ADC不可忽略的交调失真因素

　　简介

　　交调失真（IMD）是用于衡量放大器、增益模块、混频器和其他射频元件线性度的一项常用指标。二阶和三阶交调截点（IP2和IP3）是这些规格参数的品质因素，以其为基础可以计算不同信号幅度下的失真积。虽然射频工程师们非常熟悉这些规格参数，但当将其用于ADC时往往会产生一些困惑。本教程首先在ADC 的框架下对交调失真进行定义，然后指出将IP2和IP3的定义应用于ADC时必须采取的一些预防措施。

　　双音交调失真（IMD）

　　测量双音交调失真时，要将两个频谱纯净的正弦波在频率f1和f2下应用于ADC，这两个频率一般距离相对较近。将每个音的幅度设为比满量程低，数值略微超过6dB即可，以便两个音相位增加时，ADC不会出现削波。二阶和三阶积的位置如图1所示。请注意，二阶积处于数字滤波器可以消除的频率位置。然而，三阶积2f2-f1和2f1-f2接近原始信号，过滤的难度更大。除非另有说明，双音交调失真指这些“近距”三阶积。交调失真积值一般以dBc为单位，相对于两个原始音之一的值，而不是两者之和。

　　然而，请注意，如果两个音接近fs/4，则基波的混叠三次谐波可能使2f2-f1和2f1-f2真实积的识别变得异常困难。其原因在于，fs/4的三次谐波为3fs/4，而混叠出现在fs-3fs/4=fs/4频率处。类似地，如果两个音接近fs/3，则混叠二次谐波可能会干扰测量。原理同上，fs/3的二次谐波为2fs/3，混叠出现在fs-2fs/3=fs/3处。

　　二阶和三阶交调截点（IP2，IP3）、1-dB压缩点

　　三阶交调失真积在多通道通信系统中尤其麻烦，这种应用中，通道隔离在整个频段保持不变。三阶交调失真积在有大信号的情况下可能掩盖住小信号。

　　在放大器、混频器和其他射频元件中，一般以三阶交调截点（IP3）来表示三阶交调失真积，如图2所示。两个频谱纯洁的音被应用于该系统。单音的输出信号功率（单位：dBm）以及三阶积的相对幅度（以一个单音为基准）表示为输入信号功率的函数。基波表示为图中的slope=1曲线。如果通过幂级数展开逼近系统非线性度，则信号每增加1dB，二阶IMD（IMD2）幅度将增加2dB，如图中slope=2曲线所示。

　　类似地，信号每增加1dB，三阶IMD（IMD3）幅度就增加3dB，如图中slope=3曲线所示。

　　在一个低电平双音输入信号和两个数据点下，则可以绘制出二阶和三阶交调失真线，如图2所示（其原理是，一个点和一个斜率定义一条直线）。

　　然而，输入信号一旦达到某种水平，输出信号就会开始软限制或压缩。这里一个相关参数是1dB压缩点。这就是输出信号从一个理想的输入/输出传递函数压缩1dB的点。在图2中，该点处于理想斜率=1线变成虚线与实际响应表现出压缩迹象（实线）之间的区域中。

　　然而，二阶和三阶交调截线都可以延长，与理想输出信号线的延长线（虚线）相交。这些交点分别称为二阶和三阶交调截点，表示为IP2和IP3.这些功率电平值通常以传导至一个匹配负载（通常但不一定为50）的器件输出功率为基准，表示为dBm.

　　应当注意，IP2、IP3和1dB压缩点都是频率的函数，不出所料，频率越高，失真越严重。

　　对于给定的频率，在已知三阶交调截点的情况下，可以计算出三阶IMD积的近似电平值（为输出信号电平的函数）。

　　二阶和三阶交调截点的概念对ADC无效，因为，在这种情况下，失真积的变化不可预测（作为信号幅度的函数）。ADC并不是逐渐开始压缩接近满量程的信号 （不存在1dB压缩点）;一旦信号超过ADC输入范围，ADC就会充当硬限幅器，从而因削波而突然产生数量极大的失真。另一方面，对于远远低于满量程的信号，失真底保持相对稳定，不受信号电平影响，如图3所示。

　　图3中的IMD曲线分为三个区域。对于低电平输入信号，IMD积保持相对稳定，不受信号电平的影响。这就意味着，当输入信号增加1dB时，该信号与IMD电平的比值也会增加1dB.

　　当输入信号处于ADC满量程范围的几dB之内时，IMD可能开始增加（但在设计优良的ADC中可能不会如此）。出现这种现象的确切电平取决于具体的 ADC--有些ADC在其满量程输入范围内，其IMD积不会显着增大，但多数ADC会。当输入信号继续增加并超过满量程范围时，ADC应充当理想的限幅器，IMD积将变得非常大。出于对此类原因的考虑，ADC并无二阶和三阶IMD交调截点额定值。需要注意的是，DAC实际上存在同样的情况。在两种情况下，单音或多音SFDR（无杂散动态范围）额定值是广受认可的数据转换器失真性能的衡量指标。