在現代頻譜儀和信號分析儀中，隨著數字信號處理技術的廣泛采用，高速A/D轉換器（ADC）的應用及其性能越來越受到關注，因為它的性能直接影響頻譜儀和信號分析儀的精度，尤其是ADC的動態性能，包括信噪比和有效位數。ADC的動態范圍性能可以通過其位數（N）和采樣頻率（fs）計算出理論值，同時也可以通過實際測試獲得頻譜儀和信號分析儀的所選數字處理通道A/D處理的實際動態指標。是否ADC的位數越高意味著分析動態范圍越大呢？結果并非如此。要注意，在評價兩種儀表時，要采用同等條件和一致的指標定義方法，僅僅關注ADC的位數是錯誤的，應當關注其有效位數、信號和分析帶寬、采樣頻率和信噪比。

ADC動態指標

信噪比

對于理想的ADC來說，在奈奎斯特帶寬內的量化誤差為一白噪聲隨機信號，其量化方差

其中q=2-N為A/D變換器的量化間距，N為A/D字長N位。

量化噪聲的信噪比為：

SNR=6.02N+1.76+101g（fs/2B） （1）

式中，N是ADC的位數，fs是采樣頻率，Ｂ是模擬輸入信號的帶寬。上式右邊第三項表示增加采樣頻率（過采樣）可提高信噪比。

有效位數

實際上ＡＤＣ的誤差表現為靜態及動態非線性誤差，并且動態誤差隨輸入信號壓擺率的增加而變大。因此實際測量的信噪比要比理論上的小一些。計算有效位數（ENOB）可以從對方程（1）的N求解得到。

ENOB（N）=［SNR-1.76-101g（fs/2B）］/6.02 （2）

頻譜儀和信號分析儀內部的ADC指標評估

ADC動態所影響的信號分析儀指標

典型的頻譜儀電路框圖如圖1所示。其中ADC處于中頻信號之后，對中頻（或視頻）信號進行采樣和轉換。ADC的性能影響到頻譜儀的噪聲和信噪比等指標，還影響到頻譜儀的失真指標，包括諧波、雜散和互調失真。

典型的頻譜儀電路框圖

對于現代信號分析儀來說，中頻和視頻信號的處理基本采用數字技術和矢量分析（IQ分析）技術。因此，DAC所造成的影響就顯得十分重要。

舉例分析ADC動態所影響的信號分析儀指標以羅德與施瓦茨公司FSQ為例，對于A/D轉換和數據分析部分進一步分析，框圖如圖2。

ADC動態所影響的信號分析儀

·ADC的量化噪聲和信噪比理論分析

對于FSQ的窄帶IQ分析模塊，采用的ADC（標注②和③）為14位81.6MHz采樣，根據公式（1），信噪比理論值歸一化到1Hz帶寬（B=1Hz）為：

SNR1（1Hz）=6.02N+1.76+101g（fs/2B）=6.02×14+1.76+101g（81.6×106/2）=162dBc/Hz

所以，對于窄帶IQ分析模塊，ADC的量化噪聲理論值為 -162dBc/Hz。

對于FSQ的寬帶擴展IQ分析模塊（FSQ-B72），采用的ADC（標注①）為8位326.4MHz采樣，根據公式（1），信噪比理論值歸一化到1Hz帶寬（B=1Hz）為：

SNR2（1Hz）=6.02N+1.76+101g（fs/2B）=6.02×8+1.76+101g（326.4×106/2）=132dBc/Hz

所以，對于寬帶IQ分析模塊，ADC的量化噪聲理論值為 -132dBc/Hz。

相對于實際信號分析儀，根據ADC之前的濾波器帶寬BW，可以計算出分析儀在相應帶寬下可以達到的實際噪聲。噪聲計算公式為：

N=-SNR（1Hz）+101g（BW/1Hz）

對于窄帶IQ分析模塊，當濾波器帶寬為10MHz（被測信號帶寬小于10MHz）時，ADC的量化噪聲理論值為

N=-162+101g（BW/1Hz）=-92dBc

對于寬帶IQ分析模塊，當濾波器帶寬為60MHz（被測信號帶寬小于60MHz

）ADC的量化噪聲理論值為

N=-132+101g（BW/1Hz）=-54dBc

·羅德與施瓦茨公司FSQ的IQ分析動態指標

對于實際的信號分析儀，影響其動態指標的因素除了ADC以外還有很多。可以根據分析儀指標手冊中的實際動態指標進行分析評價。

根據公式（2），利用分析儀實際信噪比指標計算實際ADC的有效位數：

ENOB（N）=［SNR-1.76-101g（fs/2B）］/6.02

FSQ-B72（帶寬擴展選件）的信噪比和有效位數指標：

FSQ-B72的雜散指標：

FSQ-B72的本底噪聲指標：-153dBm/Hz

滿量程信號輸入時，針對寬帶IQ信號，例如30MHz帶寬，此時信噪比為：

SNR（dBc）=SNR0（dBc/Hz）-101g（BW/1Hz）=125-101g（30×106/1Hz）

對于帶寬30MHz的信號，SNR》50dBc。

某常見頻譜儀寬帶IQ分析選件的動態指標

某常見頻譜儀寬帶IQ分析選件的指標：在14GHz左右噪聲功率密度為-123dBfs/Hz。

根據公式（2），利用頻譜儀實際信噪比指標計算實際ADC的有效位數為7位。

雜散響應為-68dBc， 互調響應為-75dBc，本底噪聲-153dBm/Hz。

在14GHz滿量程信號輸入時，針對寬帶IQ信號，例如30MHz帶寬，此時信噪比為：

SNR（dBc）=SNR0（dBc/Hz）-101g（BW/1Hz）=123-101g（30×106/1Hz）=48（dBc）

對于帶寬30MHz的信號，SNR》48dBc。

結語

在分析頻譜儀和信號分析儀動態指標時，要綜合考慮信噪比、雜散和互調指標。從上文分析看出，對于寬帶信號，影響動態范圍最主要的因素為信噪比，其它失真諸如雜散和互調等，在分析帶寬較大的情況下，會淹沒在噪聲內。

例如，FSQ-B72的寬帶信號分析在信號帶寬為30MHz時，動態范圍大于50dBc，隨著帶寬的增加，動態范圍減小。2.2.3中所述頻譜儀寬帶IQ分析選件的寬帶信號分析在信號帶寬為30MHz時，輸入頻率為14GHz左右時動態范圍大于48dBc。

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