重新思考快速宽频ADC中的数字下变频

宽带每秒数千兆个样本(GSPS)模数转换器(ADC) 为高速采集系统带来众多性能优势。这些ADC在高采样率和输入带宽下提供较宽的可见频谱。然而，有些情况需要宽带前端，有些则要求能够滤波并调谐为较窄的频带。

当应用只需要较窄带时，用ADC采样、处理和传送宽带频谱本身就低效，而且还耗能。当数据链路占用赛灵思FPGA中的大量高速收发器，只为在后续处理中对宽 带数据进行抽取和滤波时，就会产生不必要的系统负担。赛灵思FPGA收发器资源可以得到更好的分配，以接收所需的低带宽并疏导来自多个ADC的数据。可在 FPGA的多相滤波器组信道器中针对频分复用(FDM) 应用进行额外滤波。

高性能GSPS ADC现将数字下变频(DDC)功能在信号链中进一步提升，以使其位于基于赛灵思FPGA的设计解决方案的ADC之中。该方案为高速系统架构师提供了多种 新的设计选择。然而，由于该功能对ADC来说相对比较陌生，因此工程师可能就DDC模块在GSPS ADC中的运行存在一些设计相关问题。让我们理清一些最常见的问题，以便设计人员能够更有信心地使用这种新技术。

为了充分获得DDC的性能优势，设计中还要包含滤波器-混频器组件以作为抽取的补充。

什么是抽取？

最简单的定义，抽取就是只观察ADC输出样本中具有周期性的子部分，而忽略其他部分。结果就是通过下采样来有效降低ADC采样率。例如，ADC的M抽取模式只输出第M批样本中的第一个，舍弃之间的所有其他样本。对每个M的倍数，重复该方法。

样本抽取本身只能有效减小ADC采样率，并相应地作为低通滤波器。如果没有频率变换和数字滤波，抽取只会在频域中将基波的谐波以及其他杂散信号相互叠加。

DDC的作用是什么？

既然抽取本身无法阻止频带外信号的叠加，那么DDC是如何做到的？

为 了充分获得DDC的性能优势，设计必须包含滤波器-混频器组件作为抽取功能的补充。数字滤波能从狭义上的频带（由抽取比率设定）中有效消除带外噪声。 DDC的典型数字滤波器实现方案是一个有限脉冲响应(FIR) 滤波器。由于没有反馈，这种滤波器只与过去的输入有关。滤波器的通带应匹配抽取后的转换器有效频谱。

DDC滤波器应该多宽？

DDC的抽取比率通常基于整数因数，即2的幂次方（2, 4, 8, 16等）。不过，抽取比率实际上可以是基于DDC架构的任意比率，包括小数抽取。对于小数抽取的情况，在抽取前通常需要一个插值计算模块来实现有理分数比率。

图1 – 采用低通滤波器和NCO的频率变换可在所需频率下有效实现带通滤波器。频率规划能确保不想要的谐波、尖刺和图像落在频带以外。

图2 – 抽取比率为8的DDC能让赛灵思Artix-7的16 GTP 6.6Gbps收发器支持八个ADC，每个都通过两条JESD204B通道传送抽取后的I/Q数据，反之只能支持两个ADC，每个通过八条通道输出完整带宽。