浅析高速数模转换器的数字特性
other parts discussed in post： dac34h84
作者：robert keller，德州仪器
当今的高速数模转换器 （dac） 通常都包含有许多数字信号处理模块，让其更加易于使用。应论述需要，我们使用了 ti 的 dac34h84（详见《参考文献 1》），它是一款 4 通道、16 位、1250 msps 的 dac。这样做的原因是，它是一种典型的高速数模转换器，拥有隔离输入和 dac 时钟域的输入 fifo、插值数字模块、精细频率分辨率数字正交调制、模拟正交调制器校正以及 sin（x）/x 校正（请参见图 1）。本文将逐一介绍这些特性的功能和作用。
图 1 dac34h84 功能结构图
第一个数字模块是插值模块，它负责增加 dac 内部数字信号的采样速率。一般而言，利用两倍采样速率增加步骤，来实现插值。利用在输入采样点之间插入零来完成这项工作，其在 fif 和 fin – fif 产生两个信号。通过一个数字低通滤波器后，去掉了位于 fin – fif 的第二个信号，只在 fif 留有信号。
使用插值的原因与大多数高速 dac 使用的零阶保持输出结构有关。利用零阶保持，dac 根据时钟周期初期的数字采样对输出振幅进行相应的设置，然后保持住，直到时钟周期和下一个输出采样末端为止。这样便产生一种“上楼梯式”的输出，其频率响应如方程式 1 表示：
sin（π*fif/fs）/（π*fif/fs） 方程式 1
其中，fif 为模拟输出频率，而 fs 为采样速率。这种响应具有低通效果（请参见图 2），其 f = fs/2 时的损耗为 ~ 3.5 db，并在 fs 倍数时为零。尽管 dac 输出在 n*fs +/- fif 时会有信号图像，但较高奈奎斯特 （nyquist） 区域的图像振幅远低于 fif 处的信号，从而有更低的信噪比 （snr），并可能出现明显的振幅下降。
这便将大多数应用限制在 fs/2 以下的输出信号频率。另外，fif 处的信号和 fs – fif 图像之间的间隔，随着 fif 接近 fs/2 而减小，从而让 dac 输出端的模拟滤波器（作用是去除 fs – fif 多余图像）难以建立，最终将大多数应用的 fif 限制在 fs/3 以下。
图 2 无插值模块的 dac 输出频谱
利用 dac 插值模块增加 dac 内部采样速率，只需让 dac 的数字接口速率 fin 足够高，以允许信号带宽传输，并且只需增加少量的额外带宽便可以拥有插值滤波器过渡频带（实信号时 fin 》 2.5*bw，复信号时 fin 》 1.25*bw）。利用插值增加采样速率，可以让信号轻松地位于 fs/2 以下。
增加采样速率的另一个好处是，让数字混频能够将输出if增加至更高频率。例如，使用 2x 插值，输出频率便可高于 fin/2，而如果不使用插值就不可能获得这一结果（请参见图 3）。一般而言，复输入信号使用复混频器，目的是避免混频过程中产生图像。混频输出可以为实 if 信号，也可以是复 if 信号，在模拟 iq 调制器 dac 之后有效。
图 3 2x 插值的 dac 输出频谱
将复 dac 输出用于模拟正交调制器 （aqm），突出表明了高速 dac 共有的另一个有用的数字特性—正交调制器校正模块。该模块负责对模拟正交调制器的增益、相位和偏移失衡进行校正，从而改善 aqm 边带抑制度和 lo 馈通性。
最后，位于数字信号链末端的是数字 fir 滤波器，它负责对首个奈奎斯特区域的 sin（x）/x 高低频规律性衰减进行补偿。在 dac34h84 实施中，该滤波器可以提供高达 0.4*fdac 的补偿，且误差低于 0.03db。
正如本文所述，如 dac34h84 等高速 dac 拥有大量的数字特性。这些特性，通过降低数据速率和改善输出信号特性，让系统实施变得简单和容易。
参考文献
“四通道、16 位、1.25 gsps 数模转换器 （dac），” dac34h84 产品说明书， lit# slas751a，2011 年 6 月。
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图 1 dac34h84 功能结构图
第一个数字模块是插值模块，它负责增加 dac 内部数字信号的采样速率。一般而言，利用两倍采样速率增加步骤，来实现插值。利用在输入采样点之间插入零来完成这项工作，其在 fif 和 fin – fif 产生两个信号。通过一个数字低通滤波器后，去掉了位于 fin – fif 的第二个信号，只在 fif 留有信号。
使用插值的原因与大多数高速 dac 使用的零阶保持输出结构有关。利用零阶保持，dac 根据时钟周期初期的数字采样对输出振幅进行相应的设置，然后保持住，直到时钟周期和下一个输出采样末端为止。这样便产生一种“上楼梯式”的输出，其频率响应如方程式 1 表示：
sin（π*fif/fs）/（π*fif/fs） 方程式 1
其中，fif 为模拟输出频率，而 fs 为采样速率。这种响应具有低通效果（请参见图 2），其 f = fs/2 时的损耗为 ~ 3.5 db，并在 fs 倍数时为零。尽管 dac 输出在 n*fs +/- fif 时会有信号图像，但较高奈奎斯特 （nyquist） 区域的图像振幅远低于 fif 处的信号，从而有更低的信噪比 （snr），并可能出现明显的振幅下降。
这便将大多数应用限制在 fs/2 以下的输出信号频率。另外，fif 处的信号和 fs – fif 图像之间的间隔，随着 fif 接近 fs/2 而减小，从而让 dac 输出端的模拟滤波器（作用是去除 fs – fif 多余图像）难以建立，最终将大多数应用的 fif 限制在 fs/3 以下。
图 2 无插值模块的 dac 输出频谱
利用 dac 插值模块增加 dac 内部采样速率，只需让 dac 的数字接口速率 fin 足够高，以允许信号带宽传输，并且只需增加少量的额外带宽便可以拥有插值滤波器过渡频带（实信号时 fin 》 2.5*bw，复信号时 fin 》 1.25*bw）。利用插值增加采样速率，可以让信号轻松地位于 fs/2 以下。
增加采样速率的另一个好处是，让数字混频能够将输出if增加至更高频率。例如，使用 2x 插值，输出频率便可高于 fin/2，而如果不使用插值就不可能获得这一结果（请参见图 3）。一般而言，复输入信号使用复混频器，目的是避免混频过程中产生图像。混频输出可以为实 if 信号，也可以是复 if 信号，在模拟 iq 调制器 dac 之后有效。
图 3 2x 插值的 dac 输出频谱
将复 dac 输出用于模拟正交调制器 （aqm），突出表明了高速 dac 共有的另一个有用的数字特性—正交调制器校正模块。该模块负责对模拟正交调制器的增益、相位和偏移失衡进行校正，从而改善 aqm 边带抑制度和 lo 馈通性。
最后，位于数字信号链末端的是数字 fir 滤波器，它负责对首个奈奎斯特区域的 sin（x）/x 高低频规律性衰减进行补偿。在 dac34h84 实施中，该滤波器可以提供高达 0.4*fdac 的补偿，且误差低于 0.03db。
正如本文所述，如 dac34h84 等高速 dac 拥有大量的数字特性。这些特性，通过降低数据速率和改善输出信号特性，让系统实施变得简单和容易。
参考文献
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