信号链基础知识:高速数模转换器的数字特性

TI 的 DAC34H84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。

　　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：

　　图 1 DAC34H84 功能结构图

　　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。