中頻采樣廣泛應(yīng)用于軟件無線電,、數(shù)字中頻接收機(jī)、基站系統(tǒng)等通信領(lǐng)域,。高性能的中頻采樣系統(tǒng)往往要求具備高信噪比,、靈活可變的采樣頻率，支持高速高精度采樣。根據(jù)以上要求,。這里設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種高性能中頻采樣系統(tǒng),。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
圖1為中頻采樣系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖。由圖1可知,，該系統(tǒng)主要由驅(qū)動電路,、A／D轉(zhuǎn)換電路、時(shí)鐘電路3部分組成,。
1．1 驅(qū)動電路
信號A／D轉(zhuǎn)換前往往需要進(jìn)行以下處理：1)放大或衰減,，使輸入信號的電平與A／D轉(zhuǎn)換器的所需電平相吻合；2)直流補(bǔ)償或電平轉(zhuǎn)換,，通過補(bǔ)償提高或降低直流電平使之符合A／D轉(zhuǎn)換器的工作電平,；3)濾波。濾除信號雜波使頻帶寬度符合A／D轉(zhuǎn)換器的要求,。采用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)的驅(qū)動電路可以很好的完成上述處理,。
使用運(yùn)算放大器作A／D轉(zhuǎn)換器的接口還可作為緩存。大部分的A／D轉(zhuǎn)換器并不能獲得與輸入電壓范圍相符合的輸入信號,，只有極少的情況下是相符的,，這時(shí)需要在輸入信號與A／D轉(zhuǎn)換器之間加入一個(gè)緩存運(yùn)放，這樣可以解決以下問題：1)阻抗匹配,，信號源往往并不是該系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的低阻抗,，A／D轉(zhuǎn)換器的輸入將影響信號源。通常運(yùn)算放大器緩存具有高輸入阻抗,，因此它不會對信號源產(chǎn)生影響,。另外其低輸出阻抗有益于A／D轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動；2)減小容性負(fù)載的影響,。大多數(shù)的A／D轉(zhuǎn)換器除在輸入端具有電阻特性外,，還具有電容效應(yīng)。因此需要額外的補(bǔ)償電路．通常用電阻或電容,。運(yùn)算放大器的低輸出阻抗特性使其解決上述問題；3)將單端信號轉(zhuǎn)換為差分信號,，許多A／D轉(zhuǎn)換器使用差分輸入,，而大多數(shù)信號是單端的。運(yùn)算放大器可以完成這一轉(zhuǎn)換,。
1．2 A／D轉(zhuǎn)換電路
A／D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)主要分為靜態(tài)參數(shù)和動態(tài)參數(shù)2種,。靜態(tài)參數(shù)是指A／D轉(zhuǎn)換電路在低頻或直流下的性能參數(shù)，而動態(tài)參數(shù)則是指中頻或射頻信號輸入時(shí)的性能參數(shù),。對于中頻采樣系統(tǒng)來說,，由于輸入信號頻率較高，其動態(tài)特性對反映電路的性能具有更大意義。重要的動態(tài)特性指標(biāo)包括：信噪比RSN,、無雜散動態(tài)范圍SFDR,、有效比特位ENOB、積分非線性INL,、微分非線性DNL等,。
一個(gè)高性能的中頻采樣系統(tǒng)對噪聲性能的要求很高，A／D轉(zhuǎn)換器的噪聲來源通常有：A／D轉(zhuǎn)換器失真和量化噪聲,，A／D轉(zhuǎn)換器等價(jià)輸入噪聲,，內(nèi)部抽樣保持電路的孔徑抖動，不良的接地和退耦設(shè)計(jì),，外部驅(qū)動放大器的噪聲,，不良的布局和信號走線設(shè)計(jì)，采樣時(shí)鐘噪聲,，外部電源噪聲,。針對以上噪聲來源，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用以下方法,，力求減小噪聲的引入：所有芯片的電源部分都采用鉭電解電容與大面積,，低阻抗的地層相退耦，用于去除低頻噪聲,；使用鐵氧體磁珠去除電源的高頻噪聲,；模擬地與數(shù)字地分離。A／D轉(zhuǎn)換電路如圖2所示,。
1．3 時(shí)鐘電路
中頻采樣系統(tǒng)的時(shí)鐘抖動會對系統(tǒng)性能產(chǎn)生很大影響,，并且隨著輸入信號頻率的增加，這種影響越來越明顯,。設(shè)輸入信號V=Asin(ωt+ψ),，采樣時(shí)鐘抖動為dt，信號能量為Es,，噪聲能量為En,，則有：
式(2)是在假設(shè)信號為正弦信號輸入的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出來的。而對于任意信號,，都可以看成是單頻(正弦)信號的組合,，所以，式(2)具有通用性,。因此,，在已知輸入信號頻率fin及采樣時(shí)鐘抖動tj的情況下，A／D轉(zhuǎn)換器的信噪比被要求限制在-201g2πfintj以下,，該信噪比與采樣時(shí)鐘fs無關(guān),，卻與輸入信號的頻率fin相關(guān),。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 A／D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)
采用AD9445作為A／D轉(zhuǎn)換電路的核心器件．該器件是一款適用于中頻采樣的14位，單片集成A／D轉(zhuǎn)換器,。它采用3．3 V和5．0 V雙電源供電,，支持差分信號的時(shí)鐘輸入，支持CMOS,、LVDS 2種數(shù)據(jù)輸出格式,。其重要引腳功能如下：DCS MODE：時(shí)鐘占空周期穩(wěn)定器控制引腳，該引腳為低電平時(shí)可以起到穩(wěn)定時(shí)鐘周期占空比的作用,。
OUTPUT MODE：將輸出數(shù)據(jù)電平選擇為CMOS電平,，或者LVDS電平，為了獲取更高的性能,，采用LVDS電平,。
DFS：數(shù)據(jù)格式選擇?？梢詫⑤敵鰯?shù)據(jù)格式設(shè)置為二進(jìn)制補(bǔ)碼或者偏置二級制格式,。
VREF：配置該引腳可設(shè)置其內(nèi)部參考電壓。
SENCE：配合VREF引腳完成內(nèi)部參考電壓的設(shè)置,。
REFT,，REFB：差分參考輸出引腳。
VIN+,，VIN-：輸入電壓引腳,。
CLK+，CLK-：采樣時(shí)鐘輸入引腳,。
D0～D13：輸出引腳,。
DC0：數(shù)據(jù)時(shí)鐘輸出引腳。
目前,，主流中頻采樣A／D轉(zhuǎn)換器都采用差分信號輸入,。差分信號能有效地去除共模噪聲。提高系統(tǒng)的抗噪聲性能,。這里采用LVDS模式的差分信號輸入,。電路設(shè)計(jì)如圖2所示。經(jīng)過調(diào)試,。本系統(tǒng)在輸入中頻單頻信號頻率為40 MHz的情況下,。信噪比可達(dá)77．4 dB,，其頻譜如圖3所示,。
2．2 A／D轉(zhuǎn)換器前端運(yùn)放電路
該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用AD8352型超低失真差分中頻放大器作為A／D轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動器件。其電路設(shè)計(jì)如圖4所示,。
通過設(shè)置電阻RG的大小,，可調(diào)節(jié)AD8352的放大倍數(shù),，其范圍為：3～25 dB。CD和RD用于消除失真,。通過前端的變壓器,，可以將單端信號轉(zhuǎn)換為差分信號，為AD8352提供差分信號,，使其具有更高的性能,。
2．3 采樣時(shí)鐘電路
AD9445的采樣時(shí)鐘必須是一個(gè)高質(zhì)量，超低相位噪聲的時(shí)鐘源,。根據(jù)上述理論分析可知,，時(shí)鐘抖動會對A／D轉(zhuǎn)換器的性能造成很大影響：
假設(shè)一個(gè)中頻輸入信號的頻率為70 MHz。采樣時(shí)鐘的抖動為1 ps,，則RSN=-201g(2πx70x106x10-12)=67．13 dB,。結(jié)果說明，時(shí)鐘的抖動已經(jīng)將A／D轉(zhuǎn)換器的信噪比限制在67．13 dB以下,。在輸入70 MHz時(shí),。如果使用一個(gè)高抖動的時(shí)鐘源，則RSN性能很容易被降低3～4 dB,。這里采用高性能時(shí)鐘分配芯片AD9518-4作為采樣時(shí)鐘,，電路設(shè)計(jì)如圖5所示。
AD9518具有6路時(shí)鐘輸出,，可分為3組,，即同時(shí)可輸出3種不同頻率，并且每路的頻率輸出都可以通過軟件進(jìn)行配置調(diào)節(jié),。AD9518具有內(nèi)部鎖相環(huán)和壓控振蕩器電路,，時(shí)鐘輸出范圍寬，時(shí)鐘抖動小,，輸出頻率靈活,。AD9518，我們可以獲得高性能的采樣時(shí)鐘,，同時(shí),，通過對AD9518內(nèi)部寄存器的操作，改變采樣時(shí)鐘的頻率,，從而方便地進(jìn)行中頻欠采樣或過采樣等信號處理工作,。圖6顯示了本設(shè)計(jì)中時(shí)鐘采樣電路的主要性能指標(biāo)。
2．4 系統(tǒng)電源電路
電源噪聲是板級設(shè)計(jì)中的主要噪聲來源,。為了盡量減小電源噪聲,，使用低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)LT1763作為電源器件。針對運(yùn)放,、A／D轉(zhuǎn)換器以及時(shí)鐘電路都要嚴(yán)格滿足模擬與數(shù)字電源分離的要求,。本設(shè)計(jì)中的電源方案如表1所示,，每種電壓都使用1片LT1763單獨(dú)供電，從而最大限度地防止數(shù)字電壓與模擬電壓之間的串?dāng)_以及不同供電電壓之間的串?dāng)_,。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是采樣系統(tǒng)的時(shí)鐘芯片AD9518的軟件配置,，AD9518是一款可調(diào)時(shí)鐘輸出頻率的多路時(shí)鐘輸出芯片。其輸出時(shí)鐘可以通過對其內(nèi)部寄存器的配置完成,。配置軟件中的主要功能函數(shù)包括：
通過以上函數(shù)即可完成時(shí)鐘芯片的配置,，達(dá)到在采樣過程中靈活變換時(shí)鐘的目的。
4 結(jié)束語
中頻采樣系統(tǒng)應(yīng)用廣泛,，但由于前端驅(qū)動設(shè)計(jì)問題或采樣時(shí)鐘抖動過大而限制采樣系統(tǒng)的整體性能,。該設(shè)計(jì)方案已成功實(shí)現(xiàn)，配合后端的數(shù)字處理電路,，可以獲得高性能的中頻采樣信號,。