A/D變換器對頻譜儀和信號分析儀動態范圍的影響

　　DC動態指標

　　信噪比

　　對于理想的ADC來說，在奈奎斯特帶寬內的量化誤差為一白噪聲隨機信號，其量化方差。其中為A/D變換器的量化間距，N為A/D字長N位。

　　量化噪聲的信噪比為：

式中，N是ADC的位數，fs是采樣頻率，Ｂ是模擬輸入信號的帶寬。上式右邊第三項表示增加采樣頻率(過采樣)可提高信噪比。

　　有效位數

　　實際上ＡＤＣ的誤差表現為靜態及動態非線性誤差，并且動態誤差隨輸入信號壓擺率的增加而變大。因此實際測量的信噪比要比理論上的小一些。計算有效位數(ENOB)可以從對方程(1)的N求解得到。

　　頻譜儀和信號分析儀內部的ADC指標評估

　　ADC動態所影響的信號分析儀指標

　　典型的頻譜儀電路框圖如圖1所示。其中ADC處于中頻信號之后，對中頻(或視頻)信號進行采樣和轉換。ADC的性能影響到頻譜儀的噪聲和信噪比等指標，還影響到頻譜儀的失真指標，包括諧波、雜散和互調失真。

　　對于現代信號分析儀來說，中頻和視頻信號的處理基本采用數字技術和矢量分析(IQ分析)技術。因此，DAC所造成的影響就顯得十分重要。

　　舉例分析ADC動態所影響的信號分析儀指標

　　以羅德與施瓦茨公司FSQ為例，對于A/D轉換和數據分析部分進一步分析，框圖如圖2。

　　·ADC的量化噪聲和信噪比理論分析

　　對于FSQ的窄帶IQ分析模塊，采用的ADC(標注②和③)為14位81.6MHz采樣，根據公式(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，對于窄帶IQ分析模塊，ADC的量化噪聲理論值為 -162dBc/Hz。

　　對于FSQ的寬帶擴展IQ分析模塊(FSQ-B72)，采用的ADC(標注①)為8位326.4MHz采樣，根據公式(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，對于寬帶IQ分析模塊，ADC的量化噪聲理論值為 -132dBc/Hz。

　　相對于實際信號分析儀，根據ADC之前的濾波器帶寬BW，可以計算出分析儀在相應帶寬下可以達到的實際噪聲。噪聲計算公式為：

　　N=-SNR(1Hz)+101g(BW/1Hz)

　　對于窄帶IQ分析模塊，當濾波器帶寬為10MHz(被測信號帶寬小于10MHz)時，ADC的量化噪聲理論值為

　　N=-162+101g(BW/1Hz)=-92dBc

　　對于寬帶IQ分析模塊，當濾波器帶寬為60MHz(被測信號帶寬小于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分析動態指標

　　對于實際的信號分析儀，影響其動態指標的因素除了ADC以外還有很多。可以根據分析儀指標手冊中的實際動態指標進行分析評價。

　　根據公式(2)，利用分析儀實際信噪比指標計算實際ADC的有效位數：

　　ENOB(N)=[SNR-1.76-101g(fs/2B)]/6.02

　　FSQ-B72(帶寬擴展選件)的信噪比和有效位數指標：

　　FSQ-B72的雜散指標：

　　FSQ-B72的本底噪聲指標：-153dBm/Hz

　　滿量程信號輸入時，針對寬帶IQ信號，例如30MHz帶寬，此時信噪比為：

　　SNR(dBc)=SNR0(dBc/Hz)-101g(BW/1Hz)=125-101g(30×106/1Hz)

　　對于帶寬30MHz的信號，SNR>50dBc。

　　某常見頻譜儀寬帶IQ分析選件的動態指標

　　某常見頻譜儀寬帶IQ分析選件的指標：在14GHz左右噪聲功率密度為-123dBfs/Hz。

　　根據公式(2)，利用頻譜儀實際信噪比指標計算實際ADC的有效位數為7位。

　　雜散響應為-68dBc, 互調響應為-75dBc，本底噪聲-153dBm/Hz。

　　在14GHz滿量程信號輸入時，針對寬帶IQ信號，例如30MHz帶寬，此時信噪比為：

　　SNR(dBc)=SNR0(dBc/Hz)-101g(BW/1Hz)=123-101g(30×106/1Hz)=48(dBc)

　　對于帶寬30MHz的信號，SNR>48dBc。
　　
　　結語

　　在分析頻譜儀和信號分析儀動態指標時，要綜合考慮信噪比、雜散和互調指標。從上文分析看出，對于寬帶信號，影響動態范圍最主要的因素為信噪比，其它失真諸如雜散和互調等，在分析帶寬較大的情況下，會淹沒在噪聲內。

　　例如，FSQ-B72的寬帶信號分析在信號帶寬為30MHz時，動態范圍大于50dBc，隨著帶寬的增加，動態范圍減小。2.2.3中所述頻譜儀寬帶IQ分析選件的寬帶信號分析在信號帶寬為30MHz時，輸入頻率為14GHz左右時動態范圍大于48dBc。■