模拟中频信号数字化光传输系统设计

1、其 它中文核心期刊模拟中频信号数字化光传输系统设计何翠平（中国电子科技集团公司 第三十四研究所，广西 桂林 541004）摘要：概述了模拟信号数字化转换技术的现状和中频信号数字化技术的重要性，主要介绍了中频信号数字化传输系统的实现原理、关键芯片和典型应用电路，并提供了对电路主要环节链路噪声的优化控制方法，可以给初始参与模拟中频数字化设计的人员提供一定的技术参考。关键词：模拟中频；光纤；数字化；噪声系数；大动态中图分类号：tn929.11文献标识码：a文章编号：1002-5561（2012）04-0045-03the digitization and opticaltransmission sy

2、stem design of analog if signalhe cui-ping(the 34th research institute of cetc,guilin guangxi 541004,china)abstract：the paper summarizes the actuality of adc technology and the importance of if adc part,mainly introduces the principle,kernel chip and the type application project,equally affords the

3、optimization measure to the noise coefficient of primarily circle, it can be used as a reference to the beginner designing if adc sys- tem.key words:analog if;fiber;digitization;noise coefficient;dynamic0 引言模拟信号的种类非常多 ， 一般按频段 划分 ， 可分 为：低频信号、中频信号和高频信号。 对于低频信号，由于采样速率较低，分辨率早已达到 24 位，理论转换 动态范围高达 150dbc，

4、已经超过现阶段电路的设计极限，很长时期内不会再增加位数。 而模拟中频信号，由于采样速率大幅度提高 ， 数据吞吐量成倍上升， 现阶 段最高只能达到 16 位，理论转换动态不到 100dbc，尚顾传输距离和动态范围的弱点，真正实现模拟中频信号的高保真远程搬移。1 基本原理模拟中频信号的数字化 光传输技术 首先建立在 模拟信号的高精度数字化基础之上， 所以大动态、高 分辨率的数字化转换技术是基础。 本世纪以来随着集 成工艺的快速发展,数字电路应用进一步普及,连接模 拟世界与数字世界的模数转换电路应用范围进一步 扩大,高速数字化转换技术进入高速发展期，受益于采 样芯片内部的时钟稳定技术突破 70fs。

5、 2005 年，ad 公 司推出了业界第一块真正意义上的 16 位高速数字化 芯片 ad9446，数字化转换动态典型值 90dbc，模拟中 频信号的数字化应用开始步入大动态应用时期，并逐不能完全满足大动态中频信号的幅度范围要求。至于中频段以上信号， 数字化转换分辨率一般在 12 位以下，只能应用在一些对质量要求不高的场合， 如示波 器信号处理等。 在模拟电路处理环节中，中频是一个 很特殊的应用频段， 它既包含有原生的中频段信号， 也包括高频信号经过下变频得到的次生中频段信号， 工作频段相对集中。 从目前的发展趋势看，该频段在 今后相当长的一段时期内会成为软件无线电技术的 主要应用对象，因此，具

6、有较大的开发潜力价值，本文 将着力于模拟中频信号大动态数字化转换和远距离 信号传输技术研究，克服传统模拟光调制方式不能兼步走向成熟。目前，市面常见的 16 位模数转换及数模转换芯片基本参数如表 1 所示。模拟中频信号的数字化 转换只是整 个远程传输 环节的第一步， 转换后会形成并行的高速数据流，单 路的数据速率等于采样频率，在进行光传输之前这些数据流首先要经过高速复用完成并-串转换，合并成收稿日期：2011-11-30。作者简介：何翠平（1975-），男，高级工程师，从事光通信技术研究工作。一 个 更 高 速 的 串 行 数 据 流 ， 然 后 再 经 过 线 路 整 形 、2012 年第 4

7、 期輨輳訛其 它何翠平：模拟中频信号数字化光传输系统设计表 1常用 16 位数字化转换芯片基本参数代之的是数 字下变频 和 数字解调，基本上不再存在信 号损失，整个链路的动态范 围主要由前 端 的 低 噪 运 放 和 模/数 转 换 芯 片 决 定 ， 因 而可以 大 幅 度 提 高 系 统 的 传输动态。 在极端情况下甚 至 可 以 舍 弃 前 端 的 低 噪 声 型号类型数据速率量程典型动态其它特性ad9446/60/61模/数ltc2208/09 模/数 ltc2274 模/数 ad9726/86数/模 ad9122数/模 max5891/95/98 数/模分别针对中低频、欠采样和中频采

8、样优化内置抖动技术,分别针对中频.低噪声技术优化 内置复用电路串行输出双路 8内插双路 8内插,中高频优化 无内插/8内插/双路 8内插80130msps105160msps105msps200500msps1200msps500600msps23.4v1.52.75v1.52.25v20ma20ma20ma90dbc92dbc90dbc7882dbc78dbc8082dbc8b/10b 和光驱动电路， 最后完成电-光转换将电信号调制到光纤中， 选用的光波长要根据实际的传输距放大环节，改由多块模/数转换芯片并行处理以获得更大的转换动态。 实验中，当采用 4 块 16 位模/数转换芯 片并行处理

9、时，通过互相关算法降噪处理后可以获得离、业务量、光纤数量和产品定位来决定。接收端通过光-电变换、数据整形、高速数据解复用和同位数的数/模变换等系列逆过程恢复出原始的模拟信号，整个系 统传输的原理框图如图 1 所示。在图 1 中， 发送 端 的 滤 波 器 主 要 保证 采 样 后 的 频 谱 不 产生混叠，放大单元 则 兼 有 电 平 匹 配 和 adc 驱 动 的 作 用 。 接 收 端 的 滤 波 器 主最大 110dbc 的转换动态，与现有模拟中频传输系统相比动态指标提升非常明显，但这种信号处理方式的优点只有按照图 1 虚线部分的方法进行全数字域 解 调才能充分体现。从上面的分析可以得知

10、，在模拟输出方式下，重点 需要提升数/模转换电路部分的技术指标，在无法突破 芯片物理指标的前提下，只能尽可能以各种方式优化电路，获得最接近物理指标的调试参数。根据实际调试经验，可以从如下几方面采取优化措施：保证提供给数模变换芯片时钟的抖动性能。 数/ 模变换的输出都是以输入时钟为依据，将每一比特的 数字信号转换成相应的电流输出，如果输入时钟不稳 定，必将引起输出电流的相位跳变，从而引起噪声和杂 散。 接收端要获得一个高质量的时钟信号，通常有两 种方式：从发射端单独传输一个时钟信号或者对接收要滤除带外干扰。 虚线 框 内 部 分 是 全 数图 1 模拟中频信号数字化光传输原理框图字域的模拟中频信

11、号处理模式，数据解调后的并行数据直接进入数字处理芯片进行数字下变频和数字解 调，从而避免信号来回地在数字域和模拟域之间变换 造成性能损失，同时下变频和解调的软件化处理也有 利于降低硬件成本，提高设计的灵活性和功能性。 分 析表 1 的数据可知， 在模拟输出模式下， 传输系统的 信噪比、动态范围、 谐波失真等指标主要由接收端的 数/模变换电路性能决定，而噪声系数、平坦度等指标 则主要由前后端的模拟放大器及滤波器指标决定。端锁相恢复的时钟信号进行去抖动处理。前者需要额外占用一个波长但电路简单、获得的时钟性能与原时钟相差不大； 后者实现电路复杂但更节省资源， 获得 的时钟性能一般与原时钟相差 12

12、个数量级。利用数模转换芯片的内插功能。现阶段绝大部分的数/模转换芯片都具备内插功能，通过对芯片进行配置，可以实现 2、4到 8的内插功能，这在一定程2 技术特点和重要事项数字化光传输系统与模拟光传输系统相比，最大 的优点在于可以兼顾动态范围和传输距离， 因此，关度上也可以降低输出杂散，提高转换动态。实际使用中内插时钟的获得有两种方式：通过数/模转换芯片内部倍频锁相得到或者外部时钟芯片倍频得到，前一种 方式在某些芯片内会发生死机情况；后一种方式则需 要另购时钟芯片，但可以获得稳定性更高的内插时钟。 另外，如果采用的是时钟单独传输方式，建议在发送端 直接将高频时钟分频得到采样时钟，然后再将高频时

13、钟直接传输到接收端作为内插时钟，这样可以获得最 好的内插性能。良好的 pcb 布线及接地设计。 数/模、模/数转换键点在于动态范围指标的实现。从图 1 和表 1 的数据可以看出，在模拟输出方式下，数/模转换芯片的动态指标在整个链路中是最低的，与同分辨率的模/数芯片 相比有 1215db 的差距，即使与现阶段较好的运放芯 片谐波失真指标相比，也有 510db 的差距，因而可以 确定这部分电路是整个系统的性能瓶颈。 在全数字输 出模式下，数/模转换以及输出放大部分被舍弃，取而輨輴訛2012 年第 4 期其 它何翠平：模拟中频信号数字化光传输系统设计意义上的噪声隔离作用，可以认为在 a、b 单元产生

14、的 噪声经中间环节后等幅度地从 c 单元输出进入 d 单 元， 另外 c 单元本身的噪声 n3 也会进入 d 单元， 所 以，整个链路的噪声系数表达式为：电路属于混合电路设计 ， 包含了微弱模拟信号、 数字信号和时钟信号，在布局、布线、接地等环节都需要一 定的经验技巧。 加入复用、解复用和光-电、电-光转换 电路后，又增加了高速信号和光信号，情况更加复杂。 要保证整个链路的传输动态范围，必须有较低的系统 噪声。 根据实际的设计经验，对各单元电路实施独立 供电、一点接地和差分连接是一种比较可靠的设计思 路，可以有效地隔离各电路单元间的相互干扰， 降低 系统噪声。nfa-d=(n1+n2)/g1n

15、i+n4/g1g4ni+1+n4/g4n3（2）式（2）中，第一部分噪声由 a、b、d 单元组成，第二部分由 c、d 单元组成， 由于现在的数/模转换芯片大 都以电流源方式输出， 噪声密度接近半导体工作极 限， 一般 在-160dbm/hz 左右， 所以 n4/n3 的数值相对 会比较大一些。从噪声系数的表达式可以看出，在 n1n4、ni 都确3 系统噪声系数及其优化措施在电信号处理时代，噪声系数是衡量模拟传输设 备及系统指标的一个重要参数， 光传输技术出现后，传输距离的延长以及数字技术的应用使得系统对噪声系数的要求有所下降，但对于模拟光传输系统或者 类似模拟中频信号这种数字化后再模拟输出的光

16、传 输系统，噪声系数仍然能够在一定程度上表征整个系 统的噪声劣化情况，低噪声系数就意味着高信噪比和 高动态范围， 因此， 在数字化光传输系统中对噪声系 数进行优化也具有重要意义。定情况下，提高 g1 和 g4 的增益值都能有效地降低噪声系数。 实际设计中，a 单元放大电路增益的确定以模拟通道与模/数变换单元相匹配为基准，即在不超过模/数变换电路最大输入信号电平的前提下，使输入电平的输出三阶互调幅度等于输出噪声电平时的增益 值时为最佳值1。d 单元的放大增益值则主要根据输出 信号幅度决定。另外，由于 a、d 部分都有滤波器，含有信号衰减 因子，会造成噪声系数的劣化 ， 所以尽可能采用低插 入损耗

17、的滤波器，改善一部分噪声系数。总的来说， 对于模拟中频数字化光纤传输系统， 由于模/数 、数/模变换本身就存在信号衰减因子，再加 上转换过程中量化噪声和其它非线性噪声的存在，系根据噪声系数的定义,它表征了一个系统输入信噪比与输出信噪比之间的劣化程度,可以直接用两者的比值系数表示，也可以转化成对数用 “db” 表示， 对于一个简单一级网络，一个由多级链路构成的模拟传 输信道的噪声系数可表示为：统综合噪声系数会达到 1218，这个指标在当前的长距离传输系统中仍然处于领先地位。展望未来在全数nf=nf1+(nf2-1/g1)+(nf3-1)/g2g3（1）字解调方式下，c、d 部分的噪声影响将不复存

18、在 ， 整个系统的噪声系数优化后将可以控制在 10 以下。式 中 ，nf1、nf2 和 nf3 是 各 级 链 路 的 噪 声 系 数 ，g1、g2 和 g3 分别对应各级链路增益，nf 为整个链路的噪声系数。由式（1）可以看出，各级链路对总噪声系数4 结束语从数字化芯片的频率更新趋势上看，高频段模拟 信号的数字化芯片在未来很长一段时间内无法满足分辨率要求，这里面既有集成工艺的技术瓶颈， 也包 含有成本因素的制约， 因此， 中频数字化技术仍将在的影响呈指数递减形式，位置越往后影响越小。 但在模拟中频信号数字化光传输系统中，它总共由前端模 拟链路、模/数-数/模链路、 电/光- 光/电链路和后端模 拟电路五单元组成，由于中间环节存在多种信号域变 换，因此，与一般的纯模拟链路相比存在较大的不同， 其整个链路噪声分布示意图如图 2 所示。较长时期内继续主导市场潮流。逐步提高转换动态范围，配合新