越快越好：GSPS ADC實(shí)現(xiàn)寬帶寬RF數(shù)字化儀

摘要：本文討論即將來臨的3.3V控制器局域網(wǎng) (CAN) 收發(fā)器在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，敬請(qǐng)關(guān)注。

　　過去5年間，速度在1GSPS以上的高速ADC技術(shù)的采樣率和性能不斷提升，全新器件能夠?qū)崿F(xiàn)RF頻譜的直接采樣。這些全新的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 能夠在保持出色噪聲和線性的同時(shí)，在3GHz或更高的頻率上，以大于1GHz的帶寬對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣。更高的采樣率是實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能的關(guān)鍵所在，更快速的采樣率可以大大減少寬帶寬RF數(shù)字化儀的尺寸和功率。

　　可以考慮一下，一個(gè)12位4 GSPS ADC，比如ADC12J4000，是如何能夠直接在RF上采樣1GHz帶寬的信號(hào)。它的3.3GHz輸入帶寬可實(shí)現(xiàn)在第二那奎斯特區(qū)域的信號(hào)采樣。為了防止其它目標(biāo)數(shù)字頻帶外的信號(hào)干擾數(shù)字化信號(hào)，需要一個(gè)抗混疊濾波器來減少其它那奎斯特區(qū)域內(nèi)的帶外信號(hào)混疊進(jìn)入目標(biāo)信號(hào)。

　　為了將已采樣信號(hào)放置在第二那奎斯特區(qū)域的中央，并且在最接近的1.5GHz混疊頻率上使用一個(gè)具有60dB抑制性能的濾波器，我們需要一個(gè)3:1的整形因數(shù)。相對(duì)來說，雖然理論上可以使用處于第三那奎斯特區(qū)域中央的較低采樣率，比如2.5GSPS，所需的抗混疊濾波器的采樣因數(shù)將為1.5:1(整形因數(shù)越低，實(shí)現(xiàn)起來就越困難)。具有更高采樣率的較寬松濾波器要求可以通過減少所需的諧振器或偶極子的數(shù)量來大大減少濾波器的系統(tǒng)尺寸、重量和成本。

　　在很多諸如信號(hào)智能、電子對(duì)抗和衛(wèi)星通信的應(yīng)用中，需要將微波或更高頻帶內(nèi)10GHz或以上的頻率范圍數(shù)字化。通常情況下，這由GSPS ADC將信號(hào)下變頻至2~4GHz以實(shí)現(xiàn)其數(shù)字化來完成。每條信號(hào)鏈都需要單獨(dú)的放大器、混頻器、合成器、濾波器和ADC。

　　ADC的采樣率越高，需要的信號(hào)鏈就越少。例如，假定帶寬占用達(dá)到70%，一個(gè)2.5 GSPS ADC需要12個(gè)單獨(dú)的下變頻級(jí)，而4 GSPS ADC只需要7個(gè)。這直接使數(shù)字化儀的尺寸、功率和重量減少了42%。

　　更快速的采樣率還提升了較窄帶寬系統(tǒng)的性能、功率和密度。如圖1中，一個(gè)100MHz的信號(hào)位于3GHz頻帶中央的1.5GHz頻帶內(nèi)，由采樣率為4 GSPS ADC進(jìn)行采樣。采樣后，ADC內(nèi)的集成數(shù)字下變頻轉(zhuǎn)換器可被用來隔離目標(biāo)信號(hào)，并且過濾掉所有目標(biāo)信號(hào)以外的有害噪聲和干擾能量。

　　然后可以將采樣率減少32倍，達(dá)到125MSPS復(fù)采樣，剛好能夠支持所需的信號(hào)帶寬。與通過取采樣數(shù)量的平方根值，用更多的采樣提升信噪比 (SNR) 的方法相類似，已抽取的數(shù)據(jù)比ADC SNR高，高出的值為ADC與輸出采樣率之間比率的常用對(duì)數(shù)的10倍。借助較低的輸出采樣率，ADC12J4000的靈活JESD204B接口能夠只通過一條串化器/解串器 (SERDES) 信道輸出信號(hào)，從而可以使大量的ADC 被連接至單個(gè)FPGA，并且每個(gè)ADC的接口功率更低。

　　對(duì)于寬頻帶RF數(shù)字化儀的設(shè)計(jì)人員來說，采樣率的確是越快越好。