孔径抖动对中频采样系统信噪比影响的研究
时钟抖动对中频线性调频采样及脉冲压缩影响的研究
北京
杨 汝 良
北京 １ ０ ９ ） ０ １０
１０３） ０ ０ ９
（ 中国科 学院电子 学研究所
（ 中国科 学院研究生院 摘
要：时钟抖动是模数转换过程 中影响信号信噪 比的最主要因素之一 。 该文从 时域连续信号角度 出发，按照高斯
随机过程模型， 分析 了时钟抖动对基带和 中频线性调频信号信噪 比的影响并给出了近似 公式。 结合量化噪声的影响， 可定量计算影响信噪比各因素之间的关系。 仿真结果表 明适用于模数转换后所得离散数字信号信噪 比计算。 合成孔 径雷达经过脉冲压缩得到图像，为了抑制旁瓣需要使用窗 函数加权 ， 分析 了时钟抖动在加窗前后对脉冲压缩 时峰值
ｂ ｓｂ ｎ ｎ ｔｒ ｄａｅｆｅｕ ｎ ｙｓｍｐｉｇｄ ｅ ｏｃｏｋｊ ｔｒ Ｔ ｋｎ ｔ ｃｏ ｎ ｈ ｕ ｎ ｉ ｔ ｎｎ ｉ ， ｎ ａｅ ａ ｄａ ｄｉ ｅｍｅ ｉｔ ｑ ｅ ｃ ａ ｌ ｕ ｌｃ ｔｅ． ａ ｉｇｉ ｏａｃ ｕ ｔ ｅｑ ａ ｔ ａｉ ｏｓ ａ ｎ ｒ ｎ ｔ ｉ ｎ ｔ ｚ ｏ ｅ
（ ｒｄａｅＵ ｉ ｒ ｔ ｏ ｅＣ ｉｅｅ ｃｄｍ ｉ ｃｓ Ｂ ｉｎ ００ ９ Ｃ ｉａ Ｇ ａｕ ｔ ｎ ｅ ｉ ｔ ｈ ｓ Ａ ａｅ ｙｏ Ｓ ｅ ｅ ｅ ｉ １０３ ， ｈｎ） ｖ ｓｙ ｆｈ ｎ ｆ ｃｎ ， ｊｇ Ａ ｓ ａｔＣｏｋ ｉｅ ｎ ｆｈ ｓ ｉ ｐ ｒ ｔ ｎ ａｔｒｔａ ａｆ ｔ ｔｅ ｉ ａ ｔ－ ｏ ｅ ａｅ Ｎ ）Ｂ ｓｄｏ ｂｔ ｃ： ｌ ｔ ｒｓ ｅ ｅ ｔｍ ｏｔ ｉ ｃ ｓ ｈｔ ｆｃｓ ｈ ｇ ｌｏＮ ｉ ｔ（ Ｒ ． ａｅ ｒ ｃ ｊｔ ｉｏ ｏ ｔ ｍｏ ａｏ ｆ ｏ ｅ Ｓ ｎ — ｓＲ Ｓ ｎ
旁 瓣 比和 积 分 旁 瓣 比的 影 响 。 最 后 讨 论 了 一 些减 小 时钟 抖 动 的 具体 措 施 。 关 键 词 ：合 成 孔 径 雷 达 ： 时 钟 抖 动 ； 线 性 调 频信 号 ： 中频 采 样 ；信 噪 比 ；脉 冲 压 缩
一种LRM结构的高速采集设计
一种LRM结构的高速采集设计陈勇;张卫清【摘要】给出了一种基于在线可更换模块(LRM)结构的八通道高速采集板卡设计.板卡上集成了一款高性能的现场可编程门阵列(FPGA)和4片高速模数转换器(ADC)芯片,其适应JESD204B (Subclass 1)标准协议.ADC采样率为1 Gsps,数字化处理后的IQ数据通过24根光纤送往后续系统,该设计可广泛应用于电子战和宽带数字接收机中.【期刊名称】《舰船电子对抗》【年(卷),期】2018(041)001【总页数】4页(P106-109)【关键词】模数转换器;在线可更换模块;电子战【作者】陈勇;张卫清【作者单位】中国电子科技集团公司第三十八研究所,安徽合肥230088;中国电子科技集团公司第三十八研究所,安徽合肥230088【正文语种】中文【中图分类】TP2740 引言在线可更换模块(LRM)结构有着非常明显的特点和独特的优势。
在电讯方面其模块功能独立化, 在结构方面要求模块具有尺寸互换性, 连接配合等部分的几何参数独立化, 必须能通用、互换或兼容。
要满足该要求, 首先电讯设计上要高度集成化；其次在结构上也一改原来在线可更换模块(LRU) 的结构形式, 以新的结构模块及各种模块技术来使结构设计达到新的水平, 以实现与国外先进的模块技术同步发展。
该结构已在联合标准化航电系统架构协会(ASAAC)广泛采用。
1 高速采集简介数据采集技术是一种流行且实用的电子技术。
它广泛应用于电子对抗、雷达探测、信号处理、仪器仪表等领域[1]。
近年来, 随着数字化技术的不断发展, 数据采集技术也呈现出速度更高、通道更多、数据量更大的发展态势。
要设计先进的多通道高速数据采集电路, 必须有效解决高速采集、高速处理和高速数据传输三大难题[2]。
本文以一个典型的采集电路为例, 介绍电子战领域中一款高速数据采集电路的设计。
2 硬件设计这里的八通道高速采集板主要由4片模数转换器(ADC)(8个通道)、1个高性能现场可编程门阵列(FPGA)、2个多通道光纤模块和1个二代LRM连接器组成。
孔径时间、孔径抖动、孔径延迟时间
MT-007TUTORIAL 孔径时间、孔径抖动、孔径延迟时间——正本清源作者：Walt Kester简介在ADC和采样保持器(SHA)的技术规格中，误解最深、滥用最多的可能是那些包含“孔径”的规格。
图1给出了一个简单的模型，SHA最基本的动态特性是它能够快速断开保持电容与输入缓冲放大器的连接。
一直以来，这一动作所需的极短（但非零）时间间隔称为“孔径时间”（或“采样孔径”）t a。
此间隔结束时电压保持的实际值取决于输入信号压摆率和开关操作本身引入的误差。
图1显示对两个任意斜率的输入信号（分别标为1和2）应用保持命令时的情况。
为清楚起见，采样保持基底误差和开关瞬态忽略不计。
最终保持的值是输入信号的延迟版本，并且是开关孔径时间范围内的平均值。
该一阶模型假设，保持电容上的最终电压值约等于应用于开关的信号在开关从低阻抗变为高阻抗的时间间隔(t a)内的平均值。
图1：采样保持波形和定义该模型显示，开关断开所需的有限时间(t a)相当于在驱动SHA的采样时钟中引入一个小延迟t e。
此延迟为常数，可以是正值，也可以是负值。
图中显示，两个信号虽然斜率不同，但适用同一t e值。
此延迟t e称为“有效孔径延迟时间”、“孔径延迟时间”或“孔径延迟”。
在ADC中，孔径延迟时间参考转换器的输入，必须考虑通过输入缓冲器的模拟传播延迟t da 和通过开关驱动器的数字延迟t dd的影响。
以ADC输入为基准，孔径时间t e'定义为前端缓冲器的模拟传播延迟t da与开关驱动器数字延迟t dd的时间差加上孔径时间的一半t a/2。
有效孔径延迟时间通常为正值，但如果孔径时间的一半t a/2与开关驱动器数字延迟t dd之和小于通过输入缓冲器的传播延迟t da，则它也可以是负值。
因此，孔径延迟规格确定了输入信号相对于采样时钟沿的实际采样时间。
孔径延迟时间可以通过如下方法来测量：对ADC应用一个双极性正弦波信号，然后调整同步采样时钟延迟时间，使得ADC的输出为中间电平（对应于正弦波的零交越点），输入采样时钟沿与输入正弦波实际零交越点之间的相对延迟即为孔径延迟时间，如图2所示。
MT-007 孔径时间、孔径抖动、孔径延迟时间——正本清源
MT-007TUTORIAL 孔径时间、孔径抖动、孔径延迟时间——正本清源作者：Walt Kester简介在ADC和采样保持器(SHA)的技术规格中，误解最深、滥用最多的可能是那些包含“孔径”的规格。
图1给出了一个简单的模型，SHA最基本的动态特性是它能够快速断开保持电容与输入缓冲放大器的连接。
一直以来，这一动作所需的极短（但非零）时间间隔称为“孔径时间”（或“采样孔径”）t a。
此间隔结束时电压保持的实际值取决于输入信号压摆率和开关操作本身引入的误差。
图1显示对两个任意斜率的输入信号（分别标为1和2）应用保持命令时的情况。
为清楚起见，采样保持基底误差和开关瞬态忽略不计。
最终保持的值是输入信号的延迟版本，并且是开关孔径时间范围内的平均值。
该一阶模型假设，保持电容上的最终电压值约等于应用于开关的信号在开关从低阻抗变为高阻抗的时间间隔(t a)内的平均值。
图1：采样保持波形和定义该模型显示，开关断开所需的有限时间(t a)相当于在驱动SHA的采样时钟中引入一个小延迟t e。
此延迟为常数，可以是正值，也可以是负值。
图中显示，两个信号虽然斜率不同，但适用同一t e值。
此延迟t e称为“有效孔径延迟时间”、“孔径延迟时间”或“孔径延迟”。
在ADC中，孔径延迟时间参考转换器的输入，必须考虑通过输入缓冲器的模拟传播延迟t da 和通过开关驱动器的数字延迟t dd的影响。
以ADC输入为基准，孔径时间t e'定义为前端缓冲器的模拟传播延迟t da与开关驱动器数字延迟t dd的时间差加上孔径时间的一半t a/2。
有效孔径延迟时间通常为正值，但如果孔径时间的一半t a/2与开关驱动器数字延迟t dd之和小于通过输入缓冲器的传播延迟t da，则它也可以是负值。
因此，孔径延迟规格确定了输入信号相对于采样时钟沿的实际采样时间。
孔径延迟时间可以通过如下方法来测量：对ADC应用一个双极性正弦波信号，然后调整同步采样时钟延迟时间，使得ADC的输出为中间电平（对应于正弦波的零交越点），输入采样时钟沿与输入正弦波实际零交越点之间的相对延迟即为孔径延迟时间，如图2所示。
高速大容量数据采集系统设计与实现
(3) 孔径抖动 :由于采样时钟受各种随机噪声的 影响而产生抖动 ,造成采样延迟的变化 ,即两个采样 点之间的孔径延迟的变化 ,形成孔径抖动 。孔径抖 动与信噪比之间存在关系 :
Design of High - speed and Large - scale Data Acquisition System Zhang Weijie[1 ,2] Hou Xiaomin[1]
(11Department of Electronic Engineering , Beijing Institute of Technology , Beijing 100081 , China 21 Department of Electronic Engineering , Tsinghua University , Beijing 100084 , China)
(1) 电源设计方面 :设计全系统电源时 ,按照高 速电路设计理论 ,AD 采集系统中的电源应当采用线 性电源 ,避免开关电源引入噪声 ,经试验验证 ,前者 设计可以提高一位有效位数 。为了降低电源阻抗 , 减小噪声对电源的干扰 ,通常采用电源层设计 ,尽可 能增大电源面积 。设计每个芯片的供电通路时 ,需 要在每个芯片的电源附近并联去耦电容和旁路电
通过上述动态指标计算 ,可以得到模数转换器 的位数、最高时钟频率、模拟输入范围等参数 ,进而计 算出分辨率等参数 ,即可选择所需的模数转换器[3] 。 313 模拟信号调理电路设计
模拟信号调理电路是被采样信号的输入通道 , 在保证被测信号不失真的前提下 ,对输入的信号进 行低噪声放大 、滤波等预处理 。高速数据采集系统 的输入信号通常为高频信号 ,需要进行阻抗匹配和
时钟抖动和相位噪声对采样系统的影响
时钟抖动和相位噪声对采样系统的影响时钟抖动是指时钟信号的频率波动或不稳定性，而相位噪声是指时钟信号中相位的随机波动。
在采样系统中，时钟抖动和相位噪声会对其性能产生一定的影响。
首先，我们来看时钟抖动对采样系统的影响。
时钟抖动可能导致时间间隔的不准确性，从而使得采样时间点存在偏差，进而导致采样结果的失真。
时钟抖动会引入抖动噪声，使得采样信号的频谱产生扩展。
当时钟抖动频谱与被采样信号的频谱重叠时，抖动噪声就会造成重叠失真。
此外，时钟抖动还会导致采样间隔的不稳定性，进而影响采样系统的稳定性和性能。
为了降低时钟抖动的影响，可以采用低抖动时钟源、时钟锁相环等技术手段。
其次，相位噪声也会对采样系统产生影响。
相位噪声会引入相位抖动，使得采样时钟信号的相位发生随机变化。
相位抖动会使得采样时钟与被采样信号的相位不匹配，进而导致采样结果的失真。
与时钟抖动类似，相位噪声也会使得采样信号的频谱产生扩展，从而引入抖动噪声和重叠失真。
为了降低相位噪声的影响，可以采用相位锁定环、数字时钟恢复等技术手段。
总的来说，时钟抖动和相位噪声共同对采样系统产生影响。
它们会引入采样误差，使得采样结果发生畸变、频谱扩展、信噪比下降等问题。
尤其是当时钟抖动和相位噪声达到一定水平时，会导致采样系统无法正常工作。
因此，在设计采样系统时，需要选择合适的时钟源，并采取相应的电路和算法措施，以降低时钟抖动和相位噪声的影响。
总结起来，时钟抖动和相位噪声对采样系统的影响主要体现在频谱扩展、抖动噪声、重叠失真等方面。
为了降低其影响，应选择低抖动时钟源，采用锁相环、相位锁定环等技术手段，并加强对时钟信号的稳定性和准确性的控制。
只有有效地控制时钟抖动和相位噪声，采样系统才能获得更好的性能和更准确的采样结果。
随机抖动提高采样系统分辨率的原理
随机抖动提高采样系统分辨率的原理一、引言随着科技的不断进步，采样系统的分辨率要求也越来越高。
传统的提高分辨率方法主要包括增加采样点数量以及改善传感器的性能。
然而，这些方法往往需要更多的资源和成本。
近年来，一种新的方法被提出，即通过随机抖动技术来提高采样系统的分辨率。
本文将深入探讨随机抖动提高采样系统分辨率的原理。
二、随机抖动的概念随机抖动是一种通过在采样过程中引入噪声来提高分辨率的方法。
其原理是通过对输入信号进行微弱的变化，将采样结果的噪声分散到一个更宽的频率范围内，从而实现了更高的分辨率。
三、采样系统的基本原理为了更好地理解随机抖动提高采样系统分辨率的原理，首先需要了解采样系统的基本原理。
采样系统的输入信号经过传感器转化为数字信号，再经过滤波和转换等处理，最终得到采样结果。
四、传统的提高分辨率方法在深入研究随机抖动原理之前，让我们先来了解一下传统的提高分辨率方法。
常见的方法包括增加采样点数量、改善传感器的性能以及采用更高精度的模数转换器等。
4.1 增加采样点数量增加采样点数量是一种常见的提高分辨率的方法。
通过增加采样点的数量，可以更细致地描述输入信号的变化，从而提高系统的分辨率。
然而，增加采样点数量会增加系统的计算复杂度和存储需求，同时也会增加系统的成本。
4.2 改善传感器的性能改善传感器的性能是另一种常见的提高分辨率的方法。
传感器的性能包括信噪比、线性度、灵敏度等指标。
通过改善传感器的性能，可以减少噪声的影响，提高系统的分辨率。
然而，改善传感器的性能需要更高的技术要求和成本。
4.3 采用更高精度的模数转换器模数转换器是采样系统中的关键组成部分，它将模拟信号转换为数字信号。
采用更高精度的模数转换器可以提高系统的分辨率。
然而，高精度的模数转换器通常需要更多的功耗和更高的成本。
五、随机抖动提高分辨率的原理随机抖动是一种通过引入噪声来提高分辨率的方法。
其基本原理是将输入信号进行微小的变化，使采样结果的噪声分散到一个更宽的频率范围内，从而实现更高的分辨率。
随机抖动提高采集系统分辨率的原理
随机抖动提高采集系统分辨率的原理随着科技的不断发展，采集系统的应用越来越广泛。
但是，采集系统在采集过程中会受到各种干扰，导致采集结果不准确。
为了提高采集系统的分辨率和精度，科学家们提出了一种新的方法——随机抖动。
随机抖动是一种通过对采集系统的输入信号进行微小的、随机的扰动来提高采集系统分辨率和精度的方法。
通过随机抖动，可以使采集系统的分辨率和精度提高数倍，从而获得更准确、更精细的采集数据。
随机抖动的原理是利用采集系统的噪声特性。
在采集系统中，存在各种噪声，如热噪声、量化噪声、干扰噪声等。
这些噪声会影响采集系统的精度和分辨率。
但是，这些噪声是随机的，无法预测和控制。
因此，科学家们想到了利用这些噪声来提高采集系统的分辨率和精度。
具体来说，随机抖动的原理是在采集系统的输入信号上加上一个微小的、随机的扰动。
这个扰动可以是噪声信号，也可以是随机信号。
这个扰动的幅度很小，一般只有几个最小单位，但是它可以改变采集系统的输出结果。
由于这个扰动是随机的，因此每次扰动的幅度和方向都不同，从而使采集系统的输出结果也不同。
通过对多次采集结果进行平均，可以得到更准确、更精细的采集数据。
随机抖动的优点是可以提高采集系统的分辨率和精度，同时不需要改变采集系统的硬件结构和软件算法。
因此，随机抖动可以很容易地应用于各种采集系统中。
此外，随机抖动的方法简单、易于实现，可以在很短的时间内获得更准确、更精细的采集数据。
但是，随机抖动也存在一些问题。
首先，随机抖动需要对采集系统进行多次采集和平均，这会增加采集时间和计算量。
其次，随机抖动只适用于某些特定类型的采集系统，对于一些高速、高精度的采集系统效果不明显。
最后，随机抖动会增加采集系统的功耗和噪声，可能会对采集系统的稳定性和可靠性造成影响。
总之，随机抖动是一种提高采集系统分辨率和精度的有效方法。
通过随机抖动，可以利用采集系统的噪声特性，提高采集系统的分辨率和精度，获得更准确、更精细的采集数据。
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第3期2004年3月电 子 学 报ACT A E LECTRONICA SINICAV ol.32 N o.3M ar. 2004孔径抖动对中频采样系统信噪比影响的研究曹 鹏,费元春(北京理工大学信息科学技术学院电子工程系,北京100081) 摘 要: 孔径抖动对中频(或射频)带通采样系统信噪比的影响非常严重.理论上,尽管相同带宽的中频信号和基带信号可以用相同的频率进行采样,但中频采样受孔径抖动等因素的影响更大,其采样技术要求也更高.如果在中频采样系统中解决不好孔径抖动问题,很可能根本采集不到正确的信号.本文通过分析孔径抖动产生的原因,孔径抖动与ADC(模数转换器)的信噪比以及与被采样信号上限频率之间的关系,找出了由孔径抖动决定的被采样信号的上限频率与ADC模拟带宽之间存在差距的原因,并发现了过采样率与处理增益及孔径抖动之间的关系.最后,介绍了几项减小孔径抖动的具体措施.关键词: 孔径抖动;带通采样;基带采样;信噪比;高速ADC;数字中频采样中图分类号: T N801,T N79+2 文献标识码: A 文章编号: 037222112(2004)0320381203A Re search for the E ffect on the SNR of IFSampling System Due to Aperture JitterC AO Peng,FEI Y uan2chun(Dept o f Electronic Engineering,School o f Information Science&Technology,Beijing Institute o f Technology,Beijing100081,China)Abstract: Aperture jitter heavily affects the per formance of an intermediate frequency or radio frequency bandpass sam pling system.In theory,although the IF signal and baseband signal with the same bandwidth can be sam pled using the same frequency,sam2 pling an IF signal is effected by jitter m ore badly,and its sam pling techniques are m ore difficult.I f the aperture jitter issues of IF sam2 pling system can not be well s olved,it will be very possible to miss the right digital signal.The paper analyzes the causation of inducing aperture jitter,and the relationships between aperture jitter,S NR of ADC and the highest frequency of sam pled signal.I t presents the reas ons of introducing the error between the highest frequency of sam pled signal and analog bandwidth of ADC,and finds out the rela2 tionship of over2sam pling ratio and gain processing and aperture jitter am ong IF sam pling system.At last,it introduces several actual methods to reduce the aperture jitter.K ey words: aperture jitter;bandpass sam pling;baseband sam pling;signal2to2noise ratio;high speed ADC;digital intermediate frequency sam pling1 引言 中频(或射频)带通采样技术已被广泛应用于现代军用或商用无线通信领域,如软件无线电、数字化基站、数字射频存储、数字中频接收机等.理论上,根据耐奎斯特定理和香农定理,可以用两倍以上信号带宽的采样速率对中频带通信号实现无失真的采样,也就是说可以用较低频率的采样信号去采样频率很高的中频信号.另外,有些文献中也介绍了中频过采样和欠采样技术的种种好处,如欠采样有下变频功能,过采样可以提高ADC的信噪比,可以用过采样率换取相应的ADC “处理增益”等[1～4].但与基带采样技术相比,中频采样受孔径抖动等因素的影响更严重,其采样难度更大,要实现中频采样并能充分发挥其优点,还有很多技术和理论上的问题都需要考虑和解决,其中之一就是孔径抖动问题.如果解决不好孔径抖动问题,很可能就根本采集不到正确的信号.目前,国内外对高速信号采集系统中的孔径抖动问题越来越重视,这方面的研究也越来越多,但从理论上尚没有对由孔径抖动决定的被采样信号的最高频率与ADC模拟带宽之间的关系,以及中频带通采样系统中的过采样率与ADC的“处理增益”和孔径抖动之间的关系进行过专门研究.本文通过分析孔径抖动产生的原因及其与ADC的信噪比、被采样信号的上限频率之间的关系,找出了由孔径抖动决定的被采样信号的上限频率与ADC模拟带宽之间存在差距的原因,发现了中频采样系统的过采样率与“处理增益”和孔径抖动之间的关系,并介绍了几项减小孔径抖动的具体措施.2 产生孔径抖动的原因 由于采保电路工作时存在充放电时间,造成实际被采样点与理想采样点之间存在着时间延迟,即孔径时间.固定的孔收稿日期:2002211204;修回日期:2003203228基金项目:国防武器装备预研项目(N o.40405030203)径时间对A/D 变换的影响可以通过软件或硬件修正,对A/D变换的精度并没有影响.但孔径时间的不确定性,即孔径抖动,会导致A/D 变换精度和信噪比下降,且当被采样信号的频率越来越高时,这种影响也变得越来越严重.特别是采样中频或射频信号(如图1所示),由于被采样信号的频率往往从几十到几百MH z ,这时孔径抖动将严重地影响A/D 变换的精度和信噪比,甚至根本采集不到正确信号.导致孔径抖动的主要原因是采保电路开关时间不恒定性,还有采样时钟的相位噪声以及系统热噪声.把这三种因素综合起来,则采样系统的孔径抖动t jitter 可表示为t jitter =t 2T-jitter+t 2T/H-jitter+t 2ε-jitter (1)其中,t T -jitter表示采样时钟相位抖动,用t T/H-jitter表示采保电路的开关时间的抖动,用t ε-jitter表示系统热噪声带来的等效抖动时间,以上各变量都是均方根值.图1 RF 或IF 带通采样系统3 孔径抖动引起的误差分析[5,6] 假设被采样的满度信号为v (t )=A sin (2πft ),斜率为dv/dt =A ・2πf cos (2πft ).显然其最大斜率点在正弦信号的过零点,即dvdtmax=dv dtt =0=A ・2πf (2)对一个已知的采样系统而言,由于ADC 芯片、时钟及其布线和系统的热噪声的均方根值都可以近似的看成已知量,所以孔径抖动t jitter 可以被看成定值,由此带来的最大误差电压值Δv max (均方根值)为Δv max =dv dtmax×t jitter =2πfAt jitter (3)式(3)表明对于一个已知的采样系统,误差电压与输入信号频率f 成正比例关系.在设计采样系统时,为了保证A/D变换的精度,此误差电压必须在±12LS B 范围内(LS B 是A/D变换的最低有效位),即Δv =dv dtmax×t jitter =2πfA (4)所以当系统的孔径抖动t jitter 一定时,在保证A/D 变换的N 位有效位的条件下,系统能精确采样的模拟信号的最高频率为f max =12πt jitter ×2N(5)式(5)表明了采样系统的孔径抖动和ADC 的分辨率N 决定着能被精确采样的正弦信号的上限频率.如14位的ADC ,当其采样系统的孔径抖动为017ps 时,为了保证14位精度,则被采样模拟信号的最高频率不能超过1314MH z .反之,当输入信号的频率为f 时,在保证A/D 变换的N 位有效位的条件下,则采样系统允许的孔径抖动必须满足下式t jitter ≤12πf ×2N (6)上述推导结果与有些ADC 的技术参数之间存在着较大差别.如14位的A/D 变换器AD6644和AD6645,其采样率分别可以达到65Msps ,80Msps ,模拟输入带宽(3dB 功率压缩点)都为250MH z ,孔径抖动分别小于013ps 和012ps.把这些参数分别代入式(5),并假设孔径抖动分别为0.4ps 和013ps ,则可推出AD6644,AD6645能够精确采样的模拟信号的最高频率分别为2413MH z 和3214MH z ,远远低于其模拟带宽250MH z.为什么会有这么大的差别?分析其原因,主要是因为后者计算(或测试时)时,使用的是ADC 的有效位(E NOB )而不是分辨率N ,且孔径抖动只考虑了ADC 采保电路自身的孔径抖动.如果把式(5)中的分辨率N 分别代入AD6644,AD6645的有效位1118和1210,并把孔径抖动分别代入013ps 和012ps ,则可推出AD6644,AD6645能够精确采样的模拟信号的最高频率分别为149MH z 和194MH z ,如果再考虑3dB 压缩点等,则可证明推导结果与AD6644和AD6645的模拟带宽250MH z 就非常接近.4 孔径抖动对采样系统信噪比的影响 仍然假设被采样的满度正弦信号为v (t )=A sin (2πft ),dv/dt =A ・2πf cos (2πft ),则电压变化率的均方根值为dv dtRMS=1T∫Tt =0dv dt2dt =2πfA 2(7) 由采样系统的孔径抖动t jitter 引起的误差电压(均方值)为Δv RMS =2πfA 2×Δt RMS =2πfA 2×t jitter (8)则ADC 的信噪比为SNR =10lgv signal 2RMS v noise 2RMS2=20lgA/2v noise 2RMS=20lg 12πf ×t jitter(9)v noise 2RMS v RMS(10)v noise 2RMS 表示宽带噪声电压均方根值,其频谱分布在整个奈奎斯特带宽内,即0～f a /2内,f a 是采样频率.对于IF (或RF )带通采样系统而言,一般情况下,信号带宽f BW 远远小于耐奎斯特带宽f a /2.因此,带通采样系统的等效噪声电压均方值应为v noise 2RMS2×2f BW f a,f a2f BW,被称为过采样率.所以,更SNR B P 应为SNR B P =10lgv signal 2RMS v noise 2RMS 2×f af BW=20lg v signal 2RMS v noise 2RMS +10lgf a f BW(11)比较式(9)和式(11)可知,带通采样系统与基带采样系统相比,SNR B P 提高了10lgf a 2f BW,这也就是过采样换来的处理增益,即采样频率与2,每提高一倍时采样283 电 子 学 报2004年系统的SNR就增加3dB.假设带通采样系统的孔径抖动为t jitter-B P,则由式(8)和式(11)可得出20lg12πf×t jitter-B P2=10lgv signal2RMSv noise2RMS2×f a2f BW=20lg12πf×t jitter+10lgf a2f BW(12)∴ t jittert jitter-B P=f a2f BW1/2(13)通过比较式(9)与式(11),尽管说明了带通采样系统与基带采样系统相比,信噪比提高了10lgf a2f BW,但式(13)说明了基带采样的孔径抖动t jitter和带通采样的孔径抖动t jitter-B P的比值与过采样率f af BW1/2成正比.显然,相比之下,带通采样系统.由此可见,任何事物都具有两面性,对于带通采样和基带采样也一样.5 减小孔径抖动的措施 通过上述讨论,清楚了带通采样与基带采样相比,在提高信噪比的同时,对采样系统孔径抖动的要求更为严格.也就是说,如果采用带通采样技术来提高采样系统的信噪比,必须相应地减小孔径抖动.对于如何减小孔径抖动,可以根据前面提出的引起孔径抖动的原因主要是采保电路充放电时间抖动不恒定性、采样时钟的抖动和采样系统的热噪声的影响,所以减小孔径抖动的措施也是针对这三个因素而言的[5～8].第一、减小采样脉冲的相位抖动.普通TT L/C OMS时钟源大约就有017ps的相位抖动,显然不能满足对中频(或射频)信号的采样要求.高速带通采样系统必须使用相位噪声更低的时钟信号源.另外,时钟信号的布线也非常讲究,除了要求尽量短之外,一般应加屏蔽,并最好采用差分线传输,晶振的外壳一般要接地,且应该在晶振的地线附近设计一个通孔用螺丝与机壳相连.第二、尽量采用高品质的ADC,如果需要也可采用高性能采保专用电路来减小孔径抖动.如果是集成了采保电路的单片ADC,其采保电路的孔径抖动将直接影响ADC用于高速带通采样时的性能.因此,在同样指标下应选用孔径抖动小的ADC.如AD6645和AD6644,尽管都是14位高速ADC,但由于AD6645的孔径抖动小于012ps,而AD6644的孔径抖动小于013ps.所以,在中频采样系统中,使用AD6645的效果更好.第三、采样部分要用线性电源供电,并最好在电源滤波和退耦电路中用高频特性、漏电流小的钽电容和陶瓷电容,模拟地和数字地要利用高频磁珠单点接地.第四、解决好A/D采样系统的散热问题.ADC和晶振的工作稳定性都与温度有很大的关系.温度升高时,其稳定性变差,孔径抖动增大.并且ADC的功耗与其工作频率基本成正比例关系,采样频率越高时,ADC的功耗越大.所以对中频带通采样系统,应该注意解决好散热问题.6 结束语 现代通信系统,如数字中频接收机、无线局域网、G S M和WC DM A基站等,已广泛采用带通技术对中频或射频信号直接采样.在这些系统中,由于被采样信号和采样频率都很高,孔径抖动对其性能的影响非常严重.所以通过本文介绍,可以帮助正确理解孔径抖动产生的原因,孔径抖动引起的误差计算,孔径抖动与ADC信噪比之间的关系,孔径抖动对输入信号上限频率的限制等.尤为重要的是本文找出了高速基带采样和带通采样的信噪比和孔径抖动之间的关系,其有助于正确理解和利用带通采样技术.参考文献:[1] W alt K ester.High S peed Design T echniques[M].California:AnalogDevices Inc,1996.10-42.[2] P B K enington,L Astier.P ower consum ption of A/D converters for s oft2ware radio applications[J].IEEE T rans on 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