如何评估无线通信系统应用中的ADC的SNR和SFDR要求

如何评估无线通信系统应用中的ADC的SNR和SFDR要求
2020年02月11日 17:56 小伟科技杂谈

在本文中,我们将看到如何确定无线电接收机中使用的ADC的SFDR要求。此外,我们还将研究此应用中的ADC的SNR要求。

ADC的SFDR规格在处理通信系统时特别有用。例如,SFDR的单音定义通常用于表征在无线通信系统中使用的A / D转换器的线性度。

在本文中,我们将看到如何确定无线电接收机中使用的ADC的SFDR要求。此外,我们还将研究此应用的ADC SNR要求。首先,让我们回顾一下单音SFDR的定义。

单音SFDR

单音SFDR如图1所示。该图显示了一个假设电路的输出,该电路的单音输入为ωin。输出除了所需的ωin频率外,输出频谱中还有几个不同的频率成分(杂散)。单音SFDR定义为所需信号幅度与目标带宽上的最大杂散之比率,该比率通常以dB表示。

图1:SFDR的定义

SFDR在接收器设计中的重要性

图2显示了一个示例,其中SFDR的单音定义可用于表征系统线性性能。出于本文的主要目的的考虑,我们无需遍历此结构中使用的模拟模块的详细信息。

图2、ADC在接收机中的位置

上图显示了一种情况,其中天线会监测到小的期望信号以及大的带内阻塞信号。而带外干扰源源自除我们打算接收的无线标准以外的其他无线用户,通常我们会通过接收机前端的频带选择滤波器充分抑制这种干扰。但是,带内干扰源的频率更接近我们所需信号,从而难以通过滤波的方式把它除去,而一般通常在接收器链的末端才会被去除。因此,在图2中,所需信号和带内阻塞信号都将由RF混频器下变频为中频(IF)频率,fIF。在RF混频器的输出端,我们处理的频率要低得多,我们可以更轻松地构建一个Q值相对较高的滤波器BPF2。因此,根据所选的IF频率,我们可能能够部分抑制带内干扰。

但是,在图2中,我们需要考虑最坏的情况,即假设所需要的信号和带内干扰源从天线到ADC输入的增益相同(24 dB)。 ADC应该能够数字化该输入信号,而不会增加明显的失真。而设计师期望“ DSP引擎”中的数字滤波器将除去阻塞信号,而仅保留所需的信号。

大的阻塞器会使ADC非线性,并导致在非常接近我们所需信号的频率处产生杂散。图3中的紫色部分对此进行了描述。

图3、大的带内阻塞信号会产生落入在接收信号附近的干扰信号

如果靠近所需信号的杂散足够大,则会使系统的信噪比(SNR)降低到不可接受的水平。因此,我们需要知道ADC可以产生的最大杂散,而这就是单音SFDR量化的结果。它使我们能够评估在大信号存在时ADC能够同时处理的多么小的信号的能力。

ADC 的SFDR要求

让我们看看如何确定图2所示示例所需的SFDR。我们假设我们的无线标准要求检测到-99 dBm的信号,并且天线可以拾取的最大带内阻塞信号的功率为-23dBm,有用信号和带内阻塞信号都经过图2中的模拟模块,这两个信号都将具有相同的增益。从天线到ADC输入的总增益能达到多大?假定ADC满量程电压为2 V,其输入阻抗为1000Ω。通常,我们使用并联电阻来降低此阻抗,并将其与RF / IF系统的输出阻抗匹配。如图4所示。

图4.图片改编自《RF and Baseband Techniques for Software Defined Radio.》

在图4中,RF / IF系统的输出阻抗为50Ω,并且与A / D转换器并联放置一个200Ω电阻。因此,变压器的匝数比应为1:2,以便在“ RF / IF级”和“ A / D转换器”之间实现阻抗匹配。因此,ADC输入端的等效电阻约为200。对于峰峰值等于ADC满量程电压(2Vp-p)的正弦信号,我们有:

上式是我们在ADC输入端可以拥有的最大功率, 以dBm表示为:

由于信号链中的模拟模块可能会有一些增益变化,因此我们考虑3 dB的增益裕量,并假定ADC输入端的最大信号功率为4 dBm-3 dB = +1 dBm。

天线可以接收的最大信号是-23 dBm。 该信号被放大并在ADC输入端产生最大允许功率(+1 dBm)。 因此,从天线到ADC输入的增益应为24 dB。 由于我们的无线标准要求检测到-99 dBm的信号,因此ADC输入处的最小信号为-75 dBm。 通过在ADC输入端获得最大和最小信号电平,我们可以计算ADC的SFDR。 我们只需要假设允许的失真分量的大小即可,我们假设失真分量应该比ADC输入端可能出现的最小信号低18 dB, 如图5所示。

图5、允许的最小失真信号图示

图5显示,杂散功率应小于-93 dBm。 因此,ADC SFDR应该大于94 dBc。 请注意,以上分析假设ADC之前的模拟模块是理想的,并且不会产生其它任何失真分量。 因此,在ADC输入端,我们得到了天线接收到的信号的放大版本(没有失真分量)。

ADC 的SNR要求

为了计算所需的ADC SNR,我们需要对接收机的需求进行一些假设。 假设我们的无线标准要求ADC输入端的SNR约为9 dB,以便以可接受的质量检测有用信号。 换句话说,如果SNR低于9 dB,则误码率将无法接受。 因此,如图6所示,ADC输入端的总噪声功率应小于-84 dBm。

图6、ADC的SNR对接收性能影响的示意图

确定ADC SNR的一种便捷方法是选择足够低的噪声的ADC,以使模拟前端成为主要的噪声源。例如,我们可以假设ADC产生的总噪声功率比我们的无线标准所允许的噪声功率(-84 dBm)低12 dB。因此,ADC噪声应小于-96 dBm(如图7所示)。由于ADC的满量程功率为+4 dBm,因此其SNR应大于100 dB。下面我们将看到可以使用具有低得多SNR的ADC。

图7、ADC的总噪声功率的影响

理论上,ADC的最小采样率(fsample)可以低至其输入信号带宽(BW??)的两倍。但是,如果我们选择ADC采样率远大于其输入信号带宽的两倍,则可以应用数字滤波(在A / D转换后)以改善SNR。在这种情况下,数字滤波器可抑制所需频带之外的噪声。由过采样机制(以及数字滤波)引起的SNR升高通常称为“处理增益(process gain)”。可以看出,处理增益(process gain)由下面的方程给出:

例如,如果BW = 30 kHz,我们选择 fsample= 65 MSPS,SNR将提高30.34 dB。假设图2中的ADC使用的采样率远大于所需信道带宽的两倍,那么我们的处理增益约为30 dB。这会将ADC SNR要求从100 dB放宽到70 dB。

请注意,以上分析假设ADC噪声远小于模拟模块产生的噪声。如果ADC噪声不可忽略,我们将不得不处理一些复杂的数学运算。

结论

在本文中,我们讲解了无线通信系统中使用的ADC的SNR和SFDR要求。 SFDR的规格确定在大信号存在时ADC能够同时处理非常小的信号的性能。对于此处讨论的示例,ADC SFDR应该大于94 dB。对我们的无线标准要求进行一些假设,我们获得了70 dB的ADC SNR。请务必注意,根据系统要求,这两个规格之一(ADC的 SNR或SFDR)可能会是系统性能那个的限制因素。

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