超越第一奈奎斯特区

介绍

数据采集系统的设计人员——尤其是过程控制或自动化系统中的精密测量——通常将他们的系统设计为在第一奈奎斯特区运行，这意味着最大输入频率必须限制在采样频率的一半以下频率。因此，如果我们构建一个系统来捕获最高 20KHz 的音频，那么我们必须以超过 40KHz 的频率进行采样，以确保捕获最高频率的分量。

别名

那么当你不遵守规则时，系统会发生什么？假设我们以高达 20kHz 的频率分量对 15kHz 的模拟信号进行采样——我们最终会出现“混叠”或将较高分量折叠到输入信号的工作频带中（参见图 1）。这些混叠信号将添加到原始信号中，并且无法将混叠频率分量与原始信号区分开来。

图 1：输入信号穿过第二个奈奎斯特区并混叠到信号的工作频带中

在大多数情况下，捕获模拟信号且不遵循奈奎斯特采样规则的系统被认为是“不良”系统，需要在模数转换器 (ADC) 输入之前使用抗混叠滤波器，以防止频率分量进入上奈奎斯特区。然而，有时候，这是一件好事。

在以极高频率模式运行的射频 (RF) 系统中，在处理器（或现场可编程门阵列 [FPGA]）和数据转换器之间移动的数据量可能令人难以置信——尤其是在系统运行时在第一奈奎斯特区（或简称为“第一奈奎斯特”）。例如，在第一个 Nyquist 中运行的 1GHz 输出频率的数模转换器(DAC) 需要以超过 2GHz 的频率为输出提供时钟，以实现所需的频率内容。

这也适用于ADC——如果来自 RF 子系统的输入的工作频带介于 900MHz 和 1GHz 之间，那么 ADC 必须以超过 2GHz 的频率进行采样，以将所有频率内容置于第一个 Nyquist 中。

使用奈奎斯特混叠作为好处

诀窍是利用混叠（或频率折叠）对我们有利。通过对数据转换器进行欠采样，较高频率的内容将混叠到所有较低的奈奎斯特区域（参见图 2）。我们需要绝对确保没有任何东西最终出现在较低频段 - 较低区域中的任何噪声或频率分量也将混叠到第一个奈奎斯特。好消息是，如果这是第一个 Nyquist 系统，来自数据转换器的数据速率只是所需 RF 输入采样率的一小部分。欠采样大大降低了提供给数字信号处理器 (DSP) 或 FPGA 的样本的数据速率。

图 2：二次采样时，高阶频率分量被折叠到较低的奈奎斯特区域

ADC 的唯一主要要求是输入带宽必须足以满足输入频率，否则信号将失真。例如，ADC12J2700可以采样高达 2.7GSPS，但它的输入带宽大于 3GHz，允许输入信号超过最大采样率，从而将它们折叠到较低的区域。

ADC12J1600和ADC12J2700器件为宽带采样和数字调谐器件。德州仪器(TI)的千兆次采样模数转换器(ADC)技术支持采用射频直接对大范围频谱采样。集成DDC（数字下变频器）可进行数字滤波和下变频转换。所选频率块适用于JESD204B串行接口。数据以基带15位复数信息形式输出，以减轻下游处理压力。根据数字下变频器(DDC)抽取率和链接输出率设置，该数据将通过串行接口的1至5通道输出。
DDC旁路模式还支持输出全速率12位原始ADC数据。此运行模式需要8个串行输出通道。
ADC12J1600和ADC12J2700器件采用68引脚超薄四方扁平无引线(VQFN)封装。该器件的工业环境运行温度范围为–40°C≤T-A≤85°C。

■旁路模式适用于整个奈奎斯特输出带宽
■在4x抽取率和2700MSPS条件下，可用输出带宽为540MHz
■在4x抽取率和1600MSPS条件下，可用输出带宽为320MHz
■在32x抽取率和2700MSPS条件下，可用输出带宽为67.5MHz
■在32x抽取率和1600MSPS条件下，可用输出带宽为40MHz

还有一些额外的考虑超出了这篇文章的范围，但总的来说，这个技巧可以让你免于处理极高的数据速率和处理要求。

如果我们正在构建高性能数字射频系统，我们可能需要考虑将此方法与适当的DAC或ADC结合使用。如果设计得当，这种方法可以大大简化这些系统的处理和数据流要求。