（通信与信息系统专业论文）gbps无线传输系统硬件平台中ad子系统的研究和实现.pdf

独创性( 或创新性) 声明 li1liiiliilili，lilill。lilili了lililjlillil孔iiliiliiiilli 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 乏盛丕：墨 日期： _ ，lj j xl 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定， 即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被 查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、 缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此 规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密 论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：盏遂刍日期：型! 兰：2 ：兰兰 导师签名：土尾 、咿 日期： 翌2 2 ：! ：! 兰 摘要 随着移动通信技术的发展，第四代移动通信已进入预研阶段， 中国启动了8 6 3 计划重大项目课题“g b p s 无线传输关键技术与试验 系统研究开发 ，对第四代移动通信中的关键技术进行研发。 g b p s 试验验证系统的设计目标是在1 0 0 m h z 带宽下达到1 gb p s 的峰值传 输速率，这超出了当前基站设计方案的处理能力，因此系统的硬件 设计需采取新的设计方案。论文将围绕该方案展开，设计g b p s 试验 验证系统中基带处理单元重要组成部分的模数转换( ，d ) 子系统， 其主要工作如下： 1 针对a d 子系统面临的高带宽、高速率、多通道和高精度的挑 战，以及数模混合电路的设计要求，给出概要设计方案，该方案以 模数转换器为核心器件。 2 根据模数转换器的相关理论知识，对影响其信噪比和无杂散动 态范围性能的因素进行分析。 3 在概要设计方案和模数转换器理论知识的基础上，对各主要器 件进行选型，并进行器件理论性能计算，验证选型的合理性。 4 使用己选型芯片给出详细设计方案。 5 对关键信号进行信号完整性仿真，为实际设计工作提供参考方 案，最后进行实际硬件测试，验证了子系统的工作性能。 关键词 g b p sa d 子系统模数转换器 硬件设计信号完整性 韭塞龌虫太堂亟班荭生生些j 幺客 r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no f a ds u b s y s t e mo n t h eh a r d w a r e p l a t f o r mo ft h eg b p sw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f m o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dg r o w t ho fs u b s c f i b e r s d e m a n d ，c h i n al a u n c h e dp r e - r e s e a r c ho nk e yt e c h n o l o g i e so ff o u r t h g e n e r a t i o n m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ， n a t i o n a l8 6 3h i t e c hp r o g r a mp r o j e c t ：r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t o f g b p s t r a n s m i s s i o nk e yt e c h n i q u e sa n dd e m os y s t e m s ” n e g o a lo fs u c hap r o j e c ti st or e a c ht r a n s m i s s i o nr a t eo flg b p sw i t h 10 0m h z b a n d w i d t h c o n s i d e r i n gt h a tg a pb e t w e e nt h eg o a la n dc u r r e n tp r o c e s s i n ga b i l i t yo f b a s e b a n dh a r d w a r e ，n e ws o l u t i o n sa r en e e d e dw h e nd e s i g n i n ga n a l o g - t o d i g i t a l s u b s y s t e m ( a ds u b s y s t e m ) i nt h i st h e s i s ，h a r d w a r ed e s i g np r o c e s so f ds u b s y s t e mi sd i s c u s s e d ，w h i c hi sa p a r to fb a s e b a n dp r o c e s s i n g u n i ti nt h eg b p se x p e r i m e n t a ls y s t e m t h em a i n c o n t r i b u t i o n sa r ea sf o i l o w s ： 1 f a c i n gc h a l l e n g e so nh i g hb a n d w i d t h ，h i g ht r a n s m i s s i o nr a t e ，h i g hp r e c i s i o n ， m u l t i c h a n n e l sa n dd e s i g nr e q u i r e m e n t so fm i x e ds i g n a lc i r c u i t s ，t h i st h e s i sf i r m l y i l l u s t r a t e sag e n e r a ld e s i g ns o l u t i o nf o rt h ea ds u b s y s t e m ，i nw h i c ha dc o n v e r t e r a c t sa st h ec o r ei n s t r u m e n t 2 a c c o r d i n gt or e l e v a n tt h e o r i e sa b o u ta dc o n v e r t e r , f a c t o r st h a ti n f l u e n c e a dc o n v e r t e r sm a i np e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c s ，i n c l u d i n gs i g n a l - n o i s e r a t i oa n d s t r a y - f r e ed y n a m i cr a n g ea r ea n a l y z e d 3 b a s e do nt h e p r o p o s e dg e n e r a ld e s i g ns o l u t i o n ， s e l e c t i o n o fm a i ni n s t r u m e n t si sa c c o m p l i s h e d , a sw e l l 私t h e o r e t i c a lp e r f o r m a n c ea n a l y s i s ， w h i c ht e s t i f i e st h er a t i o n a l i t yo fo u rs e l e c t i o n 4 w i ms e l e c t e di n s t r u m e n t s ，ad e t a i l e dd e s i g ns o l u t i o ni s p r o p o s e d i nt h i s t h e s i s 5 e x p l i c i th a r d w a r ed e s i g n sa r ep r e s e n t e d ，a sw e l l a s i n t e g r i t ys i m u l a t i o n s f o r k e ys i g n a l s ，w h i c h c a nb er e f e r r e dt oi ns u b s y s t e m sd e s i g np r o c e s s , a n d h a r d w a r e t e s t sw h i c ha r eu s e dt ov a l i d a t es u b s y s t e m sp e r f o r m a n c e k e yw o r d s g b p s a ds u b s y s t e m a n a l o g t o - d i g i t a l c o n v e r t e r h a r d w a r ed 6 i g n s i g n a li n t e g r i t y m 1 1 1 论文研究背景l 1 1 2 基带处理单元架构2 1 1 3 设计中面临的问题和挑战2 1 1 4 整体设计方案3 1 1 5 论文的主要工作4 1 2 论文结构安排4 第二章模数转换器原理和架构5 2 1 模数转换原理概述5 2 2 模数转换器性能指标6 2 2 1 性能指标概述6 2 2 2 影响转换器信噪比性能的因素8 2 2 3 影响转换器无杂散动态范围的因素1 l 2 3 模数转换器架构1 1 2 3 1 并行比较模数转换器1 2 2 3 2 逐次逼近型模数转换器1 3 2 3 3 型模数转换器1 3 2 3 4 流水线型模数转换器1 4 2 3 5 各架构模数转换器比较1 5 2 4 本章总结1 5 第三章a d 子系统芯片选型1 7 3 1 模数转换器选型1 7 3 2 运算放大器选型1 9 3 3 时钟合成器选型2 2 3 4 连接器选型2 3 3 5 芯片配置器件选型2 4 3 6a d 子系统整体设计方案2 5 3 7 本章总结2 6 第四章a d 子系统硬件设计2 7 4 1 模数转换器硬件设计2 7 4 1 1 模拟输入设计2 7 4 1 2 低通滤波器设计2 7 4 1 3 参考输入设计2 9 4 1 4 采样时钟输入设计3 0 4 1 5 电源设计3 0 北斑鲤电太堂亟鲤宜生望些论室 一 且基 4 1 6 数字输出设计3 l 4 1 7 串行接口设计3 2 4 2 运算放大器硬件设计3 3 4 2 1 电路连接设计3 3 4 2 2 运算放大器增益设计3 4 4 2 3 运算放大器其他外围电路设计3 6 4 3 时钟合成器硬件设计3 8 4 3 1 外围电路设计3 9 4 3 2 串行接口设计4 0 4 4c p l d 芯片硬件设计4 l 4 5 地平面设计4 2 4 6 本章总结4 3 第五章a d 子系统性能仿真分析和测试验证4 4 5 1 信号完整性分析4 4 5 1 1 信号完整性仿真概述4 4 5 1 2 信号完整性概念4 4 5 1 3 信号完整性仿真方法4 5 5 1 4 模数转换器数字输出信号完整性仿真分析4 6 5 1 5 高速时钟信号完整性仿真分析4 7 5 2a d 子系统实际性能测试验证4 8 5 2 1 模数转换器数字输出信号性能验证4 9 5 2 2a d 子系统信噪比性能测试5 0 5 3a d 子系统实物5 1 5 4 本章总结5 2 第六章总结和展望5 3 参考文献5 4 致谢5 5 作者攻读硕士学位期间发表的学术论文目录5 6 移动通信从8 0 年代初开始商用，至今已有2 0 多年的时间。移动通信系统的 发展经历了第一代模拟系统和第二代数字蜂窝系统，目前正处于第三代移动通信 发展时期。但是，随着各种互联网应用的蓬勃发展，现有的3 g 网络已经不能满 足人们日益增长的需求。无线通信系统呈现出移动化、宽带化和i p 化的发展趋 势，在此形势下，国际电联( i t u ) 提出了更高的要求i m t - a d v 卸c e d ( 即第 四代移动通信系统，4 g ) 。国际电信联盟为4 g 系统的性能指标定义了高达1 g b p s 的峰值数据传输速率，与3 g 系统支持的峰值2 m b p s 性能指标相比，提高了5 0 0 倍1 1 i 。目前i t u 已经启动了4 g 全球标准化的工作，至今全球仅有少数的移动通 信强国能够掌握在移动通信频段实现高达ig b p s 的高速传输。 1 1 论文选题 1 1 1 论文研究背景 为了掌握下一代移动通信系统中的关键技术，中国投入了大量人力物力进行 研究工作。在此背景下，北京邮电大学无线新技术研究所参与了国家8 6 3 计划重 大项目课题“g b p s 无线传输关键技术与试验系统研究开发”( 课题编号： 2 0 0 6 a a 0 1 2 2 8 3 ) ，并成立了专门的课题组来进行专项研究。课题组的主要研究内 容为下一代移动通信系统中的关键技术，如：无线接入方式、调制与编码、无线 链路增强技术、m i m o o f d m 技术和多用户检测技术等。该项研究旨在推动我 国i m t - a d v a n c e d 系统研究与开发，突破基础性的g b p s 无线通信硬件与软件关 键技术，研制出无线数据传输能力达到i g b p s 以上的试验验证系统，并进行相 关试验和典型业务传输演示，为我国i m t - a d v a n c e d 的发展及研究奠定技术基础。 目前课题的研发已经完成了第三阶段。课题前两个阶段分别完成了5 m h z 带宽2 0 m b p s 和2 0 m h z 带宽1 0 0 m b p s 的无线传输目标。第三阶段中，在完成了 g b p s 无线传输物理层全链路技术和与g b p s 试验验证系统相关的硬件、软件技术 研究工作的基础上，课题组构建了包括射频、硬件、软件在内的试验验证系统。 系统的目标是使用i m t - a d v a n c e d 频段，无线传输带宽1 0 0 m h z ，无线数据传输 能力达到i g b p s 以上，可以实现以高清视频播放、数据传输为主的典型业务传 j e 塞整虫太堂亟班塞生望些j 幺塞 簋三童搓堑整毯盏匾垄塑基控 输演示，在采用大功率射频功放后可以用于更大范围的蜂窝覆盖。 论文作者参与了课题组设计的试验验证系统中基带处理单元a d 子系统的 研究。a d 子系统作为射频单元与数字基带处理系统之间的接口，将射频单元传 输的模拟信号转换为数字基带处理系统可以直接使用的数字信号。 1 1 2 基带处理单元架构 如图1 i 所示，a d 子系统安装在数字基带信号处理系统上，二者共同构成 了基带处理单元。其中a d 子系统负责将射频模块传输进来的模拟基带信号转 换为数字信号，通过连接器发送到数字基带信号处理载板上的高速f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，可编程门阵列) 芯片。高速f p g a 进行算法处理工作， 同时通过高速串行通道将处理后的数据传送到a t c a 机箱的全网络背板上，分 发到其他系统。 图1 - 1 基带处理单元功能示意 1 1 3 设计中面临的问题和挑战 g b p s 试验验证系统需要在1 0 0 m h z 带宽内完成i g b p s 的数据传输速率，这 就要求a d 子系统需要满足下面四个方面的要求。 ( 一) 高带宽 由于信号采用了q a m 的调制方式，因此实际通过射频系统发送给a d 子系 统的数据包括同相分量与正交分量两路信号，即q 路和i 路，其中每路的带宽均 为5 0 m h z 。相对于3 g 系统中的w c d m a 仅仅5 m h z 的带宽，g b p s 验证系统中 采用如此高的信号带宽无疑对接收系统的设计提出了挑战。为对高带宽的信号进 2 j 基竖立杰堂臻班珏土望些缝蛮签：雯援堑拄迭登丛垄塑醒控 行采样，根据奈奎斯特采样定理，模数转换器( a d c ) 的采样速率必须高于信 号带宽的两倍，即超过1 0 0 m s p s ，这又带来了下面的挑战。 ( 二) 高速率 模数转换器的采样速率超过1 0 0 m s p s ，也就意味着在基带处理单元内部传输 的数据的频率也超过了1 0 0 m h z 。在高频下，信号本身很容易受到噪声和串扰的 影响，阻抗失配也会对严重破坏信号质量。因此，在a d 子系统中必须采取措 施保证信号的传输质量，使基带处理系统能够正常工作。 ( 三) 多通道并行 g b p s 试验验证系统采用了多天线技术，接收天线多达6 条，每条天线的信 号又包括i 、q 两路，因此相当于基带处理单元需要完成对1 2 条通路信号的采样、 传输和处理工作。由于采用模块化设计，这些工作可以使用多个模块同时进行， 也即使用多个基带处理单元并行处理。作为a d 子系统，需要保证的是各路信 号在模数转换和传输过程中的延迟基本相同，这样就要求各a d 子系统的采样 时钟保持同步，并且在子系统中的走线延时相同，以使信号到达基带处理系统时， 相互间保持较小的相位差。 ( 四) 高精度 由于g b p s 系统的设计载频高达3 4 5 g h z ，这种高频信号在传播中比较容易 受到衰减，在到达接收端时信号强度可能处于很低的水平。这就要求子系统中的 模数转换器具有足够的分辨率以保证小功率接收信号的接收精度，也即具有较多 的转换位数。目前通信基站中一般使用1 2 位以下分辨率的转换器，因此子系统 中使用的模数转换器分辨率要超过该数值。 1 1 4 整体设计方案 为满足系统高带宽、高速率和高精度的要求，m d 子系统一方面需要选用合 理的器件，主要包括模数转换器、对模拟信号进行增益的器件和提供采样时钟的 器件，并且这些器件需要达到一定的理论性能，例如模数转换器的采样率必须达 到1 0 0 m h z 以上，同时具有较多的转换位数，而信号增益器件其输入信号带宽至 少超过1 0 慨；另一方面，子系统中的走线策略、电源滤波、地平面等因素都 进行合理的设计，减少内外噪声的影响，让器件的性能得到充分发挥。 为解决多通道并行带来的问题，可以采用带有锁相环的芯片来提供采样时 钟，使多个a d 子系统的采样时钟能够保持同步，同时保证输出数据走线之间 的长度差保持在较小的范围内。此外，尽量考虑使用能够进行双通道或更多通道 采样的模数转换器，减少a d 子系统的数量，提高系统可靠性。 3 1 1 5 论文的主要工作 本文将围绕如何实现g b p s 试验验证系统中的模拟数字转换( a d ) 子系统 来进行研究。主要工作如下： ( 1 ) 分析g b p s 试验验证系统的项目需求和数模混合电路的设计要求，提出 设计方案。 ( 2 ) 进行器件选型，并计算其理论性能以验证选型合理性。 ( 3 ) 结合设计方案和已选型芯片，进行硬件设计工作。 ( 4 ) 对关键信号进行信号完整性仿真，对布线进行设计参考和验证。同时， 对硬件电路进行测试工作，保证子系统能够满足性能上的要求。 1 2 论文结构安排 本论文以g b p s 无线通信实验验证系统项目为研究背景，分析了系统对于基 带模拟信号接收和数字转换性能的要求，研究和实现了g b p s 实验验证系统基带 模拟数字转换子系统。工作内容包括系统需求分析、器件选型和理论性能计算、 子系统具体硬件设计、关键信号的信号完整性仿真分析和实际测试验证工作。 本论文的结构安排如下： 第一章“绪论”， 概述论文的课题背景，总结了g b p s 无线通信实验验证 系统在设计中面临的主要挑战和本论文完成的主要工作。 第二章“模数转换器原理和架构”，对模数转换器的工作流程、性能指标和 架构特点进行概述和比较，并对影响性能指标的因素进行分析。 第三章“a d 子系统芯片选型”，根据g b p s 实验验证系统的需求，对器件 进行选型和理论性能验证，并提出了子系统的整体设计方案。 第四章“a d 子系统硬件设计”，根据第三章中提出的整体设计方案，进行 a d 子系统的详细硬件设计工作。 第五章“a d 子系统性能仿真分析和测试验证”，对a d 子系统中的关键 信号进行信号完整性仿真，为设计工作作出参考，并对实际硬件系统进行测试以 验证实际性能。 第六章“总结与展望刀，总结了论文的主要工作，对研究工作做出后续展望。 4 第二章模数转换器原理和架构 模数转换器是a d 子系统的核心，其性能决定着对子系统的整体性能。本 章将对模数转换器的原理、性能指标、架构特点进行概述和比较，为后续的选型 和设计工作作出参考。 2 1 模数转换原理概述 模数转换是指将模拟输入信号转换为二进制数字信号的技术。由于采用数字 信号能够方便的实现各种算法，完成模拟电路实现起来相对困难的功能，因此， 越来越多的模拟信号处理过程正在被数字方案所取代。在这种趋势的推动下，作 为模拟系统和数字系统之间的桥梁的模数转换器的应用日趋广泛。为了满足市场 需求，各芯片制造公司也不断推出越来越先进的模数转换器。 模数转换器对于模拟信号的数字信号的转换过程主要有四项，即采样、保持、 量化和编程1 2 i 。市场中的模数转换器虽然有着不同的结构，但其基本的工作过程 是一致的。 采样是指周期性地以某一规定间隔截取模拟信号，从而将模拟信号变换为数 字信号的过程。采样信号的频率越高，所取得信号越能真实地反映输入信号。 但也会带来问题，即高采样频率下，数字信号的数据量会急剧增大，增加处理难 度。因此，采样过程必须有合适的频率。对于基带信号来说，为完整复现模拟信 号，采样过程须满足采样定理。采样定理是指对于基带信号，如果其最高频率为 石掰，则采样率钿不能小于2 倍的缸，即可以无失真的重建原始信号，这种 可以无失真重建原始信号的最低采样频率称为奈奎斯特频率。在实际使用中，由 于模数转换器件的非线性失真和量化噪声等因素的影响，实际采样速率一般都大 于奈奎斯特频率，这时可以通过合适的低通滤波器滤除不需要的额外频率的信 号，提高系统的信噪比性能。 图2 - 1 采样信号波形 采样一般使用时间跨度较短的脉冲来进行，如图2 1 中的采样脉冲s 似。这 样采样输出就是断续的窄脉冲的形式。要将这些短脉冲输出转换为数字信号，需 要将输出的瞬时模拟信号保持一段时间，称为保持过程。 量化是将连续幅度的抽样信号转换为离散时间、离散幅度的数字信号。在量 化过程中，容易对系统性能造成影响的因素是量化误差。量化过程中所取最小数 量单位称为量化单位。由于取样电压不一定能被该最小单位整除，所以量化中不 可避免地存在误差，此误差即称为量化误差。模数转换器的位数越多，各离散电 平之间的差值越小，量化误差越小。因此，减少量化误差的一种方法是选择转换 位数高的模数转换器。 编码是将量化后的信号编码成二进制数字码，编码后得到的信号即为模数转 换器的输出。 不同厂商、不同结构的模数转换器虽然工作流程基本相同，但表现出来的性 能可能完全不同，对模数转换器的选择需要参照其性能指标来进行。 2 2 模数转换器性能指标 模数转换器的性能指标主要包括分辨率、最低有效位( l s b ) 、微分非线性 误差( d n l ) 、积分非线性误差( i n l ) 、孔径延时( a p e r t u r ed e l a y ) 和孔径抖动 ( a p e r t u r ej i t t e r ) 、信噪比( s n r ) ，有效转换位数( e n o b ) 、无杂散动态范围 ( s f d r ) 和模拟输入带宽。下面是各性能指标意义的概述。 2 2 1 性能指标概述 ( 1 ) 分辨率。分辨率是模数转换器能分辨的最小模拟输入信号的变化量， 6 所对应的模拟信号值( 也称为量化台阶) ，与理想l s b 之间的差值。对于理想的 模数转换器，其微分非线性为0 ，即每个模拟量化台阶都为i l s b 。 ( 4 ) 积分非线性误差。积分非线性表示了模数转换器器件在所有的数值点 上对应的理想值和真实值之间误差最大的那一点的误差值，也就是输出数值偏离 理想值的最大距离，单位是l s b 。积分非线性误差实际上是微分非线性误差的数 学积分，即一个具有良好积分非线性的模数转换器有良好的微分非线性特性。 ( 5 ) 孔径延时和孔径抖动。孔径延时是指在保持命令发出之后到采样保持 放大器( s h a ) 完全打开采样开关所需的时间，即采样发出命令到采样实际开始的 时间。有效孔径延时大小受孑l 径延迟和采样保持放大器中模拟、数字传输延迟的 影响，其值可正可负。孔径抖动( 或称孔径误差) 是指采样与采样之间孔径延迟时 间的变化，通常作为噪声出现。一般来讲，使用输入频率为m h z 级的模数转换 器时，时钟抖动应为飞秒级。 ( 6 ) 信噪比。指输入信号功率与输出信号中噪声功率的比值，以据为单 位。信噪比是模数转换器的一项比较重要的衡量指标，其实际数值不仅与模数转 换器本身有关，还会受到其他外界因素的影响。2 2 2 节将对影响信噪比性能的 因素做出分析。 ( 7 ) 有效转换位数。以实际测量的信噪比值根据模数转换器理想的信噪比 公式推算的转换位数，与信噪比等价。信噪比与有效转换位数之间的换算公式如 下1 3 l 。 s 1 7 7 r = 6 0 2 口v + 1 7 6 翘 式( 2 1 ) ( 8 ) 无杂散动态范围。无杂散动态范m ( s f d r ) 指输出信号频谱中基带信号 与次最大噪声成分或谐波失真信号的均方根值之比，通常以d b c ( 相对于基带信 号幅度) 或d b f s ( 相对于模数转换器的满量程范围) 表示。如图2 2 所示。 7 图2 - 2s f d r 示意图 无杂散动态范围是无线通信的关键技术指标，它允许模数转换器在有很强干 扰信号的环境下捕获有用频宽中的微弱信号，因此在通信应用中，尽量选用具有 较高无杂散动态范围性能的模数转换器。 ( 9 ) 模拟输入带宽。输出基带信号功率下降3 d b 时，对应的模拟输入信号 频率。该参数决定了模数转换器能够接受的模拟信号的最大带宽，如果模拟输入 信号带宽超过该值，转换效果会降低。 通信系统往往需要转换器具有较高的分辨率和动态范围，即需要有良好的信 噪比特性和无杂散动态范围特性。下面将对影响这两个特性的因素做出分析。 2 2 2 影响转换器信噪比性能的因素 理想模数转换器的噪声由其固有的量化误差产生1 4 l ，如图2 - 3 中虚线所示， 量化误差g ( v ) 在 一詈号 内均匀分布，且峰峰值等于g ( i l s b ) 。 0 人 电压y 图2 - 3 模数转换器量化误差h 实际中使用的模数转换器是非理想器件，因此存在着多种误差，如零点误差、 满度误差、增益误差、积分非线性误差、微分非线性误差等。其中，零点误差、 满度误差、增益误差是恒定误差，只影响转换器的绝对精度，而对其信噪比性能 没有影响。微分非线性误差指的是模数转换器实际量化间隔与理想量化间隔的最 大偏差，它改变了模数转换器的量化误差，因此通过该性能参数可以方便地计算 出转换器实际转换曲线与理想转换曲线的偏差对信噪比性能的影响。 非理想的模数转换器工作中还会存在各种噪声，如热噪声和孔径抖动。前者 是器件内部分子热运动产生的，后者是由转换器的孔径延时的不确定性造成。转 换器的外围电路也同样会带来噪声，如地平面上的杂波、外接时钟抖动等等。这 些误差和噪声的存在，会导致转换器的信噪比下降。因此，明确导致这些噪声产 生的因素，在设计中进行改善，对于提高转换器的转换效果有重要的帮助。下面 将分析微分非线性误差、孔径抖动和热噪声对信噪比的影响。 一 ( 1 ) 微分非线性误差的影响。非理想模数转换器由于微分非线性误差，其量化 间隔之间是不相同的，这会导致模拟信号转化为数字信号过程中存在误差，造成 信噪比的下降。为分析方便，用钾表示实际量化间隔与理想量化间隔误差的有 妣并认为量化误差在 - 丁q + e q ，半 和 一t q - e q ，割内均匀m 如图2 - 3 中的实线所示。这样，模数转换器的量化噪声电压为 9 k 一僦= ! ! ! ! 里三堡 l j ；g z ( v ) 咖+ jg z ( v ) 西+ 于9 2 ( v ) 咖+ 2 9 一g! 笪里丝 22 ：压弓 式( 2 2 ) ( 2 ) 孔径抖动的影响。孔径抖动造成了信号的非均匀采样，也同样会导致误 差的产生。用表示孔径抖动，则其造成的误差电压为川 = 芴加t 式( 2 3 ) 式中的f 。表示模数转换器输入信号频率。 ( 3 ) 热噪声的影响。为便于计算，将微分非线性误差、孔径抖动之外的其他 噪声统一等效为模数转换器输入端的热噪声电压，其有效值为。 一般情况下，模数转换器的量化噪声、微分非线性误差、孔径抖动和热噪声 彼此相互独立，综合这些因素的影响，可得到信噪比的计算公式如下： pv 2v 2 脒亏圳甙扩1 0 k 瓦扔 式( 2 h 4 ) 一l o l g i8 咕+ 寻) + ( 2 万厶2 n ) 2 + 8 c r , h 2i + 6 0 2 n ( d b ) 对于高分辨率的模数转换器，其固有的量化误差、微分非线性误差和热噪声 均比较小，模数转换器的信噪比主要取决于孔径抖动1 4 l ，即可得到式2 5 。 s n r = l o l g ( 毛与= 一2 0 l g ( 2 矾吒，) 式( 2 5 ) y 乩i 可以看出，输入频率的提高和孔径抖动的增加，都会降低模数转换器的信噪 比。由于输入频率需要根据实际应用设计，一般不能改变，因此需尽量选择孔径 抖动较低的模数转换器，以达到良好的转换效果。 模数转换器的孔径抖动大小不仅与自身性能有关，还会受外界输入的采样时 钟影响，进行电路设计时，降低采样时钟的抖动是提高信噪比性能的有效方法。 时钟抖动是时钟不同周期之间，时钟沿随机超前或滞后的现象，时钟抖动会使孔 径抖动增大，导致模数转换器的采样电路在错误时间点采样，从而造成输入信号 的偏差，影响模数转换器的动态性能。 l o 首先，是采用高质量的时钟源。带有锁相环的时钟合成芯片能够较好的控制 其输出时钟的抖动特性。 其次，增加时钟线与其他高速数字信号之间的距离，同时保证时钟线具有良 好的回流路径，减少其他信号对其造成的串扰。 最后，采用差分信号可以有效的减少板上的共模噪声对信号的干扰，最好加 入金属屏蔽来隔离可能的干扰源。 2 2 3 影响转换器无杂散动态范围的因素 从无杂散动态范围的定义中可以知道，它是有用信号频率与杂波信号最大值 的强度差，可以用来对系统失真进行量化。 杂波信号通常产生于模数转换器的输出谐波中，它表示器件输入和输出之间 的非线性。偶次谐波中的杂波表示传递函数非对称失真，在理想系统中，特定的 输入信号应该产生特定的输出，但由于系统非线性，实际输出并不等于预期值， 当系统接收到大小相等极性相反的信号时，得到的两个输出不相等，这里的非线 性就是非对称的。奇次谐波中的杂波表示系统传递函数的对称非线性，即特定的 输入产生的输出失真对正负输入信号在数量上都是相等的。 可以看出影响无杂散动态范围的主要是模数转换器的非线性特性，而外界噪 声对无杂散动态范围的影响并不大，特定的噪声反而会提高动态范围性能瞪l 。因 此，在电路设计时无需采取特殊方案来提升无杂散动态范围性能，侧重点还是在 于采取措施提高模数转换器的信噪比。 2 3 模数转换器架构 采样速率和分辨率是选择模数转换器时首先要考虑的参数，在满足了这两种 需求的基础上，才能对其他性能进行分析和选择。由于不同架构的模数转换器的 上述两种性能各不相同，因此需要对各架构有简单的了解，才能明确选择方向， 缩小选择范围。本小节将对各架构的模数转换器进行概述和比较。 j t 塞鳗虫太堂亟班宜生垡业途塞 蔓三童燕墼箍迭墨蜷堡塑袈控 2 3 1 并行比较模数转换器 并行比较架构的模数转换器是现今速度最快的转换器，采样速率可达到 1 g s p s 以上，也称为f l a s h 型模数转换器。 并行比较模数转换器由电阻分压器、比较器、缓冲器和编码器构成。其结构 如图2 - 4 所示。 图2 - 4 并行比较模数转换器i 引 电阻分压器将参考电压分成数个等级，这些等级的电压分别作为每个比较器 的参考电压。每个比较器都会比较输入电压与各自的参考电压的大小来决定自己 的输出。比较器的输出状态被缓冲器储存，然后经过编码器的编码即可得到数字 输出。 并行比较模数转换器在转换过程中所有位的转换同时完成，其转换时间取决 于比较器的速度、编码器的传输时间延迟等。并行架构模数转换器的转换时间受 转换位数的影响比较小，但转换位数的提高意味着模拟器件密度的提升，从图 2 2 中可以看到，输出数字位数每增加一位，所需要的精密分压电阻的数量就要 增加一倍，比较器数量也近似增加一倍，因此这种架构的模数转换器一般很难达 到较高的输出位数。因此，在实际应用中，并行比较模数转换器多用于高速而对 精度需求不太高的系统。 1 2 图2 5 逐次逼近模数转换器i z i 数模转换器的最高有效位( m s b ) 被保存到比较寄存器中，然后将该值对 应的电压与输入电压进行比较。比较器输出被反馈到数模转换器，并在下一次比 较前对其进行修正。这样，在逻辑控制电路的控制下，比较寄存器不断进行比较 和移位操作，一直到完成最低有效位( l s b ) 的转换。当每一位都被确认后，转换 结果被锁存到比较寄存器中作为模数转换器的输出。 从逐次逼近模数转换器的工作过程可以看到，n 位数字输出需要n 个比较 周期，在前一位转换完成前不得进行下一位的转换，这样降低了功率消耗，也降 低了器件占用的空间。但这种工作方式毫无疑问降低了采样速率，不适合用于高 速领域。 2 3 3 一a 型模数转换器 z 一型模数转换器也是目前广泛使用的一种模数转换器。它的工作方式与 一般的模数转换器不同，它不是直接根据抽样样值的大小进行编码量化的，而是 根据前后量值的差值即所谓的增量大小来进行编码量化。一型模数转换器由 1 3 两部分组成，即模拟一调制器和数字抽取滤波器，如图2 6 所示。 e 。，。： 模拟一a 调制嚣 图2 6 一型模数转换器i z l 模拟一调制器以极高的速率对模拟输入信号进行抽样，并对两个抽样之 间的差值进行低位量化，从而得到用低位数码表示的数字信号，即一码，然 后将这种一码传送到数字抽取滤波器进行抽取滤波，从而得到高分辨率的线 性脉冲编码调制的数字信号。 一型模数转换器采用了z 一调制技术和数字抽取滤波，可以获得极高的 分辨率，一般转换位数在1 2 位或以上，部分高精度转换器可以达到2 4 位。但其 缺点是以速度为代价，每输出一次采样结果都需要对输入采样多次，这就需要调 制器中模拟元件的工作速率要比最终数据输出速率快很多。这就造成了采样速率 较高，而能够采样的模拟信号的带宽并不大，目前最快的高分辨率一型转换 器还无法对超过1 0 m h z 带宽的模拟信号进行采样。 2 3 4 流水线型模数转换器 流水线型模数转换器是对并行转换架构进行改进而设计出的一种类型的模 数转换器。它采用分级的方式来得到高位和低位的数字输出。其结构如图2 7 所 示。 丁匝乎矿惨必 k 督 图2 7 流水线型模数转换器b i 1 4 流水线型模数转换器结构每一级包含一个运算放大器和采样保持电路。采样 保持电路在第一级采样输入信号，后面的每一级采样前一级输出的余差信号。这 种特性使每一级的余差信号被下一级采样后就可以进行新的采样处理，因此它的 吞吐率与级数无关，其采样率也就可以相应的达到比较高的数值。 流水线型模数转换器实现了速度、精度、低功耗和占用面积的最优组合，因 此得到了广泛应用。对于采样速率为每秒数兆( m s p s ) 到数百兆的8 位至1 6 位 模数转换器，流水线已经成为最流行的结构，其应用领域包括c c d 成像、超声 成像、数字接收、基站、数字视频( 如h d t v ) 、x d s l 、线缆调制解调器以及快 速以太网。 2 3 5 各架构模数转换器比较 综上所述，目前存在的各种架构的模数转换器各有其优缺点，表2 1 列出了 这些模数转换器的主要性能指标。 表2 1 各架构模数转换器对比 模数转换器架构分辨率采样速率模拟输入带宽 并行比较模数转 低，一般在1 0高，可达高，可达数百m n z 换器 位以下 1 5 g s p s 逐次逼近型模数高，可达1 6 位低，一般在低，一般在2 m h z 转换器 5 m s p s 以下 以下 一型模数转换 高，可达3 1 位 低，一般低于低，最高l 一2 m d t z 器 l o m s p s 左右 流水线型模数转高，可达1 6 位 高，可达1 g s p s高，可达数百m h z 换器 在通信基站中接收的处理的信号一般具有高带宽，高速率的特点，并且也需 要达到一定的精度，特别是在第四代通信系统中，提高传输速率、增大信号带宽 己成为发展趋势。从上面的比较可以看出，流水线型模数转换器最能满足通信领 域的这种需求，因此在子系统的设计中采用了该架构的模数转换器来作为基带模 拟信号的转换器，这也能够满足高精度、高带宽的和高速率的系统需求。 2 4 本章总结 本章对模数转换器的基本工作原理和性能参数进行了概述，并对影响模数转 换器的信噪比性能和无杂散动态范围的因素做出了分析，为设计工作提供了参 1 5 扯塞竖虫盍堂亟班宜生生些迨塞 篷三童携堑筮毯盏匾理塑袈控 考。然后对目前市场中不同架构的模数转换器进行了比较，根据实际需求为子系 统选择了流水线架构的模数转换器。 1 6 第三章a d 子系统芯片选型 第二章中为a d 子系统选择了流水线架构的模数转换器，其具体型号还需 要通过进一步的比较分析才能确定。此外，子系统中的其他重要器件也需要进行 选择，如提供模拟信号增益的器件、提供采样时钟的器件、模数转换器的配置芯 片等等，本章将对当前市场中这些器件的特点进行分析比较，作出合理的选择。 3 1 模数转换器选型 目前市场上的流水线架构模数转换器有很多种，各有其特定的性能参数，需 要依据实际需要来进行选择。 前文中已经提到，模数转换器的性能参数中，至少满足需要采样率超过 i o o m s p s ，分辨率超过1 2 位，在此基础上根据其他参数例如信噪比、无杂散动 态范围、孔径抖动等进一步选择。表3 1 列出了各厂商能够满足要求的转换器产 品。 表3 1 各主要厂商模数转换器型号 分辨率 采样率信噪比无杂散动态孔径抖动信号通道 厂商型号 ( b i t s )( m s p s ) ( 拍)范围( d b c ) ( 芦) 数量 a d $ 6 4 4 5 1 41 2 57 3 28 l0 2 52 a d $ 6 2