信号链基础知识55：高速数模转换器的数字特性

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。

下一次，我们将研究随机抖动和相位噪声之间的关系，敬请期待。

参考文献

1. “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。