信號鏈基礎(chǔ)知識# 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《參考文獻 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 時鐘域的輸入 FIFO、插值數(shù)字模塊、精細頻率分辨率數(shù)字正交調(diào)制、模擬正交調(diào)制器校正以及 sin(x)/x校正（請參見圖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
第一個數(shù)字模塊是插值模塊，它負責增加 DAC 內(nèi)部數(shù)字信號的采樣速率。一般而言，利用兩倍采樣速率增加步驟，來實現(xiàn)插值。利用在輸入采樣點之間插入零來完成這項工作，其在 fIF和 FIN – fIF產(chǎn)生兩個信號。通過一個數(shù)字低通濾波器后，去掉了位于 FIN – fIF的第二個信號，只在 fIF留有信號。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)時鐘周期初期的數(shù)字采樣對輸出振幅進行相應(yīng)的設(shè)置，然后保持住，直到時鐘周期和下一個輸出采樣末端為止。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（請參見圖2），其 f = fs/2時的損耗為 ~ 3.5 dB，并在 fs倍數(shù)時為零。盡管 DAC 輸出在 N*fs +/- fIF時會有信號圖像，但較高奈奎斯特(Nyquist) 區(qū)域的圖像振幅遠低于 fIF處的信號，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以下的輸出信號頻率。另外，fIF處的信號和 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渡頻帶（實信號時 fin > 2.5*BW，復(fù)信號時 fin > 1.25*BW）。利用插值增加采樣速率，可以讓信號輕松地位于 fs/2以下。
增加采樣速率的另一個好處是，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（請參見圖3）。一般而言，復(fù)輸入信號使用復(fù)混頻器，目的是避免混頻過程中產(chǎn)生圖像。混頻輸出可以為實 IF 信號，也可以是復(fù) IF 信號，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 共有的另一個有用的數(shù)字特性—正交調(diào)制器校正模塊。該模塊負責對模擬正交調(diào)制器的增益、相位和偏移失衡進行校正，從而改善 AQM 邊帶抑制度和 LO 饋通性。
最后，位于數(shù)字信號鏈末端的是數(shù)字 FIR 濾波器，它負責對首個奈奎斯特區(qū)域的 Sin(x)/x 高低頻規(guī)律性衰減進行補償。在 DAC34H84實施中，該濾波器可以提供高達 0.4*fDAC的補償，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，通過降低數(shù)據(jù)速率和改善輸出信號特性，讓系統(tǒng)實施變得簡單和容易。
下一次，我們將研究隨機抖動和相位噪聲之間的關(guān)系，敬請期待。
參考文獻
1. “四通道、16 位、1.25 GSPS 數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)，”DAC34H84 產(chǎn)品說明書，LIT#SLAS751A，2011 年6 月。
2. 如欲了解TI DAC 的更多詳情，敬請訪問：www.ti.com/dac-ca。