高性能数据转换技术的分析原理以及其应用

作为“现实世界”模拟域与1和0构成的数字世界之间的关口，数据转换器是现代信号处理中的关键要素之一。过去30年，数据转换领域涌现出了大量创新技术，这些技术不但助推了从医疗成像到蜂窝通信、再到消费音视频，各个领域的性能提升和架构进步，同时还为实现全新应用发挥了重要作用。

宽带通信和高性能成像应用的持续扩张凸显出高速数据转换的特殊重要性：转换器要能处理带宽范围在10 MHz至1 GHz以上的信号。人们通过多种各样的转换器架构来实现这些较高的速率，各有其优势。高速下在模拟域和数字域之间来回切换也对信号完整性提出了一些特殊的挑战——不仅模拟信号如此，时钟和数据信号亦是如此。了解这些问题不仅对于组件选择十分重要，而且甚至会影响整体系统架构的选择。

更快、更快、更快

在许多技术领域，我们习惯于把技术进步与更高的速率关联起来： 从以太网到无线局域网再到蜂窝移动网络，数据通信的实质就是不断提高数据传输速率。通过时钟速率的进步，微处理器、数字信号处理器和FPGA发展十分迅速。这些器件主要得益于尺寸不断缩小的蚀刻工艺，结果造就出开关速率更快、体积更小(而且功耗更低)的晶体管。这些进步创造出一个处理能力和数据带宽呈指数级增长的环境。这些强大的数字引擎带来了同样呈指数级增长的信号和数据处理需求：从静态图像到视频，到带宽频谱，无论是有线还是无线，均是如此。运行时钟速率为100 MHz的处理器或许能有效地处理带宽为1 MHz至10 MHz的信号：运行时钟速率达数GHz的处理器能够处理带宽达数百MHz的信号。

 

图1

自然地，更强的处理能力、更高的处理速率会导致更快的数据转换：宽带信号扩大其带宽(往往达到物理或监管机构设定的频谱极限)，成像系统寻求提高每秒像素处理能力，以便更加快速地处理更高分辨率的图像。系统架构推陈出新，以利用极高的这种处理性能，其中还出现了并行处理的趋势，这可能意味着对多通道数据转换器的需求。

架构上的另一重要变化是走向多载波/多通道，甚至软件定义系统的趋势。传统的模拟密集型系统在模拟域中完成许多信号调理工作(滤波、放大、频率转换)；在经过充分准备后，对信号进行数字化处理。一个例子是FM广播：给定电台的通道宽度通常为200 kHz，FM频段范围为88 MHz至108 MHz。传统接收器把目标电台的频率转换成10.7 MHz的中频，过滤掉所有其他通道，并把信号放大到最佳解调幅度。多载波架构将整个20 MHz FM频段数字化，并利用数字处理技术来选择和恢复目标电台。虽然多载波方案需要采用复杂得多的电路，但它具有极大的系统优势：系统可以同时恢复多个电台，包括边频电台。如果设计得当，多载波系统甚至可以通过软件重新配置，以支持新的标准(例如，分配在无线电边频带的新型高清电台)。这种方式的最终目标是采用可以接纳所有频带的宽带数字化仪和可以恢复任何信号的强大处理器：这即是所谓的软件定义无线电。其他领域中有等效的架构——软件定义仪表、软件定义摄像头等。我们可以把这些当作虚拟化的信号处理等效物。使得诸如此类灵活架构成为可能的是强大的数字处理技术以及高速、高性能数据转换技术。

带宽和动态范围

无论是模拟还是数字信号处理，其基本维度都是带宽和动态范围——这两个因素决定着系统实际可以处理的信息量。在通信领域，克劳德•香农的理论就使用这两个维度来描述一个通信通道可以携带的信息量的基本理论限值，但其原理却适用于多个领域。对于成像系统，带宽决定着给定时间可以处理的像素量，动态范围决定着最暗的可觉察光源与像素饱和点之间的强度或色彩范围。

 

图2. 多载波示例

数据转换器的可用带宽有一个由奈奎斯特采样理论设定的基本理论限值——为了表示或处理带宽为F的信号，我们需要使用运行采样速率至少为2 F的数据转换器(请注意，本法则适用于任何采样数据系统——模拟或数字都适用)。对于实际系统，一定量的过采样可极大地简化系统设计，因此，更典型的数值是信号带宽的2.5至3倍。如前所述，不断增加的处理能力可提高系统处理更高带宽的能力，而蜂窝电话、电缆系统、有线和无线局域网、图像处理以及仪器仪表等系统都在朝着带宽更高的系统发展。这种不断提高带宽需求要求数据转换器具备更高的采样速率。