在現(xiàn)代頻譜儀和信號(hào)分析儀中，隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的廣泛采用，高速A/D轉(zhuǎn)換器（ADC）的應(yīng)用及其性能越來(lái)越受到關(guān)注，因?yàn)樗男阅苤苯佑绊戭l譜儀和信號(hào)分析儀的精度，尤其是ADC的動(dòng)態(tài)性能，包括信噪比和有效位數(shù)。ADC的動(dòng)態(tài)范圍性能可以通過(guò)其位數(shù)（N）和采樣頻率（fs）計(jì)算出理論值，同時(shí)也可以通過(guò)實(shí)際測(cè)試獲得頻譜儀和信號(hào)分析儀的所選數(shù)字處理通道A/D處理的實(shí)際動(dòng)態(tài)指標(biāo)。是否ADC的位數(shù)越高意味著分析動(dòng)態(tài)范圍越大呢？結(jié)果并非如此。要注意，在評(píng)價(jià)兩種儀表時(shí)，要采用同等條件和一致的指標(biāo)定義方法，僅僅關(guān)注ADC的位數(shù)是錯(cuò)誤的，應(yīng)當(dāng)關(guān)注其有效位數(shù)、信號(hào)和分析帶寬、采樣頻率和信噪比。

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。

典型的頻譜儀電路框圖

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。可以根據(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分析選件的動(dòng)態(tài)指標(biāo)

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)范圍最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。

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