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揭秘:高速信號發(fā)生的關(guān)鍵所在

發(fā)布時間:2014-11-29 責(zé)任編輯:echolady

【導(dǎo)讀】分辨率和帶寬是高速信號發(fā)生應(yīng)用中的關(guān)鍵。新型信號發(fā)生應(yīng)用能夠運(yùn)用高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器會產(chǎn)生例如單音直至具數(shù)百兆赫茲帶寬、復(fù)雜的多通道波形等多種不同類型的波形。本文將為你闡述高速信號應(yīng)用發(fā)生的關(guān)鍵所在。

在高速信號發(fā)生應(yīng)用中,帶寬和分辨率是關(guān)鍵要求。新型信號發(fā)生應(yīng)用運(yùn)用高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)來產(chǎn)生各種不同類型的波形,包括單音直至具數(shù)百兆赫茲帶寬、復(fù)雜的多通道波形。這些應(yīng)用要求高速DAC足夠快,以在不犧牲模擬性能的前提下產(chǎn)生這些波形。在很多信號發(fā)生應(yīng)用中,相位噪聲會限制通道的數(shù)量以及可能實(shí)現(xiàn)的通道間隔。傳統(tǒng)上,相位噪聲由驅(qū)動DAC時鐘輸入的時鐘信號引起,不過DAC增加的任何相位噪聲都會出現(xiàn)在輸出頻譜中,并限制可能產(chǎn)生的信號。對任何通用信號發(fā)生應(yīng)用而言,理想DAC的速度應(yīng)該盡可能快,且噪聲低、線性度高、附加性相位噪聲非常低。這些性能規(guī)格中的任何一項(xiàng)如果缺失,那么所產(chǎn)生的波形都不足以滿足應(yīng)用的要求。

帶寬

在任何信號發(fā)生應(yīng)用中,最重要的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)都是帶寬。任何設(shè)計師都會問到的第一個問題是:需要多大的帶寬來產(chǎn)生想要的信號?對于特定信令協(xié)議或特定應(yīng)用,設(shè)計師可能需要一定大小的帶寬。無論設(shè)計師想要實(shí)現(xiàn)的帶寬有多大,DAC的速度都要至少是想要帶寬的2倍。帶寬與采樣率(fs)之間的這種關(guān)系是由哈里-奈奎斯特定義的,描述了信號在采樣系統(tǒng)中的表現(xiàn)。

盡管可以產(chǎn)生帶寬從DC至fs/2的信號,但是這么做常常不實(shí)際,因?yàn)檩敵鲱l譜中會出現(xiàn)所產(chǎn)生信號的鏡頻信號。鏡頻信號會出現(xiàn)在N×fs±fout(其中,fout是所產(chǎn)生信號的頻率)。實(shí)際上,需要重建濾波器來衰減可能出現(xiàn)在輸出頻譜中任何所產(chǎn)生信號的鏡頻信號。即使所產(chǎn)生信號的帶寬沒有延伸到fs/2,但接近于它,鏡頻信號也會難以濾除。重建濾波器是用真實(shí)元件在模擬域?qū)崿F(xiàn)。與數(shù)字濾波器不同,這些元件是非理想的,會導(dǎo)致具紋波及插入損耗的非理想通帶。一般而言,這些濾波器階數(shù)越高,產(chǎn)生的紋波和插入損耗就越大,從而使理想濾波器更加難以設(shè)計。信號帶寬越接近fs/2,濾波器階數(shù)就必須越高,以衰減采樣過程中產(chǎn)生的鏡頻信號。濾波器階數(shù)越高,所需元件就越多,也就會產(chǎn)生更大的插入損耗和通帶紋波。

揭秘:高速信號發(fā)生的關(guān)鍵所在
圖1:LTC2000建議原理圖。

運(yùn)用采樣速率較高的DAC會增大可用帶寬,這將降低對濾波器的要求,允許濾波器采用較少的元件,降低復(fù)雜性,從而簡化設(shè)計,產(chǎn)生更好的結(jié)果。LTC2000是一款高性能、16位、2.5Gsps高速DAC,具有2.5Gsps采樣率,從而fs/2頻率為1.25GHz。因此,對于800MHz的信號帶寬,在1.7GHz處會有一個鏡頻信號。在想要的頻帶和鏡頻信號頻率之間有900MHz。憑借900MHz的保護(hù)帶,鏡頻信號可以用簡單的低通濾波器輕松濾除。具有較低采樣速率的DAC所產(chǎn)生的鏡頻信號更靠近想要的頻率,因此需要更加嚴(yán)格和復(fù)雜的濾波器。

要產(chǎn)生帶寬延伸到fs/ 2 的信號,還有另一個問題, 即任何DAC 都存在SINC(sin(x)/x)滾降,隨著頻率升高,這個問題將使所產(chǎn)生的信號衰減。這種滾降在采樣頻率(fs)處有一個零點(diǎn),從而不可能產(chǎn)生一個準(zhǔn)確出現(xiàn)在采樣頻率上的信號。所產(chǎn)生的信號只是一個DC電壓。對于實(shí)際應(yīng)用而言,大約60%的奈奎斯特區(qū)域(DC至fs/2)沒有很大的SINC衰減,而可被利用。如果0dB是DC時的信號電平,那么在60%奈奎斯特頻率處,信號電平會下降6dB。人們常常在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)這種滾降的反向補(bǔ)償,以糾正所產(chǎn)生信號的自然滾降。這使DAC能夠產(chǎn)生隨頻率變化具恒定幅度的波形。如果使用更高速度的DAC,那么SINC函數(shù)的滾降會隨DAC輸出頻率的升高而減輕。
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相位噪聲

在信號發(fā)生應(yīng)用中,另一個需要考慮的重要因素是輸出的相位噪聲。輸出信號中出現(xiàn)的相位噪聲限制信號之間的間隔,且可能限制可以實(shí)現(xiàn)的調(diào)制階數(shù)。在信號發(fā)生過程中,相位噪聲越大,所產(chǎn)生信號的SNR就越低,其誤碼率也就越高。抖動可用來衡量信號在時間域的過零準(zhǔn)確度。一個完美的信號會在每個周期中的相同時點(diǎn)過零。實(shí)際上,這些過零點(diǎn)在時間上會有一定的分散性。如果這種分散性轉(zhuǎn)換到頻率域,就可以看到在基音周圍以頻譜泄漏形式出現(xiàn)的相位噪聲。如果有幾個音調(diào)相互靠近,那么某個音調(diào)的SNR可能因其相鄰音調(diào)的頻譜泄漏而劣化,這會使信號誤碼率變差,降低所產(chǎn)生信號的準(zhǔn)確度。通過降低在所產(chǎn)生信號中引入的相位噪聲,可以避免這種信號完整性損失。

避免給信號發(fā)生系統(tǒng)引入相位噪聲的最簡單方法,是用一個相位噪聲極低的時鐘來啟動。相位噪聲較低的時鐘傳遞給所產(chǎn)生信號的相位噪聲較低。還有一點(diǎn)很重要,加在所產(chǎn)生信號上的時鐘相位噪聲的衰減幅度正比于所產(chǎn)生信號頻率與時鐘采樣速率之比。這種正比關(guān)系意味著,與通過用高采樣頻率時鐘產(chǎn)生高頻信號相比,如果用同樣的時鐘產(chǎn)生低頻信號,就會在輸出信號上產(chǎn)生較小的相位噪聲。如果所產(chǎn)生的頻譜很寬,那么相對于較低頻率端,所產(chǎn)生的信號在頻譜高端會有更大的相位噪聲。

揭秘:高速信號發(fā)生的關(guān)鍵所在
圖2:LTC2000建議布局。

LTC6946是一款頻率合成器,不用外部VCO就可產(chǎn)生從370MHz直至5.7GHz的信號。該器件具備卓越的相位噪聲性能和非常低的寄生分量,適合作為信號發(fā)生應(yīng)用的時鐘源使用。用LTC6946驅(qū)動LTC2000高速DAC時,所產(chǎn)生的相位噪聲足夠低,適合大多數(shù)要求嚴(yán)苛的信號發(fā)生應(yīng)用。LTC6946含有一個內(nèi)部VCO,可在便利性和相位噪聲之間做出權(quán)衡。如果使用LTC6945和一個外部VCO,還能實(shí)現(xiàn)更低的相位噪聲。就LTC6945和LTC6946頻率合成器而言,起主導(dǎo)作用的相位噪聲源是VCO。在產(chǎn)生65MHz輸出音調(diào)時,LTC2000在1MHz偏移有-165dBc/rHz附加噪聲。這確保與LTC2000本身的附加性相位噪聲相比,時鐘相位噪聲起主導(dǎo)作用。為了避免其他噪聲導(dǎo)致輸出信號劣化,在模擬輸出電路部分應(yīng)該注意使用恰當(dāng)?shù)牟季址椒ā?br />
恰當(dāng)?shù)腞F布局

設(shè)計印刷電路板時,如果沒有采用恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計及布局規(guī)則,那么使用高性能DAC和時鐘源的好處就會大打折扣。如果沒有恰當(dāng)?shù)膶ΨQ性、旁路和勢壘,所產(chǎn)生的模擬輸出波形就有可能出現(xiàn)誤差,還可能引入噪聲及其他寄生分量。圖1顯示了LTC2000的典型原理圖。就直至500MHz的信號而言,LTC2000的噪聲頻譜密度好于158dBm/rHz,這有助于在很寬的信號頻率范圍內(nèi)保持很高的信噪比。該器件的無寄生動態(tài)范圍(SFDR)直至500MHz均好于74dB,而對于直至1GHz的輸出頻率而言,SFDR則好于68dB。為了最大限度提高LTC2000的性能,需要進(jìn)行恰當(dāng)?shù)牟季?。DAC的輸出應(yīng)該作為一個差分對來對待,并盡可能以對稱的路徑傳送。輸出網(wǎng)絡(luò)中的任何非對稱性都可能導(dǎo)致差分信號之間出現(xiàn)壓差。這種電壓差將導(dǎo)致共模干擾,進(jìn)而在輸出頻譜中產(chǎn)生不想要的失真和噪聲。通過使每個輸出的傳輸線實(shí)現(xiàn)對稱性,可以避免這種干擾。

可以通過通孔以及良好的布局保護(hù)模擬輸出免受干擾信號影響。信號發(fā)生DAC有3個端口,并帶來了布局挑戰(zhàn):時鐘輸入、模擬輸出和數(shù)據(jù)輸入。如果數(shù)據(jù)輸入走線靠近輸出或時鐘,那么數(shù)據(jù)信號會耦合到這些信號中,在輸出頻譜中引起雜散噪聲。類似地,如果時鐘信號由于不良布局而耦合到模擬輸入中,就會影響所產(chǎn)生信號的完整性。設(shè)計電路板時,通過在數(shù)字電路、時鐘信號和模擬輸出電路之間設(shè)置恰當(dāng)?shù)膭輭荆梢允笵AC實(shí)現(xiàn)最高性能。恰當(dāng)?shù)淖龇ㄊ牵诓煌膶由蟼魉蛿?shù)字信號、時鐘信號和模擬輸出,以最大限度降低這些信號之間的相互影響。圖2顯示了LTC2000的布局,同時顯示了怎樣隔離數(shù)字信號、時鐘信號和模擬輸出。在該圖中,數(shù)字走線布設(shè)在電路板內(nèi)層上,僅通過通孔連接到LTC2000焊盤。時鐘走線非常短,由通孔包圍以隔離信號,而且不會布設(shè)在數(shù)字走線或模擬輸出旁邊。輸出走線要盡可能對稱,并由保護(hù)模擬輸出免受干擾信號影響的勢壘包圍。遵循這些布局指導(dǎo)原則并采用干凈的采樣時鐘,LTC6946和LTC2000就能產(chǎn)生非常干凈的波形,滿足要求最嚴(yán)苛的信號發(fā)生應(yīng)用的需求。

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