在現(xiàn)代頻譜儀和信號分析儀中，隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的廣泛采用，高速A/D轉(zhuǎn)換器（ADC）的應(yīng)用及其性能越來越受到關(guān)注，因為它的性能直接影響頻譜儀和信號分析儀的精度，尤其是ADC的動態(tài)性能，包括信噪比和有效位數(shù)。ADC的動態(tài)范圍性能可以通過其位數(shù)（N）和采樣頻率（fs）計算出理論值，同時也可以通過實際測試獲得頻譜儀和信號分析儀的所選數(shù)字處理通道A/D處理的實際動態(tài)指標。是否ADC的位數(shù)越高意味著分析動態(tài)范圍越大呢？結(jié)果并非如此。要注意，在評價兩種儀表時，要采用同等條件和一致的指標定義方法，僅僅關(guān)注ADC的位數(shù)是錯誤的，應(yīng)當關(guān)注其有效位數(shù)、信號和分析帶寬、采樣頻率和信噪比。

ADC動態(tài)指標

信噪比

對于理想的ADC來說，在奈奎斯特帶寬內(nèi)的量化誤差為一白噪聲隨機信號，其量化方差

其中q=2-N為A/D變換器的量化間距，N為A/D字長N位。

量化噪聲的信噪比為：

SNR=6.02N+1.76+101g（fs/2B） （1）

式中，N是ADC的位數(shù)，fs是采樣頻率，Ｂ是模擬輸入信號的帶寬。上式右邊第三項表示增加采樣頻率（過采樣）可提高信噪比。

有效位數(shù)

實際上ＡＤＣ的誤差表現(xiàn)為靜態(tài)及動態(tài)非線性誤差，并且動態(tài)誤差隨輸入信號壓擺率的增加而變大。因此實際測量的信噪比要比理論上的小一些。計算有效位數(shù)（ENOB）可以從對方程（1）的N求解得到。

ENOB（N）=［SNR-1.76-101g（fs/2B）］/6.02 （2）

頻譜儀和信號分析儀內(nèi)部的ADC指標評估

ADC動態(tài)所影響的信號分析儀指標

典型的頻譜儀電路框圖如圖1所示。其中ADC處于中頻信號之后，對中頻（或視頻）信號進行采樣和轉(zhuǎn)換。ADC的性能影響到頻譜儀的噪聲和信噪比等指標，還影響到頻譜儀的失真指標，包括諧波、雜散和互調(diào)失真。

典型的頻譜儀電路框圖

對于現(xiàn)代信號分析儀來說，中頻和視頻信號的處理基本采用數(shù)字技術(shù)和矢量分析（IQ分析）技術(shù)。因此，DAC所造成的影響就顯得十分重要。

舉例分析ADC動態(tài)所影響的信號分析儀指標以羅德與施瓦茨公司FSQ為例，對于A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)分析部分進一步分析，框圖如圖2。

ADC動態(tài)所影響的信號分析儀

·ADC的量化噪聲和信噪比理論分析

對于FSQ的窄帶IQ分析模塊，采用的ADC（標注②和③）為14位81.6MHz采樣，根據(jù)公式（1），信噪比理論值歸一化到1Hz帶寬（B=1Hz）為：

SNR1（1Hz）=6.02N+1.76+101g（fs/2B）=6.02×14+1.76+101g（81.6×106/2）=162dBc/Hz

所以，對于窄帶IQ分析模塊，ADC的量化噪聲理論值為 -162dBc/Hz。

對于FSQ的寬帶擴展IQ分析模塊（FSQ-B72），采用的ADC（標注①）為8位326.4MHz采樣，根據(jù)公式（1），信噪比理論值歸一化到1Hz帶寬（B=1Hz）為：

SNR2（1Hz）=6.02N+1.76+101g（fs/2B）=6.02×8+1.76+101g（326.4×106/2）=132dBc/Hz

所以，對于寬帶IQ分析模塊，ADC的量化噪聲理論值為 -132dBc/Hz。

相對于實際信號分析儀，根據(jù)ADC之前的濾波器帶寬BW，可以計算出分析儀在相應(yīng)帶寬下可以達到的實際噪聲。噪聲計算公式為：

N=-SNR（1Hz）+101g（BW/1Hz）

對于窄帶IQ分析模塊，當濾波器帶寬為10MHz（被測信號帶寬小于10MHz）時，ADC的量化噪聲理論值為

N=-162+101g（BW/1Hz）=-92dBc

對于寬帶IQ分析模塊，當濾波器帶寬為60MHz（被測信號帶寬小于60MHz

）ADC的量化噪聲理論值為

N=-132+101g（BW/1Hz）=-54dBc

·羅德與施瓦茨公司FSQ的IQ分析動態(tài)指標

對于實際的信號分析儀，影響其動態(tài)指標的因素除了ADC以外還有很多?？梢愿鶕?jù)分析儀指標手冊中的實際動態(tài)指標進行分析評價。

根據(jù)公式（2），利用分析儀實際信噪比指標計算實際ADC的有效位數(shù)：

ENOB（N）=［SNR-1.76-101g（fs/2B）］/6.02

FSQ-B72（帶寬擴展選件）的信噪比和有效位數(shù)指標：

FSQ-B72的雜散指標：

FSQ-B72的本底噪聲指標：-153dBm/Hz

滿量程信號輸入時，針對寬帶IQ信號，例如30MHz帶寬，此時信噪比為：

SNR（dBc）=SNR0（dBc/Hz）-101g（BW/1Hz）=125-101g（30×106/1Hz）

對于帶寬30MHz的信號，SNR》50dBc。

某常見頻譜儀寬帶IQ分析選件的動態(tài)指標

某常見頻譜儀寬帶IQ分析選件的指標：在14GHz左右噪聲功率密度為-123dBfs/Hz。

根據(jù)公式（2），利用頻譜儀實際信噪比指標計算實際ADC的有效位數(shù)為7位。

雜散響應(yīng)為-68dBc， 互調(diào)響應(yīng)為-75dBc，本底噪聲-153dBm/Hz。

在14GHz滿量程信號輸入時，針對寬帶IQ信號，例如30MHz帶寬，此時信噪比為：

SNR（dBc）=SNR0（dBc/Hz）-101g（BW/1Hz）=123-101g（30×106/1Hz）=48（dBc）

對于帶寬30MHz的信號，SNR》48dBc。

結(jié)語

在分析頻譜儀和信號分析儀動態(tài)指標時，要綜合考慮信噪比、雜散和互調(diào)指標。從上文分析看出，對于寬帶信號，影響動態(tài)范圍最主要的因素為信噪比，其它失真諸如雜散和互調(diào)等，在分析帶寬較大的情況下，會淹沒在噪聲內(nèi)。

例如，F(xiàn)SQ-B72的寬帶信號分析在信號帶寬為30MHz時，動態(tài)范圍大于50dBc，隨著帶寬的增加，動態(tài)范圍減小。2.2.3中所述頻譜儀寬帶IQ分析選件的寬帶信號分析在信號帶寬為30MHz時，輸入頻率為14GHz左右時動態(tài)范圍大于48dBc。

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