在確保提供更大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量和更高的系統(tǒng)重配置能力的同時(shí)，降低能耗、縮小電路板面積和節(jié)約成本是下一代通信系統(tǒng)要達(dá)到的幾個(gè)主要目標(biāo)。這些相互沖突的要求促使工程師們不得不對(duì)傳統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行重新評(píng)估以滿(mǎn)足市場(chǎng)的需求，包括：

　　-增加接收通道的數(shù)目以滿(mǎn)足增大數(shù)據(jù)容量和提高傳輸能力

　　-提高可編程性能和系統(tǒng)重配置能力，從而減少重新設(shè)計(jì)的開(kāi)支，同時(shí)降低電路定制的復(fù)雜度

　　-降低能耗以提高系統(tǒng)的可靠性，采取區(qū)域性和全球性的環(huán)保措施，并降低操作成本

　　-減少電路板面積和方案的物料表單

　　新型寬帶軟件無(wú)線(xiàn)電（SDR）方案的誕生，將有效地推進(jìn)這些市場(chǎng)的發(fā)展。此外，近期在模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）技術(shù)（12位，3.6 GSPS）方面取得的進(jìn)展也在一定程度上促進(jìn)了寬帶軟件無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)的發(fā)展——該系統(tǒng)具有在高頻輸入的情況下同時(shí)進(jìn)行多通道處理的能力。這種全新的模數(shù)轉(zhuǎn)換器可使系統(tǒng)能夠在保持高分辨率的前提下，對(duì)整個(gè)輸入頻帶直接數(shù)字化處理，因此不再需要設(shè)置多條接收通道或者使用昂貴的模擬濾波器。取而代之的是，所有通道的濾波操作都可在數(shù)字域中實(shí)現(xiàn)，不但獲得了更好的性能，同時(shí)還大幅降低了能耗、占用面積和成本（參見(jiàn)圖1和圖2）。將信號(hào)的處理操作轉(zhuǎn)移到數(shù)字域還能夠簡(jiǎn)化編程的過(guò)程，動(dòng)態(tài)地重配置系統(tǒng)參數(shù)，真正實(shí)現(xiàn)了可編程（或稱(chēng)軟件定義）系統(tǒng)。

　　圖1：傳統(tǒng)的硬件型無(wú)線(xiàn)電解決方案

　　圖2：新型寬頻軟件型無(wú)線(xiàn)電解決方案

　　盡管在系統(tǒng)架構(gòu)上這種根本性的轉(zhuǎn)變能夠帶來(lái)顯著的高性能和良好的成本效益，但是它卻需要改變模數(shù)轉(zhuǎn)換的評(píng)價(jià)方法。傳統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器定義了無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）、有效位數(shù)（ENOB）、信噪比（SNR）等性能指標(biāo)，這些性能指標(biāo)用于衡量在全奈奎斯特頻帶中單音正弦波的性能。但對(duì)于那些不使用全奈奎斯特頻帶并且也不僅僅局限于接收單音正弦波的系統(tǒng)而言，這些性能指標(biāo)并不適用。要深入洞察寬帶軟件無(wú)線(xiàn)電中模數(shù)轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)級(jí)的性能，必須重新建立一套與之不同的度量指標(biāo)。

　　因此，如果我們是在討論軟件無(wú)線(xiàn)電，那么請(qǐng)不要跟我提及諸如SNR、SFDR、ENOB這樣的性能指標(biāo)。我們可以討論一下真正相關(guān)的性能指標(biāo)：基底噪聲，互調(diào)失真（IMD）和噪聲功率比（NPR）。

　　通信系統(tǒng)性能和傳統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器規(guī)格

　　靈敏度（又稱(chēng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍）是所有系統(tǒng)中一個(gè)非常重要的性能指標(biāo)。通常情況下，靈敏度是在輸入端處于兩種極端情況下測(cè)量的（見(jiàn)圖3）：在無(wú)干擾信號(hào)的理想情況下所能接收到的最小強(qiáng)度信號(hào)，以及在周?chē)蓴_信號(hào)強(qiáng)度最強(qiáng)的情況下所能接收到的最小強(qiáng)度信號(hào)。這兩種極端情況通常稱(chēng)之為非阻塞狀態(tài)和阻塞狀態(tài)。

　　圖3：用于測(cè)量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍的輸入信號(hào)狀態(tài)

　　如圖3a所示，在非阻塞狀態(tài)下的靈敏度一般受限于有效帶寬中的噪聲強(qiáng)度。

　　而從圖3b中可以看出，在阻塞狀態(tài)下的靈敏度受限于信道的失真幅度，因?yàn)橄噜徯诺赖氖д嬉呀?jīng)波及到了有效帶寬。

　　無(wú)論在阻塞還是非阻塞狀態(tài)下，系統(tǒng)的性能都必須得到保證。因此，系統(tǒng)的靈敏度同時(shí)受限于信道的噪聲強(qiáng)度以及失真程度。作為大多數(shù)信道的主要組成部分，特別是對(duì)于寬帶軟件無(wú)線(xiàn)電來(lái)說(shuō)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器在決定整個(gè)系統(tǒng)的噪聲強(qiáng)度和失真程度方面具有舉足輕重的作用。

　　在傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的噪聲強(qiáng)度和失真程度可以用SNR、SFDR和ENOB來(lái)表示。SNR定義為單個(gè)單音輸入的功率與整個(gè)奈奎斯特頻帶功率的總功率的比值（不包括輸入信號(hào)的任何諧波）。SFDR的定義類(lèi)似，是該單音輸入的功率與整個(gè)奈奎斯特頻帶的第二大雜散分量的比值。最后，ENOB同樣也是使用單音輸入衡量，定義為該單音信號(hào)的功率與整個(gè)奈奎斯特頻帶的總功率之比。值得注意的是，ENOB有效地將SNR和SFDR融合成一個(gè)性能指標(biāo)。

　　傳統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器性能指標(biāo)的局限性

　　作為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，信噪比（SNR）、無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）和有效位數(shù)（ENOB）考慮了模數(shù)轉(zhuǎn)換器在對(duì)單音正弦波輸入進(jìn)行響應(yīng)時(shí)的整個(gè)奈奎斯特頻帶。然而，實(shí)際應(yīng)用中大多數(shù)信號(hào)并不是單音正弦波，而且大部分系統(tǒng)中數(shù)字化信號(hào)的帶寬幾乎從來(lái)都不會(huì)等同于奈奎斯特帶寬。許多應(yīng)用被設(shè)計(jì)用于處理帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于整個(gè)輸入帶寬的非正弦波信號(hào)，它們包括：

　　-有線(xiàn)電視（信道為6/8 MHz，輸入帶寬為1.1 GHz）

　　-衛(wèi)星電視（通常信道為36 MHz，輸入帶寬為500 MHz）

　　-多載波/多標(biāo)準(zhǔn)基站（信道只有200 kHz，帶寬為20 MHz）

　　-示波器（輸入帶寬等于或小于10%的奈奎斯特帶寬）

　　-天氣雷達(dá)（數(shù)據(jù)接收帶寬等于或小于10%的奈奎斯特帶寬）

　　為了說(shuō)明應(yīng)用于此類(lèi)實(shí)際系統(tǒng)和信號(hào)的傳統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器在性能指標(biāo)方面的局限性，在此考慮一個(gè)具有57 MHz、63 MHz、75 MHz 和81 MHz共四個(gè)信道的有線(xiàn)電視 頻譜（見(jiàn)圖4）。因?yàn)橛芯€(xiàn)電視頻譜的范圍可以上升到1.1 GHz，所以模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣率必須至少有2.2 GSPS。假設(shè)我們需要接收69 MHz的信道，對(duì)系統(tǒng)性能最好的評(píng)價(jià)指標(biāo)是：在系統(tǒng)噪聲和鄰近信道存在的情況下，該頻率下可以接收到的最小信道能量。

　　圖4：包含57、63、75和81 MHz信道的有線(xiàn)電視頻譜示例

　　如果我們使用傳統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器性能指標(biāo)來(lái)考查軟件無(wú)線(xiàn)電的噪聲性能，我們需要使用信噪比（SNR），它整合了從0 MHz到1.1 GHz的噪聲。然而，在這個(gè)應(yīng)用中，我們并不在意0 MHz到1.1 GHz的噪聲，我們只在意整個(gè)奈奎斯特頻帶中的6 MHz，所以我們只需要整合這個(gè)帶寬中的噪聲。同樣，我們應(yīng)當(dāng)注意該信道的二次和三次諧波并沒(méi)有落在54 MHz和84 MHz之間。因此，二次和三次諧波失真（它一般會(huì)限制無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍）將不會(huì)對(duì)69 MHz的任何信號(hào)產(chǎn)生影響?？紤]到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的信噪比和無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍對(duì)于軟件無(wú)線(xiàn)電的性能不能提供有用的信息，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的有效位數(shù)（組合了信噪比和無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍指標(biāo)）對(duì)于此系統(tǒng)而言也是一個(gè)無(wú)用的指標(biāo)。

　　傳統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器性能指標(biāo)的局限性還體現(xiàn)在多載波的GSM基站上。在典型的多載波GSM系統(tǒng)中，20 MHz帶寬下最多可接收四個(gè)200 kHz的GSM信道（見(jiàn)圖5）。如果我們假設(shè)采樣率為160 MSPS，傳統(tǒng)的信噪比指標(biāo)大概能整合80 MHz帶寬的噪聲。然而，在這個(gè)應(yīng)用中，我們只關(guān)心200 kHz GSM信道中的噪聲，而不是80 MHz的奈奎斯特帶寬。而且如果我們假定該系統(tǒng)中20 MHz頻帶的中心位置為30 MHz，無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍的局限性甚至比有線(xiàn)電視這個(gè)例子中還要苛刻。在這個(gè)系統(tǒng)中，20 MHz帶寬中任意信號(hào)的二次和三次諧波都不會(huì)落在此頻帶中，因此無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（它受限于二次和三次諧波）就不會(huì)在20 MHz接收帶寬中對(duì)系統(tǒng)的性能造成影響。信噪比和無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍是不相關(guān)的，所以有效位數(shù)對(duì)軟件無(wú)線(xiàn)電性能的評(píng)測(cè)也毫無(wú)價(jià)值可言。

　　圖5：多載波GSM頻譜示例 - 20 MHz接收頻帶以30 MHz為中心，采樣率為160 MSPS。

　　這些例子表明了傳統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器性能指標(biāo)的局限性。當(dāng)關(guān)注的信號(hào)帶寬小于奈奎斯特帶寬時(shí)（尤其是在有寬頻攔截器同時(shí)接收多個(gè)此類(lèi)信道時(shí)）信噪比、無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍和有效位數(shù)都不再是有用的指標(biāo)。此外，這些傳統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器性能指標(biāo)只注重單音輸入，而不是大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用中的較大帶寬信號(hào)。

　　對(duì)于軟件無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)中用于接收實(shí)際信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，需要其他指標(biāo)來(lái)更加準(zhǔn)確地反映其能力。

　　關(guān)于軟件無(wú)線(xiàn)電的模數(shù)轉(zhuǎn)換器性能指標(biāo)

　　幸運(yùn)的是，我們不需要?jiǎng)?chuàng)造新的性能指標(biāo)來(lái)描述軟件無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)的性能。大多數(shù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)手冊(cè)都已采用了兩個(gè)較好的性能指標(biāo)：

　　•基底噪聲

　　•互調(diào)失真（IMD）

　　第三個(gè)性能指標(biāo)，即噪聲功率比（NPR），也很適合用來(lái)評(píng)估軟件無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)的性能。

　　模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基底噪聲反映了模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入的噪聲密度（見(jiàn)圖6），一般以dBc/Hz、dBm/Hz等為單位。例如，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體最新推出的ADC12D1600芯片的基底噪聲是-149.6 dBm/Hz。如果ADC12D1600用來(lái)接收原先的多載波GSM樣本，在一個(gè)200 kHz通道上的總噪聲就是-96.6 dBm；假設(shè)輸入一個(gè)+2 dBm的全頻段信號(hào)，對(duì)于一個(gè)GSM載波來(lái)說(shuō)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍是98.6 dB，遠(yuǎn)大于規(guī)定的最小值85 dB。

　　基底噪聲也可用來(lái)比較最大采樣率不同的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使其成為用來(lái)比較不同模數(shù)轉(zhuǎn)換器性能的優(yōu)良指標(biāo)。例如，許多大于100 MSPS的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基底噪聲是-150 dBm/Hz，所以-149.6 dBM/Hz的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC12D1600的噪聲性能與高性能的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器相當(dāng)。

　　圖6：定義模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基底噪聲

　　模數(shù)轉(zhuǎn)換器的互調(diào)失真反映了在至少混合兩個(gè)輸入音產(chǎn)生失真輸出時(shí)所產(chǎn)生的毛刺（見(jiàn)圖7）。互調(diào)失真能通過(guò)單音的正弦波信號(hào)或者使用帶限信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)電纜調(diào)諧器的樣本（圖4：包含57、63、75和81 MHz信道的有線(xiàn)電視頻譜示例），我們注意到57 MHz和63 MHz的通道，也與75 MHz及81 MHz的通道一樣，會(huì)在69 MHz處產(chǎn)生三階互調(diào)失真（IMD3）。

　　美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體最近推出的ADC12D1600的雙音三階互調(diào)失真在1.2 GHz中心頻率處為-56 dBc. 假設(shè)帶限的互調(diào)失真能從雙音性能指標(biāo)中預(yù)測(cè)，而且兩個(gè)三階互調(diào)失真輸出以均方根的方式相加，在69 MHz處的互調(diào)功率將會(huì)是相鄰?fù)ǖ酪韵?3 dB。因此，當(dāng)保持載噪比（CNR）為30 dB時(shí)，ADC12D1600能接收到69 MHz的 通道，這比相鄰?fù)ǖ佬×?3 dB。

　　圖7：定義模數(shù)轉(zhuǎn)換器的三階互調(diào)失真

　　最后，噪聲功率比（NPR）是用來(lái)測(cè)量有效頻帶內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的噪聲和失真的性能指標(biāo)。這個(gè)測(cè)量通過(guò)對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入一個(gè)帶有阻斷頻率的寬帶信號(hào)來(lái)完成（參見(jiàn)圖8）。噪聲功率比，是阻斷頻帶（圖8：定義模數(shù)轉(zhuǎn)換器的噪聲功率比中的PN）內(nèi)的功率與相鄰等寬頻帶（圖8：定義模數(shù)轉(zhuǎn)換器的噪聲功率比中的PA）內(nèi)的功率之比。美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的ADC12D1600在模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入500 MHz寬的信號(hào)時(shí)，提供了52 dB的噪聲功率比。在電纜調(diào)諧器樣本中，當(dāng)保持30 dB的載噪比時(shí)，能接收比相鄰?fù)ǖ赖?2 dB的69 MHz通道。

　　圖8：定義模數(shù)轉(zhuǎn)換器的噪聲功率比

　　不要滿(mǎn)足于信噪比和無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍

　　基底噪聲、互調(diào)失真和噪聲功率比等帶內(nèi)性能指標(biāo)與信噪比、無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍及有效位數(shù)是密切相關(guān)的。其中，基底噪聲與信噪比的關(guān)系最緊密，互調(diào)與無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍關(guān)聯(lián)最密切，而噪聲功率比是對(duì)帶內(nèi)噪聲和失真的綜合測(cè)量指標(biāo)，有效位數(shù)則是對(duì)信噪比和無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍的綜合測(cè)量指標(biāo)。然而，這兩套性能指標(biāo)的最大差異在于，基底噪聲、互調(diào)失真和噪聲功率比都反映了模數(shù)轉(zhuǎn)換器的帶內(nèi)性能，而信噪比、無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍和有效位數(shù)反映的是模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)于單音正弦波信號(hào)的奈奎斯特頻帶性能。這些新的性能指標(biāo)更偏向具體應(yīng)用，因此在評(píng)估各種不同應(yīng)用和不同市場(chǎng)的軟件無(wú)線(xiàn)電用模數(shù)轉(zhuǎn)換器時(shí)，能提供有意義的信息。

　　隨著更多的應(yīng)用開(kāi)始采用寬帶的軟件無(wú)線(xiàn)電來(lái)提高系統(tǒng)性能和靈活性，對(duì)超寬帶模數(shù)轉(zhuǎn)換器的性能要求將持續(xù)增長(zhǎng)。但如果您正在構(gòu)建一個(gè)軟件無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)，需要懂得如何選擇一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，記住要用正確的性能指標(biāo)：需要什么樣的帶內(nèi)噪聲密度，能容忍什么樣的帶內(nèi)毛刺和失真？