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更快、更快、更快

 

在許多技術領域，我們習慣于把技術進步與更高的速率關聯起來： 從以太網到無線局域網再到蜂窩移動網絡，數據通信的實質就是不斷提高數據傳輸速率。通過時鐘速率的進步，微處理器、數字信號處理器和 FPGA 發展十分迅速。這些器件主要得益于尺寸不斷縮小的蝕刻工藝，結果造就出開關速率更快、體積更小(而且功耗更低)的晶體管。這些進步創造出一個處理能力和數據帶寬呈指數級增長的環境。這些強大的數字引擎帶來了同樣呈指數級增長的信號和數據處理需求：從靜態圖像到視頻，到帶寬頻譜，無論是有線還是無線，均是如此。運行時鐘速率為 100 MHz 的處理器或許能有效地處理帶寬為 1 MHz 至 10 MHz 的信號：運行時鐘速率達數 GHz 的處理器能夠處理帶寬達數百 MHz 的信號。

 

自然地，更強的處理能力、更高的處理速率會導致更快的數據轉換：寬帶信號擴大其帶寬(往往達到物理或監管機構設定的頻譜極限)，成像系統尋求提高每秒像素處理能力，以便更加快速地處理更高分辨率的圖像。系統架構推陳出新，以利用極高的這種處理性能，其中還出現了并行處理的趨勢，這可能意味著對多通道數據轉換器的需求。

 

架構上的另一重要變化是走向多載波 / 多通道，甚至軟件定義系統的趨勢。傳統的模擬密集型系統在模擬域中完成許多信號調理工作(濾波、放大、頻率轉換)；在經過充分準備后，對信號進行數字化處理。一個例子是 FM 廣播：給定電臺的通道寬度通常為 200 kHz，FM 頻段范圍為 88 MHz 至 108 MHz。傳統接收器把目標電臺的頻率轉換成 10.7 MHz 的中頻，過濾掉所有其他通道，并把信號放大到最佳解調幅度。多載波架構將整個 20 MHz FM 頻段數字化，并利用數字處理技術來選擇和恢復目標電臺。雖然多載波方案需要采用復雜得多的電路，但它具有極大的系統優勢：系統可以同時恢復多個電臺，包括邊頻電臺。如果設計得當，多載波系統甚至可以通過軟件重新配置，以支持新的標準(例如，分配在無線電邊頻帶的新型高清電臺)。這種方式的最終目標是采用可以接納所有頻帶的寬帶數字化儀和可以恢復任何信號的強大處理器：這即是所謂的軟件定義無線電。其他領域中有等效的架構——軟件定義儀表、軟件定義攝像頭等。我們可以把這些當作虛擬化的信號處理等效物。使得諸如此類靈活架構成為可能的是強大的數字處理技術以及高速、高性能數據轉換技術。

 

 

圖 2. 多載波示例

 

帶寬和動態范圍

 

無論是模擬還是數字信號處理，其基本維度都是帶寬和動態范圍——這兩個因素決定著系統實際可以處理的信息量。在通信領域，克勞德•香農的理論就使用這兩個維度來描述一個通信通道可以攜帶的信息量的基本理論限值，但其原理卻適用于多個領域。對于成像系統，帶寬決定著給定時間可以處理的像素量，動態范圍決定著最暗的可覺察光源與像素飽和點之間的強度或色彩范圍。

 

圖 3. 信號處理的基本維度

 

數據轉換器的可用帶寬有一個由奈奎斯特采樣理論設定的基本理論限值——為了表示或處理帶寬為 F 的信號，我們需要使用運行采樣速率至少為 2 F 的數據轉換器(請注意，本法則適用于任何采樣數據系統——模擬或數字都適用)。對于實際系統，一定量的過采樣可極大地簡化系統設計，因此，更典型的數值是信號帶寬的 2.5 至 3 倍。如前所述，不斷增加的處理能力可提高系統處理更高帶寬的能力，而蜂窩電話、電纜系統、有線和無線局域網、圖像處理以及儀器儀表等系統都在朝著帶寬更高的系統發展。這種不斷提高帶寬需求要求數據轉換器具備更高的采樣速率。

 

如果說帶寬這個維度直觀易懂，那么動態范圍這個維度則可能稍顯晦澀。在信號處理中，動態范圍表示系統可以處理且不發生飽和或削波的最大信號與系統可以有效捕獲的最小信號之間的分布范圍。我們可以考慮兩類動態范圍：可配置動態范圍可以通過在低分辨率模數轉換器(ADC)之前放置一個可編程增益放大器(PGA)來實現(假設對于 12 位的可配置動態范圍，在一個 8 位轉換器前放置一個 4 位 PGA)：當增益設為低值時，這種配置可以捕獲大信號而不會超過轉換器的范圍。當信號超小時，可將 PGA 設為高增益，以將信號放大到轉換器的噪底以上。信號可能是一個信號強或信號弱的電臺，也可能是成像系統中的一個明亮或暗淡的像素。對于一次只嘗試恢復一個信號的傳統信號處理架構來說，這種可配置動態范圍可能是非常有效的。

 

瞬時動態范圍更加強大：在這種配置中，系統擁有充足的動態范圍，能夠同時捕獲大信號而不產生削波現象，同時還能恢復小信號——現在，我們可能需要一個 14 位的轉換器。該原理適用于多種應用——恢復強電臺或弱電臺信號，恢復手機信號，或者恢復圖像的超亮和超暗部分。在系統傾向使用更加復雜的信號處理算法的同時，對動態范圍的需求也是水漲船高的走向。在這種情況下，系統可以處理更多信號——如果全部信號都具有相同的強度，并且需要處理兩倍的信號，則需要增加 3 dB 的動態范圍(在所有其他條件相等的情況下)。可能更重要的是，如前所述，如果系統需要同時處理強信號和弱信號，則動態范圍的增量要求可能要大得多。

 

動態范圍的不同衡量指標

 

在數字信號處理中，動態范圍的關鍵參數是信號表示中的位數，或稱字長：一個 32 位處理器的動態范圍多于一個 16 位的處理器。過大的信號將發生削波——這是一種高度非線性的運算，會破壞多數信號的完整性。過小的信號——幅度小于 1 LSB——將變得不可檢測并丟失掉。這個有限分辨率通常稱為量化誤差，或量化噪聲，在確立可檢測性下限時可能是一個重要因素。

 

量化噪聲也是混合信號系統中的一個因素，但有多個因素決定著數據轉換器的可用動態范圍，而且每個因素都自己的動態范圍

 

信噪比(SNR)——轉換器的滿量程與頻帶總噪聲之比。該噪聲可能來自量化噪聲(如上所述)、熱噪聲(所有現實系統中都存在)或其他誤差項(如抖動)。

 

靜態非線性度——微分非線性度(DNL)和積分非線性度(INL)——衡量從數據轉換器輸入端到輸出端的直流傳遞函數的非理想程度的指標(DNL 通常確定成像系統的動態范圍)。

 

總諧波失真——靜態和動態非線性度會產生諧音，可能有效地屏蔽其他信號。THD 通常會限制音頻系統的有效動態范圍。

 

無雜散動態范圍(SFDR)——考慮相對于輸入信號的最高頻譜雜散，無論是二階還是三階諧波時鐘饋通，甚至是 60 Hz 的"嗡嗡"噪聲。由于頻譜音或雜散可能屏蔽小信號，因此，SFDR 是用來表示許多通信系統中可用動態范圍的一個良好指標。

 

還有其他技術規格——事實上，每種應用可能都有自己的有效動態范圍描述方式。開始時，數據轉換器的分辨率是其動態范圍的一個良好替代指標，但在真正決定時選擇正確的技術規格是非常重要的。關鍵原則是，越多越好。雖然許多系統可以立即意識到需要更高的信號處理帶寬，但對動態范圍的需求卻可能不是如此直觀，即便要求更加苛刻。

 

值得注意的是，盡管帶寬和動態范圍是信號處理的兩個主要維度，但還有必要考慮第三個維度，即效率：這有助于我們回答這樣一個問題："為了實現額外性能，我需要付出多少成本？"我們可以從購置價格來看成本，但對數據轉換器和其他電子信號處理應用來說，一種更加純粹的、衡量成本的技術手段是功耗。性能越高的系統——更大的帶寬或動態范圍——往往要消耗更多的電能。隨著技術的進步，我們都試圖在提高帶寬和動態范圍的同時減少功耗。

 

主要應用

 

如前所述，每種應用在基本信號維度方面都有著不同的要求，而在給定的應用中，則可能有多種不同的性能。例如，一個 100 萬像素的攝像頭與一個 1000 萬像素的攝像頭。圖 4 展示了一些不同應用通常要求的帶寬和動態范圍。該圖的上半部分一般稱為高速——采樣速率為 25 MHz 及以上的轉換器，可以有效處理 10 MHz 或以上的帶寬。

 

圖 4. 一些典型應用及其對帶寬(速率)和動態范圍(分辨率位數)的要求

 

需要注意的是，該應用圖并非靜止不變的。現有應用可能利用新的、性能更高的技術來提升其功能——例如，高清攝像機或者分辨率更高的 3D 超聲設備等。此外，每年還會涌現出全新的應用——很大一部分新應用將處于性能邊界的外邊緣處： 得益于高速與高分辨率的新組合。結果使轉換器性能邊緣不斷擴大，就像池塘里的漣漪一樣。

 

同時還應記住，多數應用都需要關注功耗問題：對于便攜式 / 電池供電式應用，功耗可能是主要技術限制條件，但是，即使是線路供電系統，我們也開始發現，信號處理元件(模擬也好，數字也好)的功耗最終會限制系統在給定物理區域的性能

 

技術發展趨勢和創新——如何實現……

 

鑒于這些應用在不斷推高對高速數據轉換器性能的要求，業界以持續技術進步的方式對此做出了回應。技術對高級高速數據轉換器的推動來自以下幾個因素：

 

工藝技術：摩爾定律與數據轉換器——半導體工業在持續推動數字處理性能方面的成就有目共睹，其主要驅動因素是晶圓處理工藝在走向更細間距微影蝕刻工藝方面取得的巨大進步。深亞微米 CMOS 晶體管的開關速率遠遠超過其前輩，使控制器、數字處理器和 FPGA 的運行時鐘速率邁上了數 GHz 的臺階。像數據轉換器一樣的混合信號電路也可以利用蝕刻工藝領域取得的這些進步，借"摩爾定律"之風達到更高的速率——但對混合信號電路來說，這是有代價的：更先進的蝕刻工藝的工作電源電壓有不斷降低的趨勢。這意味著，模擬電路的信號擺幅在縮小，增加了將模擬信號維持在熱噪底以上的困難：以縮水的動態范圍為代價獲得更高的速率。

 

高級架構(這不是原始時代的數據轉換器)——在半導體工藝大步發展的同時，過去 20 年中，高速數據轉換器架構領域也出現了數波創新浪潮，為以驚人的功效實現更高的帶寬、更大的動態范圍做出了巨大貢獻。傳統上，有多種架構方式用于高速模數轉換器，包括全并行架構(ash)、折疊架構(folding)、交織架構(interleaved)和流水線架構(pipeline)，這些架構方式至今仍然非常流行。后來，傳統上用于低速應用的架構也加入高速應用陣營，包括逐次逼近寄存器(SAR)和 -，這些架構專門針對高速應用進行了原創性的改動。每種架構都有自己的優勢和劣勢：某些應用一般根據這些折衷來確定最佳架構。對于高速 DAC 來說，首選架構一般是開關電流模式結構，不過，這類結構有許多變體；開關電容結構的速率穩步提高，在一些嵌入式高速應用中仍然十分流行。

 

數字輔助方法——多年以來，在工藝和架構以外，高速數據轉換器電路技術也取得了輝煌的創新成就。校準方法已有數十年的歷史，在補償集成電路元件失配以及提高電路動態范圍方面發揮著至關重要的作用。校準已經超越靜態誤差校正的范疇，越來越多地用于補償動態非線性度，包括建立誤差和諧波失真。

 

總之，這些領域的創新極大地促進了高速數據轉換的發展。

 

實現

實現寬帶混合信號系統不僅僅要選擇正確的數據轉換器——這些系統可能對信號鏈的其他部分有著嚴苛的要求。同樣，挑戰是在較寬的帶寬范圍內實現優秀的動態范圍——使更多的信號進出數字域，充分利用數字域的處理能力。

 

寬帶和信號調理—在傳統單載波系統中，信號調理就是盡快消除無用信號，然后放大目標信號。這往往涉及選擇性濾波以及針對目標信號微調的窄帶系統。這些經過微調的電路在實現增益方面可能非常有效，而且在某些情況下，可以利用頻率規劃技術來確保將諧波或其他雜散排除在帶外。寬帶系統不能使用這些窄帶技術，而且在這些系統中實現寬帶放大可能面臨巨大的挑戰。

 

數據接口—傳統的 CMOS 接口不支持大大超過 100 MHz 的數據速率——而且低電壓差分擺幅(LVDS)數據接口運行速率達 800 MHz 至 1 GHz。對于較大數據速率，我們可以使用多個總線接口，或者使用 SERDES 接口。現代的數據轉換器采用的是最高速率達 12.5 GSPS 的 SERDES 接口(規格見 JESD204B 標準)——可以用多條數據通道來支持轉換器接口中分辨率和速率的不同組合。這些接口本身可能十分復雜。

 

時鐘接口—就系統中使用的時鐘的質量來說，高速信號的處理也可能十分困難。時域中的抖動 / 誤差會轉換成信號中的噪聲或誤差，如圖 5 所示。在處理速率大于 100 MHz 的信號時，時鐘抖動或相位噪聲可能成為轉換器可用動態范圍的一個限制因素。數字級時鐘可能無法勝任這類系統，可能需要使用高性能時鐘。

 

圖 5. 時鐘誤差變成信號誤差的方式

 

結論

走向更寬帶寬信號和軟件定義系統的步伐不斷加快，業界不斷推陳出新，涌現出構建更好、更快數據轉換器的創新方法，將帶寬、動態范圍和功效三個維度推上了新的臺階。