软件定义无线电35

12.4 射频采样数据转换器特性

12.4.1 噪声谱密度

 信号的带宽、采样率和用于给定应用程序的附加滤波都会影响信噪比。制造商使用噪声谱密度(Noise Spectrum Density，NSD)作为测量和表示RF采样设备噪声性能的替代方法此外，NSD给出了数据转换器灵敏度的更真实的图像，确定其捕获低功率信号的能力。NSD测量每1hz带宽的噪声功率，使其更容易计算特定兴趣频段内的总噪声功率。NSD是相对于满量程输入来测量的，通常以dBFS/Hz表示，其中FS表示“满量程”。使用N位数据转换器的理想信噪比和NFFT点的FFT的理论本底噪声可以计算出NSD的近似值。

 由于信噪比是整个奈奎斯特频带的信号功率与噪声功率之比，因此可以通过满量程输入功率减去信号功率来计算整个频带的总噪声功率。如果我们假设输入信号处于满量程，则整个频带的总噪声功率仅为dBFS信噪比值的负值。

由于其他噪声源的存在，降低了信噪比，因此NSD的真实值将与理想情况有所不同。输入信号频率也会影响NSD。因此，实际值必须从直接测量中获得。大多数制造商提供各种输入频率的NSD值，这可以很好地表征数据转换器的整体性能。例如，对于第一代 RF-ADC Quad tile，输入频率为240 MHz和2.4 GHz时，NSD的典型值分别为-150 dBFS/Hz和-146 dBFS/Hz。

12.4.2 双音互调失真

与由谐波畸变引起的杂散一样，互调产物的幅度取决于器件的线性度。器件越线性，IMD产品的幅值越低。制造商的数据表通常只说明三阶产品，并提供用于测量的输入频率和幅度。例如，第3代RFSoC RF-ADC Quad tile在1.9 GHz输入频率下的典型IM3测量值为-75 dBc，两个输入测试单音间隔20 MHz。

 与由谐波畸变引起的杂散一样，互调产物的幅度取决于器件的线性度。器件越线性，IMD产品的幅值越低。制造商的数据表通常只说明三阶产品，并提供用于测量的输入频率和幅度。例如，第3代RFSoC RF-ADC四分量片在1.9 GHz输入频率下的典型IM3测量值为-75 dBc，两个输入测试音调间隔20 MHz[

12.4.3 相邻通道泄露比

 在现代无线电通信中，频谱被认为是一种稀缺资源，其使用由国家或地区监管机构控制。在分配频带上进行传输的用户必须避免或尽量减少对附近频率频谱上的其他用户造成的干扰。因此，量化传输信号“泄漏”到相邻信道的数量是很重要的。其标准测量方法是相邻通道泄漏比(Adjacent Channel Leakage Ratio，ACLR)。

 ACLR是用于4G LTE和5G NR等无线电标准的标准化频谱测量，它是相对于目标信道内信号功率泄漏到相邻信道(主要由IM3互调产品引起)的功率量的测量，通常以dBc表示。图12.18显示了直接与目标通道相邻的通道的ACLR测量。等效测量也可用于量化“下一个相邻”通道的泄漏，即那些在频率上与参考通道进一步分离的通道。

F Notebook Set F——频率规划

在本章中，我们介绍了一种用于RFSoC器件范围的频率规划工具(基于AMD发布的类似工具)。该工具完全用Python编写，可以在Jupyter Notebook中运行，直接从托管在计算机或RFSoC板上的浏览器运行。它允许快速和容易地确定RF-ADC和RF-DAC的脉冲位置。利用用户设定的参数来计算杂散，例如采频率规划是一种无线电系统设计技术，用于减轻在数模转换和模数转换过程中产生的干扰杂散。最突出的杂散通常是谐波，位于输入频率的整数倍，这是由非线性引起的样率和信号频率(这决定了奈奎斯特工作区域)。信号和杂散显示在一个图上，当任何参数改变时，该图会自动更新。

F.1 频率规划导论

 频率规划是一种无线电系统设计技术，用于减轻在数模转换和模数转换过程中产生的干扰杂散。最突出的杂散通常是谐波，位于输入频率的整数倍，这是由数据转换器和外部组件非线性引起的。锁相环(PLL)混频杂散也可能存在，这是由采样时钟与输入信号混频引起的，过程类似于外差混频。此外，交错ADC由于子ADC之间的直流偏置、增益和相位不匹配而产生杂散，其频率与数据转换器的输入频率和采样率有关。

 第一个Notebook，01_frequency_planning.ipynb，探讨了频率规划背后的一些基本概念。我们首先探索非线性器件的影响，以及非线性如何产生原信号中不存在的谐波成分。我们讨论非线性响应背后的数学，并允许用户改变参数和比较结果。例如，对非线性放大器进行仿真，并直接与线性放大器进行比较。结果表明，非线性放大器在基频的整数倍处引入谐波，而线性放大器则不引入谐波。

 然后对热刺进行更详细的研究。特别是，我们探索由交错ADC引起的杂散。我们研究了直流偏置交错杂散(Offset Interleaving Spurs，OIS)、增益/时间交错杂散(Gain/Time Interleaving Spurs，GTIS)和谐波交错杂散，并计算了它们的频率。我们还考虑了混叠的影响，以及基于奈奎斯特带，这如何以一种可预测的方式改变杂散的频率特性。

然后进行非线性交错ADC的模拟，生成了许多不同的杂散。在模拟的最后，我们给出了一个显示频域中杂散位置的图。该图如图F.1所示，可以在ADC输出旁看到OIS、GTIS、谐波和交错杂散。

 最后，本手册的结论是考虑滤波器的设计，以及如何使用它们来抑制感兴趣信号周围的杂散。

F.2 RFSoC频率规划

 第二个Notebook标题为02_rfsoc_frequency_planner.ipynb。包含RFSoC频率规划器，它使用户能够在给定一组可配置的输入参数的情况下快速找到杂散的位置。频率规划器分为四个独立的工具：RF-ADC、RF-DAC、数字下变频(DDC)和数字上变频(DUC)。

 RFSoC频率规划工具的一个示例如图12.20所示。特别展示了DDC工具。频率规划器的几个部分突出显示:工具选择选项卡(1);参数控制(2);和频率规划图(3)。工具选择选项卡允许用户在ADC、DAC、DDC和DUC计划之间导航。参数控件包含几个小部件，用于调整频率规划器的属性。最后，图F.2中间的频率规划图会随着用户对频率规划参数的调整而实时更新。

频率规划的目标是确定一组参数，使影响目标信号的干扰最小化。频率计划还应该在信号的上方和下方留出足够的无杂散频带，以便通过滤波抑制频谱中其他地方产生的杂散。频率规划工具允许用户在提交特定配置之前快速调整不同的参数并查看结果，从而使这项任务变得更加容易。现在，我们将从RF-ADC开始介绍每种频率规划工具。

RF-DAC工具提供与RF-ADC工具相同的可配置参数，除了交错因子，它与RF-DAC无关。此外，该工具根据给定的输入参数计算RF-DAC必须使用的采样模式。请注意，在奈奎斯特区域2内操作需要启用精细混频器的Mix-Mode配置

 DDC和DUC工具允许在混合和速率变化阶段(分别为抽取或插值)之后定位杂散。在这两种工具中，信号和杂散都局限于单音而不是频带。此外，每个脉冲的振幅可以由用户控制。

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