作為"現(xiàn)實(shí)國(guó)際"模仿域與1和0構(gòu)成的數(shù)字國(guó)際之間的關(guān)口，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化器是現(xiàn)代信號(hào)處理中的要害要素之一。曩昔30年，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化范疇涌現(xiàn)出了很多立異技能，這些技能不但助推了從醫(yī)療成像到蜂窩通訊、再到消費(fèi)音視頻，各個(gè)范疇的功能提升和架構(gòu)前進(jìn)，一起還為完成全新運(yùn)用發(fā)揮了重要作用。
寬帶通訊和高功能成像運(yùn)用的持續(xù)擴(kuò)張凸顯出高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化的特別重要性：轉(zhuǎn)化器要能處理帶寬規(guī)模在10 MHz至1 GHz以上的信號(hào)。人們經(jīng)過(guò)多種各樣的轉(zhuǎn)化器架構(gòu)來(lái)完成這些較高的速率，各有其優(yōu)勢(shì)。高速下在模仿域和數(shù)字域之間來(lái)回切換也對(duì)信號(hào)完整性提出了一些特別的應(yīng)戰(zhàn)——不只模仿信號(hào)如此，時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)亦是如此。了解這些問(wèn)題不只關(guān)于組件挑選十分重要，并且乃至?xí)绊懭w體系架構(gòu)的挑選。
在許多技能范疇，從以太網(wǎng)到無(wú)線局域網(wǎng)再到蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)通訊的實(shí)質(zhì)就是不斷進(jìn)步數(shù)據(jù)傳輸速率。經(jīng)過(guò)時(shí)鐘速率的前進(jìn)，微處理器、數(shù)字信號(hào)處理器和FPGA開(kāi)展十分迅速。這些器材首要得益于尺寸不斷縮小的蝕刻工藝，成果造就出開(kāi)關(guān)速率更快、體積更小(功耗更低)的晶體管。這些前進(jìn)創(chuàng)造出一個(gè)處理才能和數(shù)據(jù)帶寬呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的環(huán)境。這些強(qiáng)壯的數(shù)字引擎帶來(lái)了相同呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的信號(hào)和數(shù)據(jù)處理需求：從靜態(tài)圖畫到視頻，到帶寬頻譜，無(wú)論是有線仍是無(wú)線，均是如此。運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)鐘速率為100 MHz的處理器或許能有用地處理帶寬為1 MHz至10 MHz的信號(hào)：運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)鐘速率達(dá)數(shù)GHz的處理器能夠處理帶寬達(dá)數(shù)百MHz的信號(hào)。
自然地，更強(qiáng)的處理才能、更高的處理速率會(huì)導(dǎo)致更快的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化：寬帶信號(hào)擴(kuò)展其帶寬，成像體系尋求進(jìn)步每秒像素處理才能，以便愈加快速地處理更高分辨率的圖畫。體系架構(gòu)推陳出新，以利用極高的這種處理功能，其間還呈現(xiàn)了并行處理的趨勢(shì)，這或許意味著對(duì)多通道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化器的需求。
架構(gòu)上的另一重要變化是走向多載波/多通道，乃至軟件界說(shuō)體系的趨勢(shì)。傳統(tǒng)的模仿密集型體系在模仿域中完結(jié)許多信號(hào)調(diào)度工作；在經(jīng)過(guò)充分準(zhǔn)備后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理。例如FM播送：給定電臺(tái)的通道寬度通常為200 kHz，FM頻段規(guī)模為88 MHz至108 MHz。傳統(tǒng)接收器把方針電臺(tái)的頻率轉(zhuǎn)化成10.7 MHz的中頻，過(guò)濾掉所有其他通道，并把信號(hào)擴(kuò)大到最佳解調(diào)起伏。多載波架構(gòu)將整個(gè)20 MHz FM頻段數(shù)字化，并利用數(shù)字處理技能來(lái)挑選和康復(fù)方針電臺(tái)。雖然多載波方案需求選用復(fù)雜得多的電路，但它具有極大的體系優(yōu)勢(shì)：體系能夠一起康復(fù)多個(gè)電臺(tái)，包括邊頻電臺(tái)。假如規(guī)劃得當(dāng)，多載波體系乃至能夠經(jīng)過(guò)軟件重新裝備，以支持新的標(biāo)準(zhǔn)。這種方法的最終方針是選用能夠接納所有頻帶的寬帶數(shù)字化儀和能夠康復(fù)任何信號(hào)的強(qiáng)壯處理器：這即是所謂的軟件界說(shuō)無(wú)線電。其他范疇中有等效的架構(gòu)——軟件界說(shuō)儀表、軟件界說(shuō)攝像頭等。咱們能夠把這些當(dāng)作虛擬化的信號(hào)處理等效物。使得諸如此類靈活架構(gòu)成為或許的是強(qiáng)壯的數(shù)字處理技能以及高速、高功能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化技能。
無(wú)論是模仿仍是數(shù)字信號(hào)處理，其基本維度都是帶寬和動(dòng)態(tài)規(guī)模——這兩個(gè)要素決議著體系實(shí)踐能夠處理的信息量。在通訊范疇，克勞德?香農(nóng)的理論就運(yùn)用這兩個(gè)維度來(lái)描繪一個(gè)通訊通道能夠攜帶的信息量的基本理論限值，但其原理卻適用于多個(gè)范疇。關(guān)于成像體系，帶寬決議著給守時(shí)刻能夠處理的像素量，動(dòng)態(tài)規(guī)模決議著最暗的可察覺(jué)光源與像素飽滿點(diǎn)之間的強(qiáng)度或顏色規(guī)模。
數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化器的可用帶寬有一個(gè)由奈奎斯特采樣理論設(shè)定的基本理論限值——為了表明或處理帶寬為F的信號(hào)，咱們需求運(yùn)用運(yùn)轉(zhuǎn)采樣速率至少為2 F的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化器。關(guān)于實(shí)踐體系，一定量的過(guò)采樣可極大地簡(jiǎn)化體系規(guī)劃，因而，更典型的數(shù)值是信號(hào)帶寬的2.5至3倍。如前所述，不斷添加的處理才能可進(jìn)步體系處理更高帶寬的才能，而蜂窩電話、電纜體系、有線和無(wú)線局域網(wǎng)、圖畫處理以及儀器儀表等體系都在朝著帶寬更高的體系開(kāi)展。這種不斷進(jìn)步帶寬需求要求數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化器具備更高的采樣速率。
假如說(shuō)帶寬這個(gè)維度直觀易懂，那么動(dòng)態(tài)規(guī)模這個(gè)維度則或許稍顯晦澀。在信號(hào)處理中，動(dòng)態(tài)規(guī)模表明體系能夠處理且不發(fā)作飽滿或削波的最大信號(hào)與體系能夠有用捕獲的最小信號(hào)之間的分布規(guī)模。咱們能夠考慮兩類動(dòng)態(tài)規(guī)模：可裝備動(dòng)態(tài)規(guī)模能夠經(jīng)過(guò)在低分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)化器(ADC)之前放置一個(gè)可編程增益擴(kuò)大器(PGA)來(lái)完成：當(dāng)增益設(shè)為低值時(shí)，這種裝備能夠捕獲大信號(hào)而不會(huì)超越轉(zhuǎn)化器的規(guī)模。當(dāng)信號(hào)超小時(shí)，可將PGA設(shè)為高增益，以將信號(hào)擴(kuò)大到轉(zhuǎn)化器的噪底以上。信號(hào)或許是一個(gè)信號(hào)強(qiáng)或信號(hào)弱的電臺(tái)，也或許是成像體系中的一個(gè)亮堂或暗淡的像素。關(guān)于一次只測(cè)驗(yàn)康復(fù)一個(gè)信號(hào)的傳統(tǒng)信號(hào)處理架構(gòu)來(lái)說(shuō)，這種可裝備動(dòng)態(tài)規(guī)模或許是十分有用的。
瞬時(shí)動(dòng)態(tài)規(guī)模愈加強(qiáng)壯：在這種裝備中，體系擁有足夠的動(dòng)態(tài)規(guī)模，能夠一起捕獲大信號(hào)而不產(chǎn)生削波現(xiàn)象，一起還能康復(fù)小信號(hào)——現(xiàn)在，咱們或許需求一個(gè)14位的轉(zhuǎn)化器。該原理適用于多種運(yùn)用——康復(fù)強(qiáng)電臺(tái)或弱電臺(tái)信號(hào)，康復(fù)手機(jī)信號(hào)，或許康復(fù)圖畫的超亮和超暗部分。在體系傾向運(yùn)用愈加復(fù)雜的信號(hào)處理算法的一起，對(duì)動(dòng)態(tài)規(guī)模的需求也是水漲船高的走向。在這種情況下，體系能夠處理更多信號(hào)——假如悉數(shù)信號(hào)都具有相同的強(qiáng)度，并且需求處理兩倍的信號(hào)，則需求添加3 dB的動(dòng)態(tài)規(guī)模。或許更重要的是，如前所述，假如體系需求一起處理強(qiáng)信號(hào)和弱信號(hào)，則動(dòng)態(tài)規(guī)模的增量要求或許要大得多。
在數(shù)字信號(hào)處理中，動(dòng)態(tài)規(guī)模的要害參數(shù)是信號(hào)表明中的位數(shù)，或稱字長(zhǎng)：一個(gè)32位處理器的動(dòng)態(tài)規(guī)模多于一個(gè)16位的處理器。過(guò)大的信號(hào)將發(fā)作削波——這是一種高度非線性的運(yùn)算，會(huì)損壞多數(shù)信號(hào)的完整性。過(guò)小的信號(hào)——起伏小于1 LSB——將變得不行檢測(cè)并丟失掉。這個(gè)有限分辨率通常稱為量化差錯(cuò)，或量化噪聲，在確立可檢測(cè)性下限時(shí)或許是一個(gè)重要要素。
事實(shí)上，每種運(yùn)用或許都有自己的有用動(dòng)態(tài)規(guī)模描繪方法。開(kāi)始時(shí)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化器的分辨率是其動(dòng)態(tài)規(guī)模的一個(gè)良好代替方針，但在真實(shí)決議時(shí)挑選正確的技能標(biāo)準(zhǔn)是十分重要的。要害原則是，越多越好。雖然許多體系能夠當(dāng)即意識(shí)到需求更高的信號(hào)處理帶寬，但對(duì)動(dòng)態(tài)規(guī)模的需求卻或許不是如此直觀，即使要求愈加苛刻。
值得注意的是，雖然帶寬和動(dòng)態(tài)規(guī)模是信號(hào)處理的兩個(gè)首要維度，但還有必要考慮第三個(gè)維度，即效率：對(duì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化器和其他電子信號(hào)處理運(yùn)用來(lái)說(shuō)，一種愈加樸實(shí)的、衡量成本的技能手段是功耗。功能越高的體系——更大的帶寬或動(dòng)態(tài)規(guī)模——往往要消耗更多的電能。隨著技能的前進(jìn)，咱們都試圖在進(jìn)步帶寬和動(dòng)態(tài)規(guī)模的一起減少功耗。
完成寬帶混合信號(hào)體系不只僅要挑選正確的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化器——這些體系或許對(duì)信號(hào)鏈的其他部分有著苛刻的要求。相同，應(yīng)戰(zhàn)是在較寬的帶寬規(guī)模內(nèi)完成優(yōu)秀的動(dòng)態(tài)規(guī)模——使更多的信號(hào)進(jìn)出數(shù)字域，充分利用數(shù)字域的處理才能。
寬帶和信號(hào)調(diào)度—在傳統(tǒng)單載波體系中，信號(hào)調(diào)度就是趕快消除無(wú)用信號(hào)，然后擴(kuò)大方針信號(hào)。這往往涉及挑選性濾波以及針對(duì)方針信號(hào)微調(diào)的窄帶體系。這些經(jīng)過(guò)微調(diào)的電路在完成增益方面或許十分有用，并且在某些情況下，能夠利用頻率規(guī)劃技能來(lái)確保將諧波或其他雜散排除在帶外。寬帶體系不能運(yùn)用這些窄帶技能，并且在這些體系中完成寬帶擴(kuò)大或許面對(duì)巨大的應(yīng)戰(zhàn)。
數(shù)據(jù)接口—傳統(tǒng)的CMOS接口不支持大大超越100 MHz的數(shù)據(jù)速率——并且低電壓差分?jǐn)[幅(LVDS)數(shù)據(jù)接口運(yùn)轉(zhuǎn)速率達(dá)800 MHz至1 GHz。關(guān)于較大數(shù)據(jù)速率，咱們能夠運(yùn)用多個(gè)總線接口，或許運(yùn)用SERDES接口。現(xiàn)代的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化器選用的是最高速率達(dá)12.5 GSPS的SERDES接口——能夠用多條數(shù)據(jù)通道來(lái)支持轉(zhuǎn)化器接口中分辨率和速率的不同組合。這些接口本身或許十分復(fù)雜。
時(shí)鐘接口—就體系中運(yùn)用的時(shí)鐘的質(zhì)量來(lái)說(shuō)，高速信號(hào)的處理也或許好不容易。時(shí)域中的顫動(dòng)/差錯(cuò)會(huì)轉(zhuǎn)化成信號(hào)中的噪聲或差錯(cuò)。在處理速率大于100 MHz的信號(hào)時(shí)，時(shí)鐘顫動(dòng)或相位噪聲或許成為轉(zhuǎn)化器可用動(dòng)態(tài)規(guī)模的一個(gè)限制要素。數(shù)字級(jí)時(shí)鐘或許無(wú)法勝任這類體系，或許需求運(yùn)用高功能時(shí)鐘。
走向更寬帶寬信號(hào)和軟件界說(shuō)體系的步伐不斷加快，業(yè)界不斷推陳出新，涌現(xiàn)出構(gòu)建更好、更快數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化器的立異方法，將帶寬、動(dòng)態(tài)規(guī)模和功效三個(gè)維度推上了新的臺(tái)階。
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