详解ADC需要考虑的交调失真因素

中心议题：

• 双音交调失真（IMD）
• 多音无杂散动态范围

解决方案：

• 数据转换器的交调截点无实用价值
• 高SFDR会增强接收器在有大信号时捕获小信号的能力

简介　　

交调失真（IMD）是用于衡量放大器、增益模块、混频器和其他射频元件线性度的一项常用指标。二阶和三阶交调截点（IP2和IP3）是这些规格参数的品质因素，以其为基础可以计算不同信号幅度下的失真积。虽然射频工程师们非常熟悉这些规格参数，但当将其用于ADC时往往会产生一些困惑。本教程首先在ADC的框架下对交调失真进行定义，然后指出将IP2和IP3的定义应用于ADC时必须采取的一些预防措施。　　

双音交调失真（IMD）　　

测量双音交调失真时，要将两个频谱纯净的正弦波在频率f1和f2下应用于ADC,这两个频率一般距离相对较近。将每个音的幅度设为比满量程低，数值略微超过6 dB即可，以便两个音相位增加时，ADC不会出现削波。二阶和三阶积的位置如图1所示。请注意，二阶积处于数字滤波器可以消除的频率位置。然而，三阶积2f2 – f1和2f1 – f2 接近原始信号，过滤的难度更大。除非另有说明，双音交调失真指这些"近距"三阶积。交调失真积值一般以dBc为单位，相对于两个原始音之一的值，而不是两者之和。
 

图1:二阶和三阶交调积其中，f1 = 5 MHz, f2 = 6 MHz　　

然而，请注意，如果两个音接近fs/4,则基波的混叠三次谐波可能使2f2 – f1和2f1 – f2真实积的识别变得异常困难。其原因在于，fs/4 的三次谐波为3fs/4,而混叠出现在fs – 3fs/4 = fs/4频率处。类似地，如果两个音接近fs/3,则混叠二次谐波可能会干扰测量。原理同上，fs/3的二次谐波为2fs/3,混叠出现在fs – 2fs/3 = fs/3处。　　

二阶和三阶交调截点（IP2, IP3）、1-dB 压缩点　　

三阶交调失真积在多通道通信系统中尤其麻烦，这种应用中，通道隔离在整个频段保持不变。三阶交调失真积在有大信号的情况下可能掩盖住小信号。　　

在放大器、混频器和其他射频元件中，一般以三阶交调截点（IP3）来表示三阶交调失真积，如图2所示。两个频谱纯洁的音被应用于该系统。单音的输出信号功率（单位：dBm）以及三阶积的相对幅度（以一个单音为基准）表示为输入信号功率的函数。基波表示为图中的slope = 1曲线。如果通过幂级数展开逼近系统非线性度，则信号每增加1 dB,二阶IMD （IMD2）幅度将增加2 dB,如图中slope = 2 曲线所示。　　

类似地，信号每增加1 dB,三阶IMD （IMD3）幅度就增加3 dB,如图中slope = 3 曲线所示。　　

在一个低电平双音输入信号和两个数据点下，则可以绘制出二阶和三阶交调失真线，如图2所示（其原理是，一个点和一个斜率定义一条直线）。　　

然而，输入信号一旦达到某种水平，输出信号就会开始软限制或压缩。这里一个相关参数是1 dB压缩点。这就是输出信号从一个理想的输入/输出传递函数压缩1 dB的点。在图2中，该点处于理想斜率= 1线变成虚线与实际响应表现出压缩迹象（实线）之间的区域中。　　

然而，二阶和三阶交调截线都可以延长，与理想输出信号线的延长线（虚线）相交。这些交点分别称为二阶和三阶交调截点，表示为IP2和IP3.这些功率电平值通常以传导至一个匹配负载（通常但不一定为50 ）的器件输出功率为基准，表示为dBm.　　

应当注意，IP2、IP3和1 dB压缩点都是频率的函数，不出所料，频率越高，失真越严重。　　

对于给定的频率，在已知三阶交调截点的情况下，可以计算出三阶IMD积的近似电平值（为输出信号电平的函数）。

图2:交调截点的定义与放大器的1 dB压缩

二阶和三阶交调截点的概念对ADC无效，因为，在这种情况下，失真积的变化不可预测（作为信号幅度的函数）。ADC并不是逐渐开始压缩接近满量程的信号（不存在1 dB压缩点）；一旦信号超过ADC输入范围，ADC就会充当硬限幅器，从而因削波而突然产生数量极大的失真。另一方面，对于远远低于满量程的信号，失真底保持相对稳定，不受信号电平影响，如图3所示。
 

图3:数据转换器的交调截点无实用价值。　　

图3中的IMD曲线分为三个区域。对于低电平输入信号，IMD积保持相对稳定，不受信号电平的影响。这就意味着，当输入信号增加1 dB时，该信号与IMD电平的比值也会增加1 dB.　　

当输入信号处于ADC满量程范围的几dB之内时，IMD可能开始增加（但在设计优良的ADC中可能不会如此）。出现这种现象的确切电平取决于具体的ADC--有些ADC在其满量程输入范围内，其IMD积不会显着增大，但多数ADC会。当输入信号继续增加并超过满量程范围时，ADC应充当理想的限幅器，IMD积将变得非常大。出于对此类原因的考虑，ADC并无二阶和三阶IMD交调截点额定值。需要注意的是，DAC实际上存在同样的情况。在两种情况下，单音或多音SFDR（无杂散动态范围）额定值是广受认可的数据转换器失真性能的衡量指标。　　

多音无杂散动态范围　　

通信应用通常需要测量双音和多音SFDR.信号音数量越多，越接近蜂窝电话系统（如AMPS或GSM）的宽带频谱。图4所示为AD9444 14位80-MSPS ADC的双音交调性能。两个输入音的频率分别为69.3 MHz和70.3 MHz,位于第二奈奎斯特区。
 

图4:AD9444 14位80 MSPS ADC双音FFT（输入音频率：f1 = 69.3 MHz和f2 = 70.3 MHz）。　　

因此，混叠音出现在9.7 MHz和10.7 MHz,位于第一奈奎斯特区。图4同时显示了所有混叠IMD积的位置。高SFDR会增强接收器在有大信号时捕获小信号的能力，并防止小信号被大信号的交调积掩盖。图5所示为AD9444双音SFDR（为输入信号幅度的函数），其中，两个音的输入频率相同。
 

图5:双音SFDR和最差IMD3积与AD9444 14位80 MSPS ADC输入幅度的关系。　　

总结　　

交调失真（IMD2、IMD3）和交调截点（IP2、IP3）是混频器、LNA、增益模块、放大器等射频元件的常用规格参数。通过幂级数展开来模拟这些器件的非线性度，可以基于交调截点IP2和IP3来预测各种信号幅度的失真电平。与放大器和混频器不同，ADC失真（尤其是低电平信号）并不适用简单的幂级数展开模型，因此，交调截点IP2和IP3无法用于预测失真性能。另外，当输入信号超过满量程范围时，ADC将充当理想的限幅器，而放大器和混频器一般充当软限幅器。　　

尽管存在这些差异，但在通信应用中，了解ADC的双音IMD性能至关重要。较好的数据手册会针对多种输入信号频率和幅度提供这种数据。除此以外，ADIsimADCTM 程序可用于评估各种ADC在系统应用要求的具体频率和幅度下的性能。ADIsimADC程序充当虚拟评估板的作用，可以从ADI网站下载，同时还可下载针对IF采样ADC的最新模型。该程序基于FFT引擎，可以精确地计算出单音和双音输入信号的SNR、SFDR和IMD值。