【導讀】分辨率和帶寬是高速信號發生應用中的關鍵。新型信號發生應用能夠運用高速數模轉換器會產生例如單音直至具數百兆赫茲帶寬、復雜的多通道波形等多種不同類型的波形。本文將為你闡述高速信號應用發生的關鍵所在。
在高速信號發生應用中，帶寬和分辨率是關鍵要求。新型信號發生應用運用高速數模轉換器(DAC)來產生各種不同類型的波形，包括單音直至具數百兆赫茲帶寬、復雜的多通道波形。這些應用要求高速DAC足夠快，以在不犧牲模擬性能的前提下產生這些波形。在很多信號發生應用中，相位噪聲會限制通道的數量以及可能實現的通道間隔。傳統上，相位噪聲由驅動DAC時鐘輸入的時鐘信號引起，不過DAC增加的任何相位噪聲都會出現在輸出頻譜中，并限制可能產生的信號。對任何通用信號發生應用而言，理想DAC的速度應該盡可能快，且噪聲低、線性度高、附加性相位噪聲非常低。這些性能規格中的任何一項如果缺失，那么所產生的波形都不足以滿足應用的要求。
帶寬
在任何信號發生應用中，最重要的設計標準都是帶寬。任何設計師都會問到的第一個問題是：需要多大的帶寬來產生想要的信號？對于特定信令協議或特定應用，設計師可能需要一定大小的帶寬。無論設計師想要實現的帶寬有多大，DAC的速度都要至少是想要帶寬的2倍。帶寬與采樣率(fs)之間的這種關系是由哈里-奈奎斯特定義的，描述了信號在采樣系統中的表現。
盡管可以產生帶寬從DC至fs/2的信號，但是這么做常常不實際，因為輸出頻譜中會出現所產生信號的鏡頻信號。鏡頻信號會出現在N×fs±fout(其中，fout是所產生信號的頻率)。實際上，需要重建濾波器來衰減可能出現在輸出頻譜中任何所產生信號的鏡頻信號。即使所產生信號的帶寬沒有延伸到fs/2，但接近于它，鏡頻信號也會難以濾除。重建濾波器是用真實元件在模擬域實現。與數字濾波器不同，這些元件是非理想的，會導致具紋波及插入損耗的非理想通帶。一般而言，這些濾波器階數越高，產生的紋波和插入損耗就越大，從而使理想濾波器更加難以設計。信號帶寬越接近fs/2，濾波器階數就必須越高，以衰減采樣過程中產生的鏡頻信號。濾波器階數越高，所需元件就越多，也就會產生更大的插入損耗和通帶紋波。
圖1：LTC2000建議原理圖。
運用采樣速率較高的DAC會增大可用帶寬，這將降低對濾波器的要求，允許濾波器采用較少的元件，降低復雜性，從而簡化設計，產生更好的結果。LTC2000是一款高性能、16位、2.5Gsps高速DAC，具有2.5Gsps采樣率，從而fs/2頻率為1.25GHz。因此，對于800MHz的信號帶寬，在1.7GHz處會有一個鏡頻信號。在想要的頻帶和鏡頻信號頻率之間有900MHz。憑借900MHz的保護帶，鏡頻信號可以用簡單的低通濾波器輕松濾除。具有較低采樣速率的DAC所產生的鏡頻信號更靠近想要的頻率，因此需要更加嚴格和復雜的濾波器。
要產生帶寬延伸到fs/ 2 的信號，還有另一個問題， 即任何DAC 都存在SINC(sin(x)/x)滾降，隨著頻率升高，這個問題將使所產生的信號衰減。這種滾降在采樣頻率(fs)處有一個零點，從而不可能產生一個準確出現在采樣頻率上的信號。所產生的信號只是一個DC電壓。對于實際應用而言，大約60%的奈奎斯特區域(DC至fs/2)沒有很大的SINC衰減，而可被利用。如果0dB是DC時的信號電平，那么在60%奈奎斯特頻率處，信號電平會下降6dB。人們常常在數字域實現這種滾降的反向補償，以糾正所產生信號的自然滾降。這使DAC能夠產生隨頻率變化具恒定幅度的波形。如果使用更高速度的DAC，那么SINC函數的滾降會隨DAC輸出頻率的升高而減輕。
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相位噪聲
在信號發生應用中，另一個需要考慮的重要因素是輸出的相位噪聲。輸出信號中出現的相位噪聲限制信號之間的間隔，且可能限制可以實現的調制階數。在信號發生過程中，相位噪聲越大，所產生信號的SNR就越低，其誤碼率也就越高。抖動可用來衡量信號在時間域的過零準確度。一個完美的信號會在每個周期中的相同時點過零。實際上，這些過零點在時間上會有一定的分散性。如果這種分散性轉換到頻率域，就可以看到在基音周圍以頻譜泄漏形式出現的相位噪聲。如果有幾個音調相互靠近，那么某個音調的SNR可能因其相鄰音調的頻譜泄漏而劣化，這會使信號誤碼率變差，降低所產生信號的準確度。通過降低在所產生信號中引入的相位噪聲，可以避免這種信號完整性損失。
避免給信號發生系統引入相位噪聲的最簡單方法，是用一個相位噪聲極低的時鐘來啟動。相位噪聲較低的時鐘傳遞給所產生信號的相位噪聲較低。還有一點很重要，加在所產生信號上的時鐘相位噪聲的衰減幅度正比于所產生信號頻率與時鐘采樣速率之比。這種正比關系意味著，與通過用高采樣頻率時鐘產生高頻信號相比，如果用同樣的時鐘產生低頻信號，就會在輸出信號上產生較小的相位噪聲。如果所產生的頻譜很寬，那么相對于較低頻率端，所產生的信號在頻譜高端會有更大的相位噪聲。
圖2：LTC2000建議布局。
LTC6946是一款頻率合成器，不用外部VCO就可產生從370MHz直至5.7GHz的信號。該器件具備卓越的相位噪聲性能和非常低的寄生分量，適合作為信號發生應用的時鐘源使用。用LTC6946驅動LTC2000高速DAC時，所產生的相位噪聲足夠低，適合大多數要求嚴苛的信號發生應用。LTC6946含有一個內部VCO，可在便利性和相位噪聲之間做出權衡。如果使用LTC6945和一個外部VCO，還能實現更低的相位噪聲。就LTC6945和LTC6946頻率合成器而言，起主導作用的相位噪聲源是VCO。在產生65MHz輸出音調時，LTC2000在1MHz偏移有-165dBc/rHz附加噪聲。這確保與LTC2000本身的附加性相位噪聲相比，時鐘相位噪聲起主導作用。為了避免其他噪聲導致輸出信號劣化，在模擬輸出電路部分應該注意使用恰當的布局方法。
恰當的RF布局
設計印刷電路板時，如果沒有采用恰當的設計及布局規則，那么使用高性能DAC和時鐘源的好處就會大打折扣。如果沒有恰當的對稱性、旁路和勢壘，所產生的模擬輸出波形就有可能出現誤差，還可能引入噪聲及其他寄生分量。圖1顯示了LTC2000的典型原理圖。就直至500MHz的信號而言，LTC2000的噪聲頻譜密度好于158dBm/rHz，這有助于在很寬的信號頻率范圍內保持很高的信噪比。該器件的無寄生動態范圍(SFDR)直至500MHz均好于74dB，而對于直至1GHz的輸出頻率而言，SFDR則好于68dB。為了最大限度提高LTC2000的性能，需要進行恰當的布局。DAC的輸出應該作為一個差分對來對待，并盡可能以對稱的路徑傳送。輸出網絡中的任何非對稱性都可能導致差分信號之間出現壓差。這種電壓差將導致共模干擾，進而在輸出頻譜中產生不想要的失真和噪聲。通過使每個輸出的傳輸線實現對稱性，可以避免這種干擾。
可以通過通孔以及良好的布局保護模擬輸出免受干擾信號影響。信號發生DAC有3個端口，并帶來了布局挑戰：時鐘輸入、模擬輸出和數據輸入。如果數據輸入走線靠近輸出或時鐘，那么數據信號會耦合到這些信號中，在輸出頻譜中引起雜散噪聲。類似地，如果時鐘信號由于不良布局而耦合到模擬輸入中，就會影響所產生信號的完整性。設計電路板時，通過在數字電路、時鐘信號和模擬輸出電路之間設置恰當的勢壘，可以使DAC實現最高性能。恰當的做法是，在不同的層上傳送數字信號、時鐘信號和模擬輸出，以最大限度降低這些信號之間的相互影響。圖2顯示了LTC2000的布局，同時顯示了怎樣隔離數字信號、時鐘信號和模擬輸出。在該圖中，數字走線布設在電路板內層上，僅通過通孔連接到LTC2000焊盤。時鐘走線非常短，由通孔包圍以隔離信號，而且不會布設在數字走線或模擬輸出旁邊。輸出走線要盡可能對稱，并由保護模擬輸出免受干擾信號影響的勢壘包圍。遵循這些布局指導原則并采用干凈的采樣時鐘，LTC6946和LTC2000就能產生非常干凈的波形，滿足要求最嚴苛的信號發生應用的需求。
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