Модуляция некоррелированным шумом улучшает характеристики АЦП

Журнал РАДИОЛОЦМАН, февраль 2018

С конца 1970-х годов разработчики успешно повышали эффективное разрешение аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и снижали уровни паразитных гармоник путем добавления на их вход некоррелированного шума (дизеринга) и последующего усреднения выходного шума в преобразованных данных с использованием технологий цифровой обработки сигналов. Наиболее распространенный метод дизеринга основан на добавлении к входному сигналу АЦП шума со случайной амплитудой. Этот метод работоспособен, но в добавленном шуме содержатся большие случайные выбросы. Для того чтобы не допускать перегрузки входа АЦП, разработчику должны быть известны параметры пиковых амплитуд как сигнала, так и подмешиваемого шума. Даже кратковременное насыщение аналого-цифрового преобразователя добавляет больше нелинейностей, чем может удалить дизеринг.

Другой подход заключается в добавлении сигнала с псевдослучайной частотой и постоянной амплитудой. На Рисунке 1 показан один из возможных вариантов реализации этого подхода с использованием программируемого генератора LTC1799 (IC₂), работающего в таком режиме, когда управляющее напряжение модулирует центральную частоту. Значение центральной частоты LTC1799 можно устанавливать в диапазоне от 1 кГц до 33 МГц, что позволяет использовать микросхему в качестве генератор дизеринга для многих из доступных в настоящее время АЦП. Поскольку выходной сигнал LTC1799 имеет прямоугольную форму, его пиковая амплитуда четко определена.

Рисунок 1.	Стабилитрон, два усилительных каскада и управляемый напряжением частотный модулятор образуют генератор дизеринга с постоянной амплитудой.

Центральную частоту шумоподобного сигнала можно установить как ниже, так и выше частоты полезного сигнала. В случае преобразования узкополосного сигнала промежуточной частоты одинаково хорошо подходят оба варианта расположения. Для аналого-цифрового преобразователя, рабочий диапазон которого начинается от постоянного напряжения, единственным приемлемым вариантом может быть только верхнее расположение центральной частоты шума. Один из подходов заключается в установке частоты дизеринга, равной половине частоты выборки или частоты Найквиста. При таком варианте случайный шум, как правило, не мешает полезному сигналу, и любое наложение частот, которое может произойти, приводит только к тому, что случайная частота шума складывается сама с собой, не попадая в полосу полезного сигнала.

Схема на Рисунке 1 подключается к АЦП, работающему со скоростью 20 Мвыб/с, и генерирует случайный шум с центральной частотой 10 МГц. В качестве источника случайного шума можно использовать любое из множества известных решений, включая цифровые сдвиговые регистры и полупроводниковые переходы в режиме пробоя. В предлагаемой конструкции использован 12-вольтовый стабилитрон D₁, генерирующий шум, амплитуда которого далее усиливается, а частотная характеристика формируется двухкаскадным усилителем. При необходимости форму спектрального распределения шумов можно скорректировать еще больше, усложнив секции активной фильтрации на элементах IC_1A и IC_1B. После фильтрации шум модулирует микросхему LTC1799. Удостоверьтесь, что напряжение питания LTC1799 не содержит пульсаций, поскольку шумы питания порождают неслучайные боковые полосы амплитудной модуляции.

На Рисунке 2 показана амплитудно-частотная характеристика ограниченного спектра, формируемого схемой на Рисунке 1. В зависимости от конфигурации схемы, подать сигнал дизеринга на АЦП можно либо через небольшой конденсатор связи, либо с помощью более сложной схемы активного суммирования. Хотя генераторы шума на основе стабилитронов теоретически очень просты, они плохо подходят для использования в условиях массового производства из-за большого разброса шумовых параметров. Даже среди диодов из одной производственной партии можно наблюдать дробовые шумы, неравномерное распределение шумовых гистограмм, сдвиги амплитуд и взвешенные шумы. Для серийного производства гораздо лучше подойдут и будут более эффективными по конечным затратам специальные шумовые диоды с четко специфицированными параметрами.

Рисунок 2.	Широкая колоколообразная кривая спектра случайного частотно-модулированного сигнала наложена на спектр немодулированного 10-мегагерцового выходного сигнала LTC1799.

Выбрав диод для источника шума, вы можете подобрать коэффициент усиления усилительного каскада таким, чтобы на выходе схемы отсутствовало видимое ограничение шумовых пиков. Если это требуется для вашего приложения, вы можете изменить спектр шума, изменив частотные характеристики усилителей. И, наконец, подберите сопротивления резисторов R₆ и R₇, задающих частоту LTC1799, так, чтобы спектр шума был похож на Рисунок 2. Любая отсечка сигнала на пути усиления может добавить пики на краях спектра, указывающие на ограничение амплитуды и ухудшение его случайных характеристик.

Для снижения уровня внутриполосных шумов или удаления любой периодической модуляции, вносимой пульсациями источника питания, между источником шума и суммирующим входом АЦП можно добавить фильтр. В современных высокоэффективных АЦП даже небольшое количество периодических шумов может проявляться в форме паразитных сигналов с уровнем –80 dBc (дБ относительно мощности несущей).

Материалы по теме