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什么是量化噪声的功率谱?

2021年3月7日经过Wes Brodsky.

我们关于量化噪声的系列文章首先阐明了作者用来确定他的量化噪声研究范围的框架。

本系列文章是前两个系列文章的延续。第一个检查如果同时和正交(I / Q)组合和分离应按模式或数字地进行.测试了I/Q调制器和解调器的性能,以及模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)。我们还讨论了什么使一个通信链路的良好性能在这种情况下。

ADC和DAC称为数据转换器。由于发现了关于ADC和DAC的性能要求的信息,因此您的作者决定研究这些问题。这适当的ADC和DAC建模在第二系列中讨论,包括讨论使用的模型有效比特数ENOB加上互调多项式.我们还介绍了提交人的提议,以更有效包括低通滤波器的模型

系列目标

在检查数据转换器的性能时,通常看到图1中所示的情况。

图1。数据转换器使用的简化框图

总噪声在Nyquist带宽中输出数据转换器(BN.)滤波器可以是带通或低通,带宽bO..通常,假定噪声功率输出滤波器为:

滤波器= n(bO./ B.N.

等式1。请注意,此等式对于任何可接受遵循ADC的任何可合理的滤波器,此等式均为任何中心频率。“合理的过滤器”是一个不太窄的。

等式1假设噪声是白色的,或频率均匀。

你的作者想知道;在这种假设的情况下,通常称为伪量化噪声[14]假设,真实吗?

参考文献[3]至[32]涵盖了这个问题的各个方面。为了澄清事物,您的作者还对具有各种输入的数据转换器进行了一些模拟。结果在本系列中报告。

他只考虑了均匀量化(所有步长都相等),因为这通常用于高速数据转换器。同样,σ - δ转换器也没有被考虑。

对于ADC应用程序,通常射频链增益足够大,因此来自之前组件的噪声比量化噪声高3到5 dB,因此量化噪声谱无关紧要。然而,这可能会增加系统成本,因为需要更多的射频增益和更高的ADC动态范围。

对于DAC应用,希望来自DAC的噪声是主导的,并且一个人不希望在链中稍后添加噪音,以确保传输的噪声频谱是白色的。

峰值,平均值和rms值

定义输入信号的电平非常重要。图2显示了用5位量化的正弦波。该信号的水平通常称为0 dBFS;其中FS指的是量化器上的满量程。但是,RF工程师通常处理RMS数量。由于正弦波的RMS值在峰值以下3dB,因此图2的正弦波是-3 dBRMSF,或0 dbpeakfs。

图2。

对于本系列的其余部分,信号电平将在dBrmsFS或dBpeakFS中指定,

还要注意,因为功率是电压的平方,这个恒包络正弦波的峰平均功率比(PAPR)是3 dB。事实上,所有带通相位或调频等包络信号(如MSK)的PAPR为3 dB。

“等一下!”亲爱的读者,你可能会说。“不是恒定包络信号的PAPR,如MSK 0 DB?这就是人们称之为。“

事实上,当人们以这种方式指的是PAPR时,它们指的是封套的峰值功率与信封的平均力的比率。特别地,在表征信号的复合包络[33]时使用对PAPR的该参考。由于我们涉及本系列中的实际电压,因此PAPR将是实际峰值的功率除以实际平均值的功率。该PAPR将比通常引用的3 dB高。


在下一篇文章中,我们将继续讨论模数转换器(ADC)输出的频谱。

使用的缩写

请在剩余的系列中使用下表。

参考文献

还将在整个系列的剩余部分中使用以下引用:

介绍和动机

[1]数字或模拟?我和Q应该如何结合和分离?

良好通信链路性能的要求:IQ调制和解调

[2]如何为系统模拟建模数据转换器?

利用有效比特数(ENOB)建模adc

使用互调多项式和有效位建模ADC

为ADC模型和DAC建模添加一个低通滤波器

量化噪声或没有剪切效果

ADC&DAC.

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ADC特定,有和没有剪切效果

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DAC特有的,有或没有裁剪效果

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仅限剪裁效果;ADC只有

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1条评论
  • W.
    WesBrodsky 4月7日,2021年4月

    本系列包含了各种条件下量化误差的功率谱图,《电路概论》要全部出版还需要一段时间。亚搏电子该系列将以量化误差具有均匀的超频功率谱(白噪声)的条件结束。同时,从文章系列中列出量化误差产生白噪声谱的条件似乎是谨慎的。

    1.在数据转换器中绝对没有剪切(溢出)。我的一个测试信号是正交频分复用(OFDM),它有很高的峰平均功率比。只要整个信号在ADC的动态范围内(在我的符号中是+/-Fs),量化误差的频谱是白色的,超过3.6倍的信号带宽。然而,如果输入增加,信号的振幅在Fs上约为1.6 dB,在不到1%的时间内,量化误差功率在3.6倍信号带宽上大约变化3 dB。如果信号进一步增加,因此在不到1%的时间内,信号的振幅在Fs上约为2.3 dB,量化误差功率在3.6倍信号带宽上变化约10 dB。虽然量化误差看起来“有噪声”,但它不是白色的。即使这不到1%的时间,它对白色有显著的影响。如果误差不是白的,则带宽B中的噪声功率不等于奈奎斯特带宽乘以(B/奈奎斯特带宽)中的噪声功率。由于OFDM信号在今天的无线通信中被普遍使用,这是一个重要的点。

    量化误差的频谱看起来像白噪声的条件称为伪量化噪声(PQN)模型。模拟到数字的削波可以使PQN失效,Dardari, D.也指出了这一点,“高速WLAN接收机中联合削波和量化效应的精确分析”,《通信》,2003年。ICC的03。IEEE国际会议,第5卷,第2期。,第5卷,第3487至3492页,2003年5月11至15日。

    2.数据转换器时钟速率不是调制速率的整数倍数。在数据转换器时钟为的示例中确认了这一点,并且不是调制率的整数倍。对于基带MSK(最小移位键控)输入整数(29)每个MSK符号的ADC样本导致误差谱是均匀的约+/- 10dB。使用每MSK符号29.1875 ADC样品。误差谱均匀度约为+/- 2 dB。

    3. RMS信号幅度比LSB(最低有效位)至少为+28 dB。通过量化误差的光谱来证实,MSK输入+19dB rms大于LSB(非均匀性是约+/- 4 dB的频谱),比LSB +25dB RMS(不均匀性为频谱约为+/- 2 dB),+38 rms多于LSB(无不均匀性)的光谱。

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