如何设计并实现一种高性能中频采样系统?

　　中频采样广泛应用于软件无线电、数字中频接收机、基站系统等通信领域。高性能的中频采样系统往往要求具备高信噪比、灵活可变的采样频率，支持高速高精度采样。根据以上要求。这里设计并实现了一种高性能中频采样系统。
　　1 系统总体设计
　　图1为中频采样系统总体设计框图。由图1可知，该系统主要由驱动电路、A／D转换电路、时钟电路3部分组成。
　　
　　1．1 驱动电路
　　信号A／D转换前往往需要进行以下处理：1）放大或衰减，使输入信号的电平与A／D转换器的所需电平相吻合；2）直流补偿或电平转换，通过补偿提高或降低直流电平使之符合A／D转换器的工作电平；3）滤波。滤除信号杂波使频带宽度符合A／D转换器的要求。采用运算放大器设计的驱动电路可以很好的完成上述处理。
　　使用运算放大器作A／D转换器的接口还可作为缓存。大部分的A／D转换器并不能获得与输入电压范围相符合的输入信号，只有极少的情况下是相符的，这时需要在输入信号与A／D转换器之间加入一个缓存运放，这样可以解决以下问题：1）阻抗匹配，信号源往往并不是该系统设计所需的低阻抗，A／D转换器的输入将影响信号源。通常运算放大器缓存具有高输入阻抗，因此它不会对信号源产生影响。另外其低输出阻抗有益于A／D转换器的驱动；2）减小容性负载的影响。大多数的A／D转换器除在输入端具有电阻特性外，还具有电容效应。因此需要额外的补偿电路．通常用电阻或电容。运算放大器的低输出阻抗特性使其解决上述问题；3）将单端信号转换为差分信号，许多A／D转换器使用差分输入，而大多数信号是单端的。运算放大器可以完成这一转换。
　　1．2 A／D转换电路
　　A／D转换器的性能指标主要分为静态参数和动态参数2种。静态参数是指A／D转换电路在低频或直流下的性能参数，而动态参数则是指中频或射频信号输入时的性能参数。对于中频采样系统来说，由于输入信号频率较高，其动态特性对反映电路的性能具有更大意义。重要的动态特性指标包括：信噪比RSN、无杂散动态范围SFDR、有效比特位ENOB、积分非线性INL、微分非线性DNL等。
　　一个高性能的中频采样系统对噪声性能的要求很高，A／D转换器的噪声来源通常有：A／D转换器失真和量化噪声，A／D转换器等价输入噪声，内部抽样保持电路的孔径抖动，不良的接地和退耦设计，外部驱动放大器的噪声，不良的布局和信号走线设计，采样时钟噪声，外部电源噪声。针对以上噪声来源，该系统设计采用以下方法，力求减小噪声的引入：所有芯片的电源部分都采用钽电解电容与大面积，低阻抗的地层相退耦，用于去除低频噪声；使用铁氧体磁珠去除电源的高频噪声；模拟地与数字地分离。A／D转换电路如图2所示。
　　
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　　1．3 时钟电路
　　中频采样系统的时钟抖动会对系统性能产生很大影响，并且随着输入信号频率的增加，这种影响越来越明显。设输入信号V=Asin（ωt+ψ），采样时钟抖动为dt，信号能量为Es，噪声能量为En，则有：
　　
　　
　　式（2）是在假设信号为正弦信号输入的基础上推导出来的。而对于任意信号，都可以看成是单频（正弦）信号的组合，所以，式（2）具有通用性。因此，在已知输入信号频率fin及采样时钟抖动tj的情况下，A／D转换器的信噪比被要求限制在-201g2πfintj以下，该信噪比与采样时钟fs无关，却与输入信号的频率fin相关。
　　2 系统硬件设计
　　2．1 A／D转换电路设计
　　采用AD9445作为A／D转换电路的核心器件．该器件是一款适用于中频采样的14位，单片集成A／D转换器。它采用3．3 V和5．0 V双电源供电，支持差分信号的时钟输入，支持CMOS、LVDS 2种数据输出格式。其重要引脚功能如下：DCS MODE：时钟占空周期稳定器控制引脚，该引脚为低电平时可以起到稳定时钟周期占空比的作用。
　　OUTPUT MODE：将输出数据电平选择为CMOS电平，或者LVDS电平，为了获取更高的性能，采用LVDS电平。
　　DFS：数据格式选择。可以将输出数据格式设置为二进制补码或者偏置二级制格式。
　　VREF：配置该引脚可设置其内部参考电压。
　　SENCE：配合VREF引脚完成内部参考电压的设置。
　　REFT，REFB：差分参考输出引脚。
　　VIN+，VIN-：输入电压引脚。
　　CLK+，CLK-：采样时钟输入引脚。
　　D0～D13：输出引脚。
　　DC0：数据时钟输出引脚。
　　目前，主流中频采样A／D转换器都采用差分信号输入。差分信号能有效地去除共模噪声。提高系统的抗噪声性能。这里采用LVDS模式的差分信号输入。电路设计如图2所示。经过调试。本系统在输入中频单频信号频率为40 MHz的情况下。信噪比可达77．4 dB，其频谱如图3所示。