3/26/2025，光纖在線訊，ADC（Analog-to-Digital Converter 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器）。通常來說，自然界產(chǎn)生的信號，其實(shí)都是模擬信號，像我們說話的聲音，看到的圖像，感受到的溫度等等。但是這些模擬信號在電子產(chǎn)品中最終都得以數(shù)字信號的方式進(jìn)行處理，存儲(chǔ)或者傳輸，那如何把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號呢？所以，我們就需要模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC了。

      
      DAC（Digital-to-Analog Converter 數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器）。與 ADC 相反，DAC 是將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的器件。在電子系統(tǒng)中，當(dāng)需要將數(shù)字處理后的信息還原為模擬形式以便人們感知或驅(qū)動(dòng)模擬設(shè)備時(shí)，就需要用到 DAC。

      隨著數(shù)字信號處理技術(shù)和數(shù)字電路工作速度的提高，以及對于系統(tǒng)靈敏度等要求的不斷提高，對于高速、高精度的ADC/DAC的指標(biāo)都提出了很高的要求。高速 ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）在當(dāng)今的5G/6G基站、衛(wèi)星通信載荷、地面終端、信號處理板、儀器儀表等領(lǐng)域中扮演著極為關(guān)鍵的角色。其性能在很大程度上決定了整機(jī)的性能指標(biāo)，因此對ADC性能參數(shù)進(jìn)行精確的測量必不可少。

      為方便與大家交流，中星聯(lián)華創(chuàng)建-中星聯(lián)華ADC DAC技術(shù)交流群，大家有關(guān)于ADC/DAC的相關(guān)問題可以掃碼交流。

   
      下面對ADC的工作原理及選型、測試項(xiàng)目、測試方法等進(jìn)行全面剖析。

ADC工作原理解析和選型

      
      ADC轉(zhuǎn)換中，輸入的模擬信號在時(shí)間上是連續(xù)的，輸出的數(shù)字信號在時(shí)間上是離散的，所以進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)只能按一定的時(shí)間間隔對輸入的模擬信號進(jìn)行采樣，然后把采樣的值轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字量，通常A/D轉(zhuǎn)換要經(jīng)過采樣、保持、量化、編碼四個(gè)步驟，這些步驟共同構(gòu)成了ADC將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的完整過程。

采樣和保持
      采樣是將時(shí)間上連續(xù)變化的信號，轉(zhuǎn)換為時(shí)間上離散的信號，即將時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為一系列等間隔的脈沖，脈沖的幅度取決于輸入模擬量。如果把模擬信號比作無限采樣點(diǎn)的數(shù)字信號，那么我們就需要采取其中一些有限點(diǎn)才能進(jìn)行真正的數(shù)字化傳輸。那么要采多少點(diǎn)？怎么采？

      采樣需遵循奈奎斯特（Nyquist）采樣定理，當(dāng)采樣頻率大于模擬信號中最高頻率成分的兩倍時(shí)，采樣值才能不失真地反映原來模擬信號。模擬信號經(jīng)采樣后，得到一系列樣值脈沖。采樣脈沖寬度一般是很短暫的，在下一個(gè)采樣脈沖到來之前，應(yīng)暫時(shí)保持所取得的樣值脈沖幅度，以便進(jìn)行轉(zhuǎn)換。因此，在采樣電路之后須加保持電路。

      
量化和編碼
      量化：輸入的模擬信號電壓經(jīng)過采樣保持后，得到的是階梯波。而該階梯波仍然是一個(gè)可以連續(xù)取值的模擬量。將采樣后的樣值脈沖電平歸化到與之接近的離散電平之上，這個(gè)過程稱為量化，而相鄰兩個(gè)量化電平之間的差異，即為我們所說的量化單位Δ，也即1LSB。位數(shù)越多，量化的等級就越細(xì)致，相應(yīng)的Δ值也就越小，量化等級越細(xì)，量化誤差越小。

      編碼：就是利用二進(jìn)制01代碼來表示量化后的量化電平。

      量化編碼之后ADC就將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出。

  
ADC產(chǎn)品主要類型
      主流ADC的類別有：積分型（如雙斜率ADC）、Sigma-Delta ADC、逐次逼近型（ SAR ADC ）、流水線型（Pipeline ADC）、閃存型（Flash ADC）、時(shí)間交織型（TIADC），每種ADC的使用場景不相同，用戶需要綜合考慮對比ADC的速度、精度、成本、功耗等選擇合適的ADC。

  
ADC主要技術(shù)參數(shù)
-  分辨率
      ADC的分辨率表示ADC對輸入信號的分辨能力，其根據(jù)滿程電壓和ADC輸出二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)決定，如下所示：不同的滿程電壓下，分辨率不同；不同的ADC輸出二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)，分辨率也不同。

-  轉(zhuǎn)換誤差
      轉(zhuǎn)換誤差通常是以輸出誤差的最大值形式（即上面所述的量化誤差）給出。它表示ADC實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之間的差別。例如量化誤差為±Δ/2或±LSB/2，這就表明實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上應(yīng)得到的輸出數(shù)字量之間的誤差小于 Δ/2或LSB/2。

-  轉(zhuǎn)換速率（采樣率）
      轉(zhuǎn)速速率是指ADC從轉(zhuǎn)換控制信號到來開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號所經(jīng)過的時(shí)間的倒數(shù)。ADC的轉(zhuǎn)換速率與轉(zhuǎn)換電路的類型有關(guān)，不同類型的轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度相差甚遠(yuǎn)。

ADC主要測試項(xiàng)目
      ADC 測試可分為靜態(tài)測試和動(dòng)態(tài)測試兩部分。

      靜態(tài)測試主要關(guān)注穩(wěn)定的模擬輸入與對應(yīng)的數(shù)字輸出編碼之間的關(guān)系，包括ADC的增益誤差、失調(diào)誤差、失碼、積分非線性（INL）和微分非線性（DNL）等；

      動(dòng)態(tài)測試主要關(guān)注ADC在交流條件情況下的性能表現(xiàn)，常規(guī)測量參數(shù)有信納比（SINAD）、信噪比（SNR）、有效位（ENOB）、總諧波失真（THD）、無雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）、互調(diào)失真（IMD）等；

      除此之外，針對具體應(yīng)用如5G或衛(wèi)星等可能還會(huì)拿實(shí)際信號進(jìn)行進(jìn)一步測試，以5G為例，測試項(xiàng)目包括EVM等參數(shù)。靜態(tài)性能參數(shù)的測試相對簡單，使用的測試方法也比較成熟，這篇文檔我們主要討論動(dòng)態(tài)測試相關(guān)內(nèi)容。

根據(jù)動(dòng)態(tài)測試信號種類的不同，又可分類為單音、雙音和實(shí)際信號三種，不同測試信號支持的測試項(xiàng)目如下：
-   單音測試 ： SFDR、SINAD、SNR、THD、ENOB；
      1. 信噪比（SNR） ：Signal-to-noise ratio，指信號均方根振幅與除去前六個(gè)諧波和直流之外的所有頻譜分量均方根和之比，隨著輸入電平的降低， SNR往往按分貝線性遞減，單位：dB。

      2. 信納比 (SINAD) ：Signal-to-noise plus distortion，信號均方根振幅與所有頻譜分量（包括諧波但不含直流）均方根和之比，SNR與SINAD之間的差異即 是前六個(gè)諧波所含能量，單位：dB。

      3. 無雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）：Spurious free dynamic range，SFDR是基頻功率與最高的雜散功率之比，SFDR為ADC輸入信號的一種諧波，單位： dBc 。

      4. 總諧波失真（THD）：Total harmonic distortion，一般來說，THD是信號均方根能量與前六個(gè)諧波之和的均方根值之比，單位：dBc。5. 有效位數(shù)（ENOB)：Effective Number of Bits，ENOB可以根據(jù)SINAD直接推導(dǎo)，ENOB = (SINAD – 1.76) / 6.02， 單位：Bits

     
-   雙音測試 : IMD
      如果多音信號通過一個(gè)存在非線性度的轉(zhuǎn)換器，就會(huì)產(chǎn)生交調(diào)失真（IMD），一般利用雙音測試IMD。 ? ?

-   實(shí)際信號測試
      如果ADC用于特定的應(yīng)用場景，可能需要用對應(yīng)場景的實(shí)際信號來測試ADC性能，例如：用于通信領(lǐng)域，一般利用數(shù)字調(diào)制信號來測試EVM值，來評估ADC的性能。

ADC動(dòng)態(tài)測試方法
      ADC動(dòng)態(tài)測試方案包括了模擬信號輸入、采樣時(shí)鐘信號、ADC評估板以及PC端分析軟件。ADC動(dòng)態(tài)參數(shù)測試結(jié)果不僅包括ADC自身噪聲和雜散，還包括模擬信號輸入帶來的諧波、非諧波和寬帶噪聲，以及采樣時(shí)鐘信號帶來的抖動(dòng)等各種外部因素。為了能準(zhǔn)確測量ADC的各個(gè)性能指標(biāo)，必須把各類測量儀表引入的誤差盡可能降至最低。

     
-   ADC動(dòng)態(tài)測試
      1.動(dòng)態(tài)測試挑戰(zhàn)隨著ADC的速度越來越快，精度越來越高10bit，12bit，14bit，16bit。為了精確測試ADC的SFDR/ENOB/SNR/SINAD/THD等參數(shù)，需要給ADC提供超低相噪時(shí)鐘信號輸入和模擬信號輸入，對輸入信號質(zhì)量有非?？量痰囊?，才能保證測試準(zhǔn)確，第二就是需要多路信號同時(shí)輸入，一路給ADC模擬信號輸入，一路是ADC時(shí)鐘信號輸入。

     故而，ADC動(dòng)態(tài)參數(shù)測試面臨三個(gè)嚴(yán)峻的問題：多通道、極低的寬帶噪聲和抖動(dòng)、更低的諧波。

·    多通道：模擬信號輸入和時(shí)鐘輸入；
·    極低的寬帶噪聲和抖動(dòng)：確保ADC測試的ENOB/SNR/SINAD指標(biāo)要求；
·    更低的諧波：無需外加濾波器，直接就能得到ADC真實(shí)的THD性能。

2.ADC動(dòng)態(tài)測試傳統(tǒng)測試方案
      傳統(tǒng)的ADC動(dòng)態(tài)測試方案，利用多臺(tái)單通道模擬信號源，一臺(tái)是模擬信號輸入，一臺(tái)是ADC采樣時(shí)鐘信號輸入，有時(shí)候還需要第三臺(tái)給FPGA提供參考時(shí)鐘信號輸入。

  
兩臺(tái)信號源ADC測試

      
三臺(tái)信號源ADC測試
3.中星聯(lián)華ADC動(dòng)態(tài)測試方案
      為解決ADC測試痛點(diǎn)，中星聯(lián)華提供Pro系列信號源具有超低相位噪聲，可輸出非常純凈的信號，而且支持多通道相參信號輸出，一臺(tái)儀器同時(shí)為ADC測試提供模擬信號輸入和時(shí)鐘信號輸入，一臺(tái)頂多臺(tái)，保證了ADC測試的SFDR/ENOB/SNR/THD/SINAD等參數(shù)的精確測量，是目前業(yè)內(nèi)唯二能夠滿足上述苛刻條件的信號源廠家，有效解決“卡脖子”難題。

   
測試結(jié)果

  
-   ADC的IMD互調(diào)失真測試
      中星聯(lián)華的多通道超低相噪信號源支持直接輸出雙音信號來驗(yàn)證IMD指標(biāo)。

      
-   ADC的EVM測試
      中星聯(lián)華的矢量信號源支持輸出各種數(shù)字調(diào)制信號、OFDM信號、5G-NR信號來驗(yàn)證ADC的EVM指標(biāo)。

      
      
-   多路ADC測試
      在很多電子系統(tǒng)（如雷達(dá)、通信接收機(jī)等）中，由于相控陣/陣列天線以及 MIMO等技術(shù)的使用，接收機(jī)通常需要多個(gè)通道，因此需要多通道ADC電路來對數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣。然而，由于采樣電路的路數(shù)很多，當(dāng)存在多片ADC芯片并行工作時(shí)，會(huì)出現(xiàn)不同的通道差異。這些差異會(huì)增大后期信號處理的誤差，降低整個(gè)系統(tǒng)的性能，因此需要對多路ADC通道進(jìn)行一致性評估與測試。

傳統(tǒng)多路ADC測試方案——功分器分成多路信號：

  
傳統(tǒng)多路ADC測試方案——多臺(tái)信號源：

  
      前者利用分路進(jìn)行測試，輸出信號經(jīng)過多次衰減，信號功率低，可能無法滿足測試的要求，后者需要多臺(tái)信號源，搭建系統(tǒng)復(fù)雜且成本高昂。

      使用中星聯(lián)華科技多通道信號源，可以解決上述問題。由于設(shè)備里多個(gè)通道之間是嚴(yán)格相參的，因此可以精確控制進(jìn)行多路ADC測試。

中星聯(lián)華多路ADC測試方案：

  
      多通道信號源多個(gè)通道之間是嚴(yán)格相參的，可以精確控制進(jìn)行測試。一臺(tái)頂多臺(tái)，將測試時(shí)間和成本省下來。

DAC測試

      
      DAC是把一串?dāng)?shù)字信號轉(zhuǎn)成模擬信號，在DAC的測試中也需要超低相噪的時(shí)鐘信號輸入。

      中星聯(lián)華Pro系列信號源為DAC測試提供業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的超低相噪的時(shí)鐘輸入信號，保證了DAC驗(yàn)證的精確測量。

測試結(jié)果：

  
-   JESD204B在高速ADC/DAC中的測試
      JESD204B是幾種常見的ADC到FPGA的接口，采用高速串行接口方式，極大減少物理連接數(shù)；使用8b/10b編碼，提升數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性；單Lane速率可達(dá)16Gbps，遠(yuǎn)超LVDS，是現(xiàn)代ADC到FPGA連接的主流方案。

    
      JESD204B面向高速、高分辨率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的16Gbps串行接口標(biāo)準(zhǔn)，對JESD204B接口進(jìn)行測試是非常必要的。

      抖動(dòng)、眼圖模板、幅度，上升時(shí)間、下降時(shí)間等參數(shù)是用于評估JESD204B鏈路信號質(zhì)量的重要指標(biāo)。利用實(shí)時(shí)示波器對這些指標(biāo)進(jìn)行測試，利用誤碼儀對其Rx接收端的抖動(dòng)容限進(jìn)行測試。?JESD204B Tx/Rx測試框圖：

      
中星聯(lián)華產(chǎn)品特色
-    超低相噪多通道微波信號源
      SLFS-Pro系列超低相噪微波信號源具有低相噪、多通道、功率準(zhǔn)、頻譜純、寬頻率、廣兼容的特點(diǎn)，為ADC/DAC用戶帶來全球尖端測試測量儀器新選擇！

      
-    高性能誤碼儀
產(chǎn)品特色：
·     模塊化：多通道靈活配置，單機(jī)支持32發(fā)32收；
·     高速率：1G-120Gbps，數(shù)據(jù)速率靈活可調(diào)；
·     壓力眼：注抖加噪，讓信號擁有72般變化；
·     UDP：最大可支持16Gbit超長用戶自定義碼型。

      中星聯(lián)華高性能誤碼分析儀具有模塊化設(shè)計(jì)、靈活的通道配置、高速率、注抖加噪創(chuàng)建壓力眼信號、超長用戶自定義碼型等業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的核心技術(shù)，可滿足高速JESD204B/C Rx接收端抖動(dòng)容限測試的苛刻測試需求。

      
總結(jié)
      高速ADC作為自動(dòng)駕駛汽車、5G基站、衛(wèi)星、雷達(dá)等設(shè)備中接收機(jī)鏈路的關(guān)鍵部件，其性能很大程度決定了整機(jī)性能指標(biāo)，因此ADC性能參數(shù)的精確測量必不可少。中星聯(lián)華的SLFSP超低相噪信號源以其優(yōu)異的諧波/非諧波/相噪/寬帶底噪性能以及獨(dú)一無二的多通道輸出，助力高性能ADC的精確測試和性能提升。

關(guān)于中星聯(lián)華科技
      中星聯(lián)華科技（Sinolink Technologies）成立于2009年，長期從事高頻率、高速率、大帶寬、寬頻帶測試測量技術(shù)研發(fā)，為衛(wèi)星通信、雷達(dá)、復(fù)雜電磁環(huán)境等傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域及5G移動(dòng)通信、高速互連等新興行業(yè)提供穩(wěn)定可靠、性能卓越的專屬測試測量工具。

      聚焦成就專業(yè)，創(chuàng)新服務(wù)應(yīng)用。深度理解行業(yè)應(yīng)用，依托傳統(tǒng)測試測量理論和技術(shù)，協(xié)同行業(yè)領(lǐng)軍精英共同致力于改善測試工具的實(shí)用性、便捷性和經(jīng)濟(jì)性，幫助工程師將更多時(shí)間與精力投入到研發(fā)、生產(chǎn)的本身。以創(chuàng)新測試工具加速相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展，推動(dòng)所服務(wù)行業(yè)的迭代更新，為人類文明進(jìn)步增磚添瓦。

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