梁素龍　高蕊

摘要：在進(jìn)行雷達(dá)信號(hào)處理時(shí)，需要對(duì)回波的數(shù)據(jù)進(jìn)行下變頻以及A/D轉(zhuǎn)換。此時(shí)ADC的性能直接影響后續(xù)的處理效果。ADC的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性中一個(gè)很重要的指標(biāo)就是有效位數(shù)。具體測(cè)試中首先通過MATLAB對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT仿真分析，通過Hanning窗來防止頻譜泄露，之后對(duì)有效位數(shù)公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換得出改進(jìn)后的正弦波測(cè)試方法。經(jīng)過驗(yàn)證該方法在工程應(yīng)用中獲得較好的效果。

關(guān)鍵詞：ADC；信噪比；有效位；快速傅里葉變換

中圖分類號(hào)：TP311文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：At the time of radar signal processing，need to echo data down-conversion and A/D conversion.

The performance of ADC directly affect processing effect.ENOB is a very important parameter in static characteristic and dynamic characteristic.In test，through MATLAB simulation analysis of FFT in the first step，and prevent the spectrum leakage by Hanning window.Then conclude the improved sine wave test method by formula conversion of ENOB.Good effects were obtained in application test.

Key words：A/D converter；SNR；ENOB（effective number of bits）；FFT

0引言

為方便數(shù)字信號(hào)處理，接收前端往往會(huì)通過A/D芯片對(duì)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。在實(shí)際工程應(yīng)用中一方面要求ADC有比較高的采樣率以獲得高帶寬的輸入信號(hào)，另一方面又要有比較高的bit位數(shù)從而分辨信號(hào)細(xì)微的變化。因此高速采樣情況下轉(zhuǎn)換的精度是一個(gè)關(guān)鍵的問題。同時(shí)在硬件設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到ADC板的可測(cè)試性，只有通過相關(guān)的測(cè)試才能確定電路的性能以及PCB板設(shè)計(jì)是否合理。[8]因此有必要對(duì)ADC芯片相關(guān)參數(shù)有進(jìn)一步的理解。

文中通過對(duì)A/D芯片參數(shù)的介紹，以及MATLAB的仿真，并對(duì)芯片手冊(cè)中的公式進(jìn)行簡(jiǎn)化。最終通過實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證方法的可靠性。

1ADC的主要靜態(tài)特性參數(shù)

靜態(tài)特性參數(shù)主要包括失調(diào)誤差、增益誤差、微分非線性誤差（DNL）、積分非線性誤差（INL）。在進(jìn)行ADC靜態(tài)參數(shù)測(cè)試時(shí)，采用碼密度直方圖測(cè)試法。由于該測(cè)試方法是通過概率的方式進(jìn)行的因此需要大量的測(cè)試樣本。

2ADC的主要?jiǎng)討B(tài)特性參數(shù)

動(dòng)態(tài)特性參數(shù)主要包括信噪比、有效位數(shù)、無雜散動(dòng)態(tài)范圍、總諧波失真等，下面對(duì)上述參數(shù)逐個(gè)詳細(xì)說明。

21信噪比SNR（Signalto Noise Ratio）

信噪比SNR指的是輸入信號(hào)和噪聲（不包括任何諧波和直流）的功率比，是一種用于定義器件內(nèi)部噪聲大小的基本參數(shù)。理想情況下表達(dá)式為：

SNR=6.02N+1.76 dB（1）

其中N表示比特位數(shù)。

22有效位數(shù)ENOB（Effective Number of Bits）

有效位數(shù)是將傳輸信號(hào)轉(zhuǎn)換成等效比特分辨率。芯片手冊(cè)中給出ENOB，單位為bits。表達(dá)式為：

ENOB=SINAD-1.766.02（2）

其中SINAD（Signal to Noise And Distortion）是信納比，指信號(hào)均方根振幅與所有頻譜分量（包括諧波但不含直流）均方根和之比，在實(shí)際應(yīng)用中希望SINAD的值越趨近于SNR值越好。1.76為理想ADC的量化噪聲。

23無雜散動(dòng)態(tài)范圍SFDR（Spuriousfree Dynamic Range）

SFDR是指基本頻率與雜波信號(hào)最大值之比，負(fù)責(zé)表征量化整個(gè)系統(tǒng)的失真的指標(biāo)。由于雜波通常表示器件輸入與輸出之間的非線性，因此產(chǎn)生與各個(gè)諧波中。

24總諧波失真THD（Total Harmonic Distortion）

THD是指輸入信號(hào)與所有諧波的總功率比?？傊C波失真用以表達(dá)其對(duì)信號(hào)的諧波含量的作用或者影響，提供了系統(tǒng)對(duì)稱和非對(duì)稱非線性產(chǎn)生的總失真大小。

3動(dòng)態(tài)測(cè)試方法

ADC的動(dòng)態(tài)測(cè)試方法一般采用FFT的方法，該測(cè)試方式可以同時(shí)對(duì)多個(gè)頻率進(jìn)行采樣，測(cè)試效率比較高并且可以充分利用。同時(shí)也可以全面的反映出ADC的動(dòng)態(tài)參數(shù)。

進(jìn)行理論仿真測(cè)試時(shí)設(shè)輸入信號(hào)幅度為0.8Vpp，頻率30 MHz，無噪聲，ADC采樣時(shí)鐘為40 MHz，量化位數(shù)為14bit，進(jìn)行仿真頻域圖如圖1所示：

從圖上可以得出其信噪比較差，信號(hào)寬度過大。信噪比=23.9957，有效位數(shù)=3.6935。和實(shí)際14bit相差甚遠(yuǎn)。通過實(shí)驗(yàn)，hanning窗可以有效抑制譜泄露，仿真結(jié)果如圖2所示：

從圖上可以得到信噪比= 84.4200，有效位數(shù)= 13.7307，與理論值14bit基本接近，符合仿真輸入的條件。

4改進(jìn)正弦波測(cè)試

實(shí)際中采用芯片為ADI公司的AD6645，該芯片是一款高速、高性能、14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。在測(cè)試時(shí)具體過程為：由信號(hào)源生成正弦波輸入到待測(cè)試的ADC芯片后，經(jīng)過ADC芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，將所得到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行采集和存儲(chǔ)后，送入PC機(jī)通過MATLAB對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換從而計(jì)算出相關(guān)的動(dòng)態(tài)參數(shù)。endprint

但是測(cè)試時(shí)信號(hào)源不可能輸出理想的正弦波，而是包含噪聲和諧波分量的信號(hào)，表達(dá)式如下：

其中第一項(xiàng)A02是常數(shù)項(xiàng)，是直流分量；Ancos（nΩt+φn）為n次諧波，An為n次諧波的振幅，φn是其初相角。由此可表明周期信號(hào)可以分解為各次諧波分量。n（t）為包含噪聲。

對(duì)于信號(hào)源性能是由信噪比SNR指標(biāo)來衡量的，并且任何一個(gè)信號(hào)源的信噪比在相當(dāng)大范圍內(nèi)基本不會(huì)變化，換句話說當(dāng)輸出信號(hào)幅度衰減k倍時(shí)，噪聲功率將衰減k2倍。輸出信號(hào)諧波幅度一般也是和信號(hào)幅度按同比衰減。而對(duì)于ADC系統(tǒng)而言固有的噪聲則是和輸入信號(hào)幅度不相關(guān)的，并不會(huì)受輸入信號(hào)幅度的影響。[5]因此當(dāng)信號(hào)幅度衰減k倍時(shí)，測(cè)量得到的信噪諧波比可表示為：

SINAD=10lgSIN2/k2NIN2/k2+N2ADC （4）

其中SIN是信號(hào)源輸入信號(hào)幅值，即有用信號(hào)；NADC是ADC 系統(tǒng)固有的噪聲影響，該參數(shù)在測(cè)量結(jié)果中會(huì)有所反映。而NIN則是由信號(hào)源測(cè)試設(shè)備帶來的，該參數(shù)在測(cè)試中不是關(guān)注對(duì)象，因而要求在測(cè)試過程中想辦法去掉該項(xiàng)的影響。

根據(jù)上述公式計(jì)算得到真實(shí)信噪比為：66.9232，真實(shí)有效位數(shù)為：10.8243。查閱AD6645的手冊(cè)，工作在40 MHz附近時(shí)，信噪比為73.5 dB左右，計(jì)算得到有效位數(shù)為11.9。加上信號(hào)傳輸、接頭干擾和板上其它器件的影響，有效位數(shù)應(yīng)該進(jìn)一步降低。因而該測(cè)試方法更加接近實(shí)際使用情況。

5小結(jié)

在實(shí)際工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)如果簡(jiǎn)單的采用均方差的方式對(duì)信號(hào)的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行變換，測(cè)試結(jié)果往往偏高。但是采用本文中的方式，規(guī)避的了信號(hào)源的影響，較真實(shí)的體現(xiàn)了ADC系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。在測(cè)試時(shí)需要注意為減少偶然誤差的影響盡可能要取多次測(cè)試結(jié)果進(jìn)行平均。此外k1和k2的取值相差不宜太小。在實(shí)際工程測(cè)試中已經(jīng)采用并獲得較好的效果。

參考文獻(xiàn)

[1]駱麗娜，楊萬全.高速ADC的性能參數(shù)與測(cè)試方法[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù) 2007 ：145-147.

[2]謝鵬.高速ADC器件的動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)研究 [D].成都：電子科技大學(xué)，2009.

[3]AD6645芯片手冊(cè)[M].2008.

[4]董永新.ADC測(cè)試技術(shù)研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2013.

[5]邱兆坤，王偉，馬云，等.一種新的高分辨率ADC有效位數(shù)測(cè)試方法[J].國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，26（4）：1-5.

[6]張志強(qiáng)，阮黎婷，倪濤，等.ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器有效位計(jì)算[J].電子科技，2010，23（3）：84-86.

[7]陳曉勇.高速高分辨率ADC的測(cè)試研究[D].上海：復(fù)旦大學(xué)，2014.

[8]戴瀾.姜巖峰.劉文楷.基于MATLAB的高速高精度ADC測(cè)試研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2010，18（9）：2044-2049.

[9]朱江.高精度ADC測(cè)試技術(shù)研究[J].電子與封裝，2014，14（9）：9-15.

[10]夏達(dá)方.高速ADC測(cè)試技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].武漢：華中科技大學(xué)，2015.

[11]李海濤，李斌康，阮林波 等.高速高分辨率ADC有效位測(cè)試方法研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39（5）：41-43.endprint