使用国家半导体ADC演示高速ADC应用欠采样的作用与好处

射频数字接收器

以使用一个射频载波频率 900MHz（欧洲）和 1800MHz（美国）的 GSM/EDGE 基站为例。一个移动基站接收电路类似图 3 所示。高频射频载波信号首先在混频器和本振级下变频为一个范围 150－190MHz 的中频，供模拟－数字的转换使用。前述 Shannon 定理显示，所必需的采样频率是信号带宽的函数，在 GSM/EDGE 系统中带宽为 200kHz。GSM 系统的动态范围规格需要最小 10 位精度的 ADC，虽然实际都使用 12 位精度。市面上有大量的高速 ADC 可供选择，数字接收器的系统设计师选择器件时必须考虑系统动态范围要求以及器件的成本。由于这些原因，对于 GSM 接收器应用，50－70MSPS 采样率的 ADC 是最常见的选择。虽然在 66MSPS 时 150 –190 兆赫信号为欠采样（使用美国国家半导体的 ADC12DL066, 双 12 位 66MSPS ADC），对于需要的 200kHz 信息带宽，并没有违反 Nyquist 准则。这种选择为 200kHz 的带宽信息信号提供了足够大的空间，同时提供了超过 20dB 的处理增益（下文解释）。请注意，由于种种原因，继续增加采样频率来不断提高处理增益的方法是不切实际的。市面上有更高采样率的 12 位 ADC，譬如 12 位 80MSPS 的 ADC（美国国家半导体 ADC12L080），以及一些 >100MSPS 的 12 位专用 ADC，但低于 100MSPS 和高于 100MSPS 采样率 ADC 之间的成本差别相当大。

图 3: Edge 中常用的接收器

处理增益

ADC 噪声特性通常由热噪声所限制，当选定 ADC 时，其噪声带宽通常被定义作 nyquist 带宽。在 FS = 66MSPS 时，总噪声底限的测量表示为相对于某一输入信号频率处一个 33MHz 带宽内全量程（dBFS）的 dB 值。对于 ADC12L066，150MHz 输入信号频率时的总噪声底限是 –62dBFS。但是对 ADC输出进行过滤后，会产生一个更窄的带宽，例如美国国家半导体的数字式下变频器 CLC5903。滤波过程提供的噪声处理增益是带宽减少量的函数。200kHz 的信道滤波器可获得如下的处理增益：

                                     

上式假设 ADC 输出的滤波器去除了混叠映象和 Fs 附近的噪声。  

这样，200kHz 带宽内的 ADC 输出噪声变成：

62dBFS + (-25.2dB ) = -87.2dBFS。

               

                                                   图 4  

表1 重点列出美国国家半导体的几个最新高速 ADC，它们都适用于欠采样应用。对于这些应用，最重要的参数是模拟输入信号带宽、信噪比（SNR），以及有效位数（ENOB）。



总结

当为某个应用选择正确采样率的 ADC 时，不光要知道最高模拟转换频率这一个参数。Shannon 定理显示，信号带宽同等重要。我们发现，高于 Shannon 速率的采样还有其它的好处，如处理增益可以极大地改善动态范围。系统设计师掌握了这一知识，就能在通用且价格合理的标准 ADC 中，正确地选择 ADC 采样频率和精度。