随着数字信号处理技术和数字电路工作速度的提高,以及对于系统灵敏度等要求的不断提高,对于高速、高精度的 ADC(Analog to Digital Converter)、DAC(Digital to Analog Converter)的指标都提出了很高的要求。比如在雷达和卫星通信中,所需要的信号带宽已经达到了 2 GHz 以上,而下一代的 5G 移动通信技术在使用毫米波频段时也可能会用到 2 GHz 以上的信号带宽。虽然有些场合(比如线性调频雷达)可能采用频段拼接的方式去实现高的带宽,但是毕竟拼接的方式比较复杂,而且对于通信或其它复杂调制信号的传输也有很多限制。
根据 Nyquist 采样定律,采样率至少要是信号带宽的 2 倍以上。同时为了支持灵活的制式、相控阵或大规模 MIMO 的波束赋形,现代的收发机模块越来越普遍采用数字中频直接采样,这其实进一步提高了对于高速 ADC/DAC 芯片的性能要求。下图是一个典型的全数字雷达收发信机模块的结构。高速数字化仪和多通道数据采集解决方案 | Keysight根据 Nyquist 采样定律,采样率至少要是信号带宽的 2 倍以上。同时为了支持灵活的制式、相控阵或大规模 MIMO 的波束赋形,现代的收发机模块越来越普遍采用数字中频直接采样,这其实进一步提高了对于高速 ADC/DAC 芯片的性能要求。下图是一个典型的全数字雷达收发信机模块的结构。
高速 ADC/DAC 在现代全数字雷达中的应用
可以看到,ADC/DAC 芯片是模拟域和数字域的边界。一旦信号转换到数字域,所有的信号都可以通过软件算法进行处理和补偿,而且这个处理过程通常不会引起额外的噪声和信号失真,因此把 ADC/DAC 芯片前移、实现全数字化处理是现代通信、雷达技术的发展趋势。
在全数字化的发展过程中,ADC/DAC 芯片需要采样或者输出越来越高的频率、越来越高带宽的信号。而在模拟到数字或者数字到模拟的转换过程中造成的噪声和信号失真通常是很难补偿的,并且会对系统性能造成重大影响。所以,高速 ADC/DAC 芯片在采样或者产生高频信号时的性能对于系统指标至关重要。
目前在很多专用领域,使用的 ADC/DAC 的采样率可以达到非常高的程度。比如 Fujitsu 公司可以提供 110G~130GHz 的 IP 核,Keysight 公司在高精度示波器里用到了单片 40GHz 采样率、10bit 的 ADC 芯片,以及 Keysight 公司在高带宽任意波发生器里用到了 92GHz 采样率、8bit 的 DAC 芯片等。这些专用的芯片通常用于特殊应用,比如光通信或者高端仪表等,比较难以单独获得。
在商用领域,很多 ADC/DAC 芯片的采样率也都已经达到了 GHz 以上,比如 TI 公司的 ADC 12J4000 是 4 GHz 采样率、12bit 分辨率的高速 ADC 芯片;而 ADI 公司的 AD9129 是 5.6 GHz 采样率、14 bit 分辨率的高速 DAC 芯片。这一方面要求 ADC 有比较高的采样率以采集高带宽的输入信号,另一方面又要有比较高的位数以分辨细微的变化。