通信系统中滤波器的设计

时间：2024-06-26 15:19:29

关键字：滤波器信道容量 ADC

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[导读]滤波在几乎所有通信系统中都起着重要作用，因为消除噪声和失真会增加信道容量。设计一个仅通过所需频率的滤波器相当容易。

滤波在几乎所有通信系统中都起着重要作用，因为消除噪声和失真会增加信道容量。设计一个仅通过所需频率的滤波器相当容易。然而，在实际的物理滤波器实现中，通过滤波器会损失所需的信号功率。这种信号损失对模数转换器(ADC) 噪声系数的影响分贝。

更糟糕的是，驱动 ADC 的放大器将在滤波器损耗的倍数处产生失真。例如，如果滤波器有 7dB 的损耗，放大器需要将信号驱动 7dB。这将导致二阶产品的电平高出 7dB;三阶产品会差14dB。其中一些失真产物(尤其是互调)无法滤除，因此将滤波器损耗保持在最低水平对系统性能至关重要。

选择系统组件也是系统设计的关键部分。最小带宽、吞吐速率和输入频率之间的这种关系说明：输入频率越高，则要求RC带宽越高。同样，吞吐速率越高，则采集时间越短，从而提高RC带宽。采集时间对所需带宽的影响最大;如果采集时间加倍(降低吞吐速率)，所需带宽将减半。表 1 显示了一些 ADC，以及它们的输入规格和对 ADC 和典型 2Vpp 放大器输出信号之间可接受损耗量的估计。表中显示的“允许滤波器损耗”是一个任意规格，但它有助于选择理想的滤波器拓扑。

通常很难找到与模拟输入范围一致，但又具有适当输入数量、所需尺寸和正确采样速度的模数转换器(ADC)。特别是对于处理宽电压摆幅的系统设计人员来说，人们担心缩小输入信号以驱动ADC的满量程范围会显著降低信噪比(SNR)。本应用笔记讨论了影响这种SNR损耗的因素，如何量化，更重要的是，如何将其最小化。

使用模数转换器(ADC)进行设计时，一个典型的误解是，缩小输入信号以驱动ADC的满量程范围会显著降低信噪比(SNR)。对于使用宽电压摆幅的系统设计人员来说，这一点尤其值得关注。使问题更加复杂的是，与高压电源相比，用于低压电源(5V或更低)的ADC产品范围也广泛得多。更高的电源通常会导致更高的功耗和电路板复杂性，例如需要更多的去耦电容。本应用笔记讨论了影响缩放引入的SNR损耗的因素，如何量化，更重要的是，如何将其最小化。

来自传感器或系统的许多信号是高压和双极性的;例如±10V被广泛使用。但是，有一些简单的方法可以通过ADC驱动该信号，并且可以使用集成的高压ADC解决方案来处理如此大的满量程输入而不会损失SNR。这些解决方案通常需要额外的高压电源来适应输入范围并消耗相当大的功率(图 1)。这些高压ADC还缩小了可用信号调理(运放)解决方案的范围。如果需要通过高压和低压输入的组合对信号进行多路复用，则实施成本可能会变得相当昂贵(图 2)。

图1.MX574A 高压 ADC 以更高的功耗为代价容纳大输入信号。为了实现这种解决方案，通常需要±15V和+5V电源。

图2.多路复用双极性高压ADC系统。

您还可以使用输入放大器执行信号缩放，以驱动低压ADC的整个输入范围。该信号调理电路可以连接到单个多路复用输入(见图3)，因此所有信号都覆盖ADC的范围。

图3.高压多路复用系统，采用单路MAX11100低压ADC。

当放大器用于执行信号电压调节时，噪声被回馈到放大器的输入端。目前有两个主要噪声源：放大器本身的输入参考噪声和ADC的按比例缩小的输入参考噪声。这两个噪声源以二次方式组合在一起。此外，放大器的噪声由ADC的输入带宽以及放大器和ADC输入之间的抗混叠滤波器滤除。参见图 4。

图4.缩放放大器引入噪声，但噪声由ADC的RC和输入网络滤波。

滤波在几乎所有通信系统中都扮演着重要的角色，因为去除噪声和失真会增加信道容量。设计一个只通过所需频率的滤波器是相当容易的。然而，在实际的物理滤波器实现中，通过滤波器会损失所需的信号功率。这种信号损失会为模数转换器(ADC) 噪声系数贡献分贝。

更糟糕的是，驱动 ADC 的放大器会在滤波器损耗的倍数处产生失真。例如，如果滤波器有 7dB 的损耗，则放大器需要将信号驱动 7dB。这将导致二阶产品的电平高出 7dB;三阶产品会差14dB。其中一些失真产物(尤其是互调)无法被滤除，因此将滤波器损耗保持在最低水平对系统性能至关重要。

图 1：典型信号链

选择系统组件也是系统设计的关键部分。表 1 显示了一些 ADC，以及它们的输入规格以及 ADC 与典型 2Vpp 放大器输出信号之间可接受的损耗量的估计值。表中显示的“允许滤波器损耗”是一个任意规格，但它有助于选择理想的滤波器拓扑。

表1 ：ADC 输入参数

过滤器损失的来源

有两种类型的滤波器损耗：与滤波器组件直接相关的损耗和与将滤波器集成到系统中相关的损耗。滤波器元件损耗几乎都是由寄生电阻造成的。为了减少元件损耗，请尽量减少滤波器元件的等效串联电阻 (ESR)。

虽然滤波器组件在理想情况下没有损耗，但与将滤波器集成到系统相关的损耗更为复杂。滤波器设计为具有输入和输出阻抗，这通常需要电阻器来提供宽带阻抗匹配，如图 1 所示。这些匹配电阻器对系统电压增益造成 6dB 的损耗。

参考测量是另一个关键考虑因素。虽然 RF 系统通常围绕功率水平设计，但几乎 100% 的可用 ADC 采样电压而不是功率。出于这个原因，ADC 驱动放大器和 ADC 之间的损耗通常以分贝伏特而不是分贝功率来指定。这可能会令人困惑，但它很重要——因为它是 ADC 测量中显示的电压损失。请注意，3dB 的功率损失相当于 6dB 的电压损失。

阻抗变换

由于 ADC 采样的是电压而不是功率，因此可以将滤波器用作电压增益电路。这是可能的，因为电压和阻抗对于给定的功率水平是成比例的。图 2 所示的原理图给出了一个示例，该示例使用低阻抗输入和高阻抗输出，通过使用滤波器提高电压来降低整体损耗。图 3 显示了结果。电压损耗下降2.5dB。这种方法在 ADC 输入阻抗为 200Ω 或更高时效果最佳。查看表 1，该方法适用于我们的 16 位、1-GSPS、双通道 ADS54J60 和 16 位、370-MSPS、双通道 ADC16DX370。