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
2011-12-27
作者：Robert Keller，TI高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)兼應(yīng)用經(jīng)理
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(jiàn)《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(jiàn)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(lái)實(shí)現(xiàn)插值。利用在輸入采樣點(diǎn)之間插入零來(lái)完成這項(xiàng)工作，其在 fIF和 FIN – fIF產(chǎn)生兩個(gè)信號(hào)。通過(guò)一個(gè)數(shù)字低通濾波器后，去掉了位于 FIN – fIF的第二個(gè)信號(hào)，只在 fIF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*fIF/fs)/(?π*fIF/fs) 方程式 1
其中，fIF為模擬輸出頻率，而 fs為采樣速率。這種響應(yīng)具有低通效果（請(qǐng)參見(jiàn)圖2），其 f = fs/2時(shí)的損耗為 ~ 3.5 dB，并在 fs倍數(shù)時(shí)為零。盡管 DAC 輸出在 N*fs +/- fIF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 fs/2以下的輸出信號(hào)頻率。另外，fIF處的信號(hào)和 fs – fIF圖像之間的間隔，隨著 fIF接近 fs/2而減小，從而讓 DAC 輸出端的模擬濾波器（作用是去除 fs – fIF多余圖像）難以建立，最終將大多數(shù)應(yīng)用的 fIF限制在 fs/3以下。
圖2 無(wú)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 fIN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(guò)渡頻帶（實(shí)信號(hào)時(shí) fin > 2.5*BW，復(fù)信號(hào)時(shí) fin > 1.25*BW）。利用插值增加采樣速率，可以讓信號(hào)輕松地位于 fs/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 fin/2，而如果不使用插值就不可能獲得這一結(jié)果（請(qǐng)參見(jiàn)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(guò)程中產(chǎn)生圖像。混頻輸出可以為實(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*fDAC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(guò)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(shuō)明書(shū)，LIT#SLAS751A，2011 年6 月。
2. 如欲了解TI DAC 的更多詳情，敬請(qǐng)?jiān)L問(wèn)：www.ti.com/dac-ca。