射频与收发器设计中的数据转换与采样技术解析

### 射频与收发器设计中的数据转换与采样技术解析 在现代电子系统中，数据转换和信号采样技术起着至关重要的作用。本文将深入探讨数据转换器的相关技术，包括JESD204B接口、自适应增益算法、数字下变频、奈奎斯特区以及直接RF采样收发器设计等内容。 #### 1. JESD204B接口与自适应增益算法 JESD204B接口为模拟采样提供了辅助数据的信息控制位，可附加到每个模拟样本上，有助于下游处理。通过这种方式，每个样本可以标记触发时间戳和超量程条件，使后端FPGA能够更好地了解数据对齐和有效性。 自适应增益算法对于调整模拟输入信号的幅度非常重要。当ADC输入饱和时，系统将无法有效解析信号。理想情况下，增益自适应反馈回路应尽可能快。然而，高速ADC输出无论是基于LVDS还是使用JESD204B/C，其数字输出的延迟往往过长，导致难以快速检测饱和数据并做出响应。 为解决这一问题，可以在ADC核心内部进行可变电平比较，并在超量程条件发生时直接发送即时输出标志。这种技术绕过了后端输出级的延迟，缩短了向放大器的反馈时间，实现更快的自适应增益循环。此外，使用JESD204B接口，超量程样本可以附加警报位，让下游系统处理对数据做出适当决策。 #### 2. 宽带ADC与数字下变频 宽带ADC不仅提供宽带采样的优势，在某些应用中还可能提供过多的数据。对于不需要观察大频谱的高采样率系统，数字下变频（DDC）允许采用子采样和滤波策略，对GSPS ADC输出的数据量进行抽取。下游处理则观察频谱的较小部分。 传统上，DDC通常在信号链中的ADC之后实现，这不仅消耗FPGA更多资源，还需要在ADC和FPGA之间传输全带宽数据。而将DDC滤波在ADC内部完成，可以只观察总带宽的八分之一或十六分之一。结合合成数控振荡器（NCO），可以精确调整转换器的DDC滤波器在频段中的位置，实现较低的输出速率，并消除在FPGA中移动和处理大量无用数据的需求。在某些雷达应用中，当有两个具有独特NCO的DDC时，它们可以交替扫描频谱以寻找预期信号，且不会丢失可见性。 #### 3. 奈奎斯特区与宽带信号采样 在采样理论中，为了从采样值中恢复信号，信号的采样频率必须大于信号频谱中最大频率fmax的两倍，这个采样频率称为奈奎斯特率fs ≥ 2fmax。如果信号采样低于奈奎斯特率，就会发生混叠。 对于采样率为fs的情况，一般无法区分频率为Nfs/2 ± Δf（N为整数）的正弦波。在这种情况下，这些频率的信号功率将集中在fs/2 - Δf处。只要对于每个Δf，在混叠频率中只有一个信号，信号就没有被不可逆地损坏，前提是知道所需信号占用了哪些混叠频率fs/2 ± Δf，就可以重建信号。这就引出了奈奎斯特区的概念。 奈奎斯特区是指对于采样频率fs，存在多个区域，如果信号的带宽限制在某个区域内，就可以恢复原始频谱。在采样频率fs下，较高奈奎斯特区的带限信号会混叠到第一奈奎斯特区。偶数奈奎斯特区的频谱会以相反顺序出现，奇数奈奎斯特区则以原始顺序出现。例如，一个700 - 800 MHz的100 MHz频段，只需以100 MHz采样就可以进行特征描述。只要知道占用的奈奎斯特区，就可以重建原始信号。但需要注意的是，奈奎斯特区的边界与采样率密切相关，这意味着所需信号的带宽必须适合某个奈奎斯特区。 根据泊松求和公式，函数v(t)的傅里叶变换的样本足以创建V(f)的周期扩展，即V(f) = ∑[k=-N to N] V(f - kfs)。这可以解释为V(f)的副本在fs的整数倍处平移后的总和。由于信号在fs的倍数处重复，当带宽大于fs/2时，会发生混叠和信息丢失。整数倍的奈奎斯特频率决定了奈奎斯特区，在文献中，奈奎斯特区仅针对正频谱定义。 离散时间信号的FFT可以分为无限多个fs/2的频率带，即奈奎斯特区。DC（零频率）到fs/2的频谱称为第一奈奎斯特区，频谱在不同奈奎斯特区重复。偶数奈奎斯特区是奇数奈奎斯特区的镜像。ADC中的混叠是输入级模拟信号采样保持处理的结果，在数字信号处理领域，采样保持处理相当于采样时钟的脉冲串频谱与模拟输入频谱的卷积，导致频谱在不同奈奎斯特区呈现周期性。当输入信号包含高于奈奎斯特频率（fs/2）的频率分量时，相邻奈奎斯特区会重叠，导致混叠。DAC中的混叠是输出级离散时间样本零阶保持处理的结果，零阶保持处理相当于矩形函数的sin(x)/x类型频谱与DAC核心输出脉冲串频谱的卷积，同样导致输出频谱在不同奈奎斯特区的周期性。 数据转换器主要分为奈奎斯特率和过