信號(hào)鏈基礎(chǔ)知識(shí)# 55：高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器的數(shù)字特性

當(dāng)今的高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 通常都包含有許多數(shù)字信號(hào)處理模塊，讓其更加易于使用。應(yīng)論述需要，我們使用了 TI 的 DAC34H84（詳見《參考文獻(xiàn) 1》），它是一款 4 通道、16 位、1250 Msps 的 DAC。這樣做的原因是，它是一種典型的高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器，擁有隔離輸入和 DAC 時(shí)鐘域的輸入 FIFO、插值數(shù)字模塊、精細(xì)頻率分辨率數(shù)字正交調(diào)制、模擬正交調(diào)制器校正以及 sin(x)/x 校正（請(qǐng)參見圖 1）。本文將逐一介紹這些特性的功能和作用。圖 1 DAC34H84 功能結(jié)構(gòu)圖第一個(gè)數(shù)字模塊是插值模塊，它負(fù)責(zé)增加 DAC 內(nèi)部數(shù)字信號(hào)的采樣速率。一般而言，利用兩倍采樣速率增加步驟，來實(shí)現(xiàn)插值。利用在輸入采樣點(diǎn)之間插入零來完成這項(xiàng)工作，其在 f_IF和 F_IN – f_IF產(chǎn)生兩個(gè)信號(hào)。通過一個(gè)數(shù)字低通濾波器后，去掉了位于 F_IN – f_IF的第二個(gè)信號(hào)，只在 f_IF留有信號(hào)。使用插值的原因與大多數(shù)高速 DAC 使用的零階保持輸出結(jié)構(gòu)有關(guān)。利用零階保持，DAC 根據(jù)時(shí)鐘周期初期的數(shù)字采樣對(duì)輸出振幅進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，然后保持住，直到時(shí)鐘周期和下一個(gè)輸出采樣末端為止。這樣便產(chǎn)生一種“上樓梯式”的輸出，其頻率響應(yīng)如方程式 1 表示：sin(π*f_IF/f_s)/(?π*f_IF/f_s) 方程式1其中，f_IF為模擬輸出頻率，而 f_s為采樣速率。這種響應(yīng)具有低通效果（請(qǐng)參見圖 2），其 f = f_s/2 時(shí)的損耗為 ~ 3.5 dB，并在 f_s倍數(shù)時(shí)為零。盡管 DAC 輸出在 N*fs +/- f_IF時(shí)會(huì)有信號(hào)圖像，但較高奈奎斯特 (Nyquist) 區(qū)域的圖像振幅遠(yuǎn)低于 fIF 處的信號(hào)，從而有更低的信噪比 (SNR)，并可能出現(xiàn)明顯的振幅下降。這便將大多數(shù)應(yīng)用限制在 f_s/2 以下的輸出信號(hào)頻率。另外，f_IF處的信號(hào)和 f_s – f_IF圖像之間的間隔，隨著 f_IF接近 f_s/2 而減小，從而讓 DAC 輸出端的模擬濾波器（作用是去除 f_s – f_IF多余圖像）難以建立，最終將大多數(shù)應(yīng)用的 f_IF限制在 f_s/3 以下。圖 2 無插值模塊的 DAC 輸出頻譜利用 DAC 插值模塊增加 DAC 內(nèi)部采樣速率，只需讓 DAC 的數(shù)字接口速率 f_IN足夠高，以允許信號(hào)帶寬傳輸，并且只需增加少量的額外帶寬便可以擁有插值濾波器過渡頻帶（實(shí)信號(hào)時(shí) f_in > 2.5*BW，復(fù)信號(hào)時(shí) f_in > 1.25*BW）。利用插值增加采樣速率，可以讓信號(hào)輕松地位于 f_s/2 以下。增加采樣速率的另一個(gè)好處是，讓數(shù)字混頻能夠?qū)⑤敵鯥F增加至更高頻率。例如，使用 2X 插值，輸出頻率便可高于 f_in/2，而如果不使用插值就不可能獲得這一結(jié)果（請(qǐng)參見圖 3）。一般而言，復(fù)輸入信號(hào)使用復(fù)混頻器，目的是避免混頻過程中產(chǎn)生圖像?；祛l輸出可以為實(shí) IF 信號(hào)，也可以是復(fù) IF 信號(hào)，在模擬 IQ 調(diào)制器 DAC 之后有效。圖 3 2X 插值的 DAC 輸出頻譜將復(fù) DAC 輸出用于模擬正交調(diào)制器 (AQM)，突出表明了高速 DAC 共有的另一個(gè)有用的數(shù)字特性—正交調(diào)制器校正模塊。該模塊負(fù)責(zé)對(duì)模擬正交調(diào)制器的增益、相位和偏移失衡進(jìn)行校正，從而改善 AQM 邊帶抑制度和 LO 饋通性。最后，位于數(shù)字信號(hào)鏈末端的是數(shù)字 FIR 濾波器，它負(fù)責(zé)對(duì)首個(gè)奈奎斯特區(qū)域的 Sin(x)/x 高低頻規(guī)律性衰減進(jìn)行補(bǔ)償。在 DAC34H84 實(shí)施中，該濾波器可以提供高達(dá) 0.4*f_DAC的補(bǔ)償，且誤差低于 0.03dB。正如本文所述，如 DAC34H84 等高速 DAC 擁有大量的數(shù)字特性。這些特性，通過降低數(shù)據(jù)速率和改善輸出信號(hào)特性，讓系統(tǒng)實(shí)施變得簡(jiǎn)單和容易。下一次，我們將研究隨機(jī)抖動(dòng)和相位噪聲之間的關(guān)系，敬請(qǐng)期待。參考文獻(xiàn)1.“四通道、16 位、1.25 GSPS 數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)，” DAC34H84 產(chǎn)品說明書， LIT#SLAS751A，2011 年 6 月。2.如欲了解 TI DAC 的更多詳情，敬請(qǐng)?jiān)L問：www.ti.com/dac-ca。