ADC動(dòng)態(tài)指標(biāo)

信噪比
對(duì)于理想的ADC來(lái)說(shuō)，在奈奎斯特帶寬內(nèi)的量化誤差為一白噪聲隨機(jī)信號(hào)，其量化方差。其中q=2-N為A/D變換器的量化間距，N為A/D字長(zhǎng)N位。
量化噪聲的信噪比為：
SNR=6.02N+1.76+101g(fs/2B)   (1)

式中，N是ADC的位數(shù)，fs是采樣頻率，Ｂ是模擬輸入信號(hào)的帶寬。上式右邊第三項(xiàng)表示增加采樣頻率(過(guò)采樣)可提高信噪比。

有效位數(shù)
實(shí)際上ＡＤＣ的誤差表現(xiàn)為靜態(tài)及動(dòng)態(tài)非線性誤差，并且動(dòng)態(tài)誤差隨輸入信號(hào)壓擺率的增加而變大。因此實(shí)際測(cè)量的信噪比要比理論上的小一些。計(jì)算有效位數(shù)(ENOB)可以從對(duì)方程(1)的N求解得到。
ENOB(N)=[SNR-1.76-101g(fs/2B)]/6.02   (2)

頻譜儀和信號(hào)分析儀內(nèi)部的ADC指標(biāo)評(píng)估

ADC動(dòng)態(tài)所影響的信號(hào)分析儀指標(biāo)
典型的頻譜儀電路框圖如圖1所示。其中ADC處于中頻信號(hào)之后，對(duì)中頻(或視頻)信號(hào)進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換。ADC的性能影響到頻譜儀的噪聲和信噪比等指標(biāo)，還影響到頻譜儀的失真指標(biāo)，包括諧波、雜散和互調(diào)失真。
   &

對(duì)于現(xiàn)代信號(hào)分析儀來(lái)說(shuō)，中頻和視頻信號(hào)的處理基本采用數(shù)字技術(shù)和矢量分析(IQ分析)技術(shù)。因此，DAC所造成的影響就顯得十分重要。

舉例分析ADC動(dòng)態(tài)所影響的信號(hào)分析儀指標(biāo)以羅德與施瓦茨公司FSQ為例，對(duì)于A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)分析部分進(jìn)一步分析，框圖如圖2。
                 
                                        ADC動(dòng)態(tài)所影響的信號(hào)分析儀

·ADC的量化噪聲和信噪比理論分析
對(duì)于FSQ的窄帶IQ分析模塊，采用的ADC(標(biāo)注②和③)為14位81.6MHz采樣，根據(jù)公式(1)，信噪比理論值歸一化到1Hz帶寬(B=1Hz)為：

SNR1(1Hz)=6.02N+1.76+101g(fs/2B)=6.02×14+1.76+101g(81.6×106/2)=162dBc/Hz

所以，對(duì)于窄帶IQ分析模塊，ADC的量化噪聲理論值為 -162dBc/Hz。

對(duì)于FSQ的寬帶擴(kuò)展IQ分析模塊(FSQ-B72)，采用的ADC(標(biāo)注①)為8位326.4MHz采樣，根據(jù)公式(1)，信噪比理論值歸一化到1Hz帶寬(B=1Hz)為：

SNR2(1Hz)=6.02N+1.76+101g(fs/2B)=6.02×8+1.76+101g(326.4×106/2)=132dBc/Hz

所以，對(duì)于寬帶IQ分析模塊，ADC的量化噪聲理論值為 -132dBc/Hz。

相對(duì)于實(shí)際信號(hào)分析儀，根據(jù)ADC之前的濾波器帶寬BW，可以計(jì)算出分析儀在相應(yīng)帶寬下可以達(dá)到的實(shí)際噪聲。噪聲計(jì)算公式為：

N=-SNR(1Hz)+101g(BW/1Hz)

對(duì)于窄帶IQ分析模塊，當(dāng)濾波器帶寬為10MHz(被測(cè)信號(hào)帶寬小于10MHz)時(shí)，ADC的量化噪聲理論值為
N=-162+101g(BW/1Hz)=-92dBc

對(duì)于寬帶IQ分析模塊，當(dāng)濾波器帶寬為60MHz(被測(cè)信號(hào)帶寬小于60MHz)ADC的量化噪聲理論值為
N=-132+101g(BW/1Hz)=-54dBc

·羅德與施瓦茨公司FSQ的IQ分析動(dòng)態(tài)指標(biāo)
對(duì)于實(shí)際的信號(hào)分析儀，影響其動(dòng)態(tài)指標(biāo)的因素除了ADC以外還有很多?？梢愿鶕?jù)分析儀指標(biāo)手冊(cè)中的實(shí)際動(dòng)態(tài)指標(biāo)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

根據(jù)公式(2)，利用分析儀實(shí)際信噪比指標(biāo)計(jì)算實(shí)際ADC的有效位數(shù)：

ENOB(N)=[SNR-1.76-101g(fs/2B)]/6.02

FSQ-B72(帶寬擴(kuò)展選件)的信噪比和有效位數(shù)指標(biāo)：

FSQ-B72的雜散指標(biāo)：

FSQ-B72的本底噪聲指標(biāo)：-153dBm/Hz

滿量程信號(hào)輸入時(shí)，針對(duì)寬帶IQ信號(hào)，例如30MHz帶寬，此時(shí)信噪比為：

SNR(dBc)=SNR0(dBc/Hz)-101g(BW/1Hz)=125-101g(30×106/1Hz)

對(duì)于帶寬30MHz的信號(hào)，SNR>50dBc。

某常見頻譜儀寬帶IQ分析選件的指標(biāo)：在14GHz左右噪聲功率密度為-123dBfs/Hz。
根據(jù)公式(2)，利用頻譜儀實(shí)際信噪比指標(biāo)計(jì)算實(shí)際ADC的有效位

數(shù)為7位。
雜散響應(yīng)為-68dBc, 互調(diào)響應(yīng)為-75dBc，本底噪聲-153dBm/Hz。
在14GHz滿量程信號(hào)輸入時(shí)，針對(duì)寬帶IQ信號(hào)，例如30MHz帶寬，此時(shí)信噪比為：
SNR(dBc)=SNR0(dBc/Hz)-101g(BW/1Hz)=123-101g(30×106/1Hz)=48(dBc)
對(duì)于帶寬30MHz的信號(hào)，SNR>48dBc。

結(jié)語(yǔ)

在分析頻譜儀和信號(hào)分析儀動(dòng)態(tài)指標(biāo)時(shí)，要綜合考慮信噪比、雜散和互調(diào)指標(biāo)。從上文分析看出，對(duì)于寬帶信號(hào)，影響動(dòng)態(tài)范圍主要的因素為信噪比，其它失真諸如雜散和互調(diào)等，在分析帶寬較大的情況下，會(huì)淹沒在噪聲內(nèi)。

例如，F(xiàn)SQ-B72的寬帶信號(hào)分析在信號(hào)帶寬為30MHz時(shí)，動(dòng)態(tài)范圍大于50dBc，隨著帶寬的增加，動(dòng)態(tài)范圍減小。2.2.3中所述頻譜儀寬帶IQ分析選件的寬帶信號(hào)分析在信號(hào)帶寬為30MHz時(shí)，輸入頻率為14GHz左右時(shí)動(dòng)態(tài)范圍大于48dBc。