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解析高速信号发生应用中的要求
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2017-11-15
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在高速信号发生应用中，带宽和分辨率是关键要求。新型信号发生应用运用高速数模转换器（DAC）来产生各种不同类型的波形，包括单音直至具数百兆赫兹带宽、复杂的多通道波形。这些应用要求高速DAC足够快，以在不牺牲模拟性能的前提下产生这些波形。在很多信号发生应用中，相位噪声会限制通道的数量以及可能实现的通道间隔。传统上，相位噪声由驱动DAC时钟输入的时钟信号引起，不过DAC增加的任何相位噪声都会出现在输出频谱中，并限制可能产生的信号。对任何通用信号发生应用而言，理想DAC的速度应该尽可能快，且噪声低、线性度高、附加性相位噪声非常低。这些性能规格中的任何一项如果缺失，那么所产生的波形都不足以满足应用的要求。
带宽
在任何信号发生应用中，最重要的设计标准都是带宽。任何设计师都会问到的第一个问题是：需要多大的带宽来产生想要的信号？对于特定信令协议或特定应用，设计师可能需要一定大小的带宽。无论设计师想要实现的带宽有多大，DAC的速度都要至少是想要带宽的2倍。带宽与采样率（fs）之间的这种关系是由哈里-奈奎斯特定义的，描述了信号在采样系统中的表现。
尽管可以产生带宽从DC至fs/2的信号，但是这么做常常不实际，因为输出频谱中会出现所产生信号的镜频信号。镜频信号会出现在N×fs±fout（其中，fout是所产生信号的频率）。实际上，需要重建滤波器来衰减可能出现在输出频谱中任何所产生信号的镜频信号。即使所产生信号的带宽没有延伸到fs/2，但接近于它，镜频信号也会难以滤除。重建滤波器是用真实元件在模拟域实现。与数字滤波器不同，这些元件是非理想的，会导致具纹波及插入损耗的非理想通带。一般而言，这些滤波器阶数越高，产生的纹波和插入损耗就越大，从而使理想滤波器更加难以设计。信号带宽越接近fs/2，滤波器阶数就必须越高，以衰减采样过程中产生的镜频信号。滤波器阶数越高，所需元件就越多，也就会产生更大的插入损耗和通带纹波。
图1：LTC2000建议原理图。
运用采样速率较高的DAC会增大可用带宽，这将降低对滤波器的要求，允许滤波器采用较少的元件，降低复杂性，从而简化设计，产生更好的结果。LTC2000是一款高性能、16位、2.5Gsps高速DAC，具有2.5Gsps采样率，从而fs/2频率为1.25GHz.因此，对于800MHz的信号带宽，在1.7GHz处会有一个镜频信号。在想要的频带和镜频信号频率之间有900MHz.凭借900MHz的保护带，镜频信号可以用简单的低通滤波器轻松滤除。具有较低采样速率的DAC所产生的镜频信号更靠近想要的频率，因此需要更加严格和复杂的滤波器。
要产生带宽延伸到fs/ 2的信号，还有另一个问题，即任何DAC都存在SINC（sin（x）/x）滚降，随着频率升高，这个问题将使所产生的信号衰减。这种滚降在采样频率（fs）处有一个零点，从而不可能产生一个准确出现在采样频率上的信号。所产生的信号只是一个DC电压。对于实际应用而言，大约60%的奈奎斯特区域（DC至fs/2）没有很大的SINC衰减，而可被利用。如果0dB是DC时的信号电平，那么在60%奈奎斯特频率处，信号电平会下降6dB.人们常常在数字域实现这种滚降的反向补偿，以纠正所产生信号的自然滚降。这使DAC能够产生随频率变化具恒定幅度的波形。如果使用更高速度的DAC，那么SINC函数的滚降会随DAC输出频率的升高而减轻。
带宽
在任何信号发生应用中，最重要的设计标准都是带宽。任何设计师都会问到的第一个问题是：需要多大的带宽来产生想要的信号？对于特定信令协议或特定应用，设计师可能需要一定大小的带宽。无论设计师想要实现的带宽有多大，DAC的速度都要至少是想要带宽的2倍。带宽与采样率（fs）之间的这种关系是由哈里-奈奎斯特定义的，描述了信号在采样系统中的表现。
尽管可以产生带宽从DC至fs/2的信号，但是这么做常常不实际，因为输出频谱中会出现所产生信号的镜频信号。镜频信号会出现在N×fs±fout（其中，fout是所产生信号的频率）。实际上，需要重建滤波器来衰减可能出现在输出频谱中任何所产生信号的镜频信号。即使所产生信号的带宽没有延伸到fs/2，但接近于它，镜频信号也会难以滤除。重建滤波器是用真实元件在模拟域实现。与数字滤波器不同，这些元件是非理想的，会导致具纹波及插入损耗的非理想通带。一般而言，这些滤波器阶数越高，产生的纹波和插入损耗就越大，从而使理想滤波器更加难以设计。信号带宽越接近fs/2，滤波器阶数就必须越高，以衰减采样过程中产生的镜频信号。滤波器阶数越高，所需元件就越多，也就会产生更大的插入损耗和通带纹波。
图1：LTC2000建议原理图。
运用采样速率较高的DAC会增大可用带宽，这将降低对滤波器的要求，允许滤波器采用较少的元件，降低复杂性，从而简化设计，产生更好的结果。LTC2000是一款高性能、16位、2.5Gsps高速DAC，具有2.5Gsps采样率，从而fs/2频率为1.25GHz.因此，对于800MHz的信号带宽，在1.7GHz处会有一个镜频信号。在想要的频带和镜频信号频率之间有900MHz.凭借900MHz的保护带，镜频信号可以用简单的低通滤波器轻松滤除。具有较低采样速率的DAC所产生的镜频信号更靠近想要的频率，因此需要更加严格和复杂的滤波器。
要产生带宽延伸到fs/ 2的信号，还有另一个问题，即任何DAC都存在SINC（sin（x）/x）滚降，随着频率升高，这个问题将使所产生的信号衰减。这种滚降在采样频率（fs）处有一个零点，从而不可能产生一个准确出现在采样频率上的信号。所产生的信号只是一个DC电压。对于实际应用而言，大约60%的奈奎斯特区域（DC至fs/2）没有很大的SINC衰减，而可被利用。如果0dB是DC时的信号电平，那么在60%奈奎斯特频率处，信号电平会下降6dB.人们常常在数字域实现这种滚降的反向补偿，以纠正所产生信号的自然滚降。这使DAC能够产生随频率变化具恒定幅度的波形。如果使用更高速度的DAC，那么SINC函数的滚降会随DAC输出频率的升高而减轻。
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h1654155977.6620
2022-08-22
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