的輸入阻抗來(lái)計(jì)算。 如果輸入電壓和輸入阻抗都是已知的，則可以計(jì)算滿(mǎn)量程功率(單位dBm)，其中：

　　Vrms = Vp/√2 or Vp x 0.707

　　信號(hào)功率 = ((Vrms2)/Rin)(單位為W)

　　對(duì)于滿(mǎn)量程信號(hào)功率(單位為dBm)：

　　信號(hào)功率 = 10 x log(((Vrms2)/RIn) x 1000 mW/W) = 10 x log((Vrms2)/Rin) + 30 dB

　　ADC量化噪聲頻譜是什么形狀的? 它總是平坦的嗎?

　　奈奎斯特速率ADC以要求的最低采樣頻率工作，以便捕捉關(guān)于整個(gè)輸入帶寬的所有信息。 多數(shù)采用流水線(xiàn)型、逐次逼近寄存器(SAR)型或Flash型架構(gòu)的奈奎斯特速率ADC都有量化噪聲，在DC到奈奎斯特頻率范圍內(nèi)該噪聲基本平坦。 這樣，這些器件將成為“機(jī)會(huì)均等”的噪聲接收器，相等地接收整個(gè)Fs/2頻譜中的有限功率量化噪聲(圖2)。

　　對(duì)于不需要完整奈奎斯特帶寬的應(yīng)用，可以實(shí)施替代ADC架構(gòu)。 帶通連續(xù)時(shí)間Σ-?(CTΣΔ或CTSD)型ADC使用噪聲整形功能，其本質(zhì)就將帶內(nèi)量化噪聲“推出”或者從目標(biāo)頻帶中濾除。 這將導(dǎo)致噪聲傳遞函數(shù)在目標(biāo)窄帶(小于奈奎斯特帶寬)內(nèi)具有低陷的非平坦形狀。 在此帶中，CTSD ADC的工作性能最高，并且SNRFS達(dá)到最大(圖4)。

　　由于CTSD架構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)之一是能夠檢測(cè)狹窄頻帶內(nèi)的信號(hào)，因此寬帶NSD并不是很重要。 相反，狹窄通帶內(nèi)的動(dòng)態(tài)范圍將突出為CTSD ADC的性能指標(biāo)。 噪聲整形傳遞函數(shù)將基于調(diào)制器設(shè)計(jì)中使用的環(huán)路濾波器階數(shù)來(lái)確定。