ADI技術(shù)文章：過(guò)采樣插值DAC

作者：ADI公司　　Walt Kester

簡(jiǎn)介

過(guò)采樣和數(shù)字濾波有助于降低對(duì)ADC前置的抗混疊濾波器的要求。重構(gòu)DAC可以通過(guò)類(lèi)似的方式運(yùn)用過(guò)采樣和插值原理。例如，數(shù)字音頻CD播放器常常采用過(guò)采樣，其中來(lái)自CD的基本數(shù)據(jù)更新速率為44.1 kSPS。早期CD播放器使用傳統(tǒng)的二進(jìn)制DAC，并將“0”插入并行數(shù)據(jù)中，從而將有效更新速率提高到基本吞吐速率的4倍、8倍或16倍。4×、8×或16×數(shù)據(jù)流通過(guò)一個(gè)數(shù)字插值濾波器，產(chǎn)生額外的數(shù)據(jù)點(diǎn)。高過(guò)采樣速率將鏡像頻率移動(dòng)到更高位置，從而可以使用較為簡(jiǎn)單、成本更低、過(guò)渡帶更寬的濾波器。此外，由于存在處理增益，信號(hào)帶寬內(nèi)的SNR也會(huì)提高。Σ-Δ型DAC架構(gòu)使用高得多的過(guò)采樣速率，將這一原理擴(kuò)展到極致，因而在現(xiàn)代CD播放器中頗受歡迎。

同樣的過(guò)采樣和插值原理也可用于通信領(lǐng)域的高速DAC，以便降低對(duì)輸出濾波器的要求，并利用處理增益提高SNR。

重構(gòu)DAC的輸出頻譜

重構(gòu)DAC的輸出可以表示為一系列矩形脈沖，其寬度等于時(shí)鐘速率的倒數(shù)，如圖1所示。

圖1：顯示鏡像和sin （x）/x滾降的無(wú)濾波DAC輸出

請(qǐng)注意，在奈奎斯特頻率fc/2，重構(gòu)信號(hào)幅度降低3.92 dB。如果需要，可以使用一個(gè)反sin（x）/x濾波器來(lái)補(bǔ)償此效應(yīng)?；ㄐ盘?hào)的鏡像作為采樣函數(shù)的結(jié)果出現(xiàn)，并且也通過(guò)sin（x）/x函數(shù)衰減。

過(guò)采樣插值DAC

過(guò)采樣/插值DAC的基本原理如圖2所示。N位輸入數(shù)據(jù)字以速率fc接收。數(shù)字插值濾波器以等于過(guò)采樣頻率Kfc的時(shí)鐘速率工作，并插入額外的數(shù)據(jù)點(diǎn)。對(duì)輸出頻譜的影響如圖2所示。在奈奎斯特采樣頻率下（A），對(duì)模擬抗鏡像濾波器的要求可能相當(dāng)高。通過(guò)過(guò)采樣和插值，可以大大降低對(duì)該濾波器的要求，如（B）所示。此外，量化噪聲分布在比原始信號(hào)帶寬更寬的區(qū)域內(nèi)，因而信噪比也會(huì)有所提高。原始采樣速率加倍時(shí)（K = 2），SNR提高3 dB；K = 4時(shí)，SNR提高6 dB。早期CD播放器利用了這一點(diǎn)，一般能將數(shù)字濾波器中的算法精確到N位以上。如今，CD播放器中的多數(shù)DAC都是Σ-Δ型。

關(guān)于過(guò)采樣/插值DAC原理的最早期文獻(xiàn)有Ritchie、Candy和Ninke于1974發(fā)表的論文（參考文獻(xiàn)1），以及Mussman和Korte于1981年（申請(qǐng)日期）申請(qǐng)的專(zhuān)利（參考文獻(xiàn)2）。

圖2：過(guò)采樣插值DAC

下例使用一些實(shí)際的數(shù)值來(lái)說(shuō)明過(guò)采樣原理。假設(shè)以30 MSPS的輸入字速率驅(qū)動(dòng)一個(gè)傳統(tǒng)DAC（參見(jiàn)圖3A），DAC輸出頻率為10 MHz。在30 – 10 = 20 MHz時(shí)的鏡像頻率成分必須通過(guò)模擬抗混疊濾波器進(jìn)行衰減，濾波器的過(guò)渡帶始于10 MHz，止于20 MHz。假設(shè)必須將鏡像頻率衰減60 dB，則在10 MHz到20 MHz（一個(gè)倍頻程）的過(guò)渡帶內(nèi)，濾波器必須從10 MHz的通帶轉(zhuǎn)折頻率變?yōu)?0 dB的阻帶衰減。濾波器每個(gè)極點(diǎn)提供大約6 dB/倍頻程的衰減。因此，為了提供所需的衰減，至少需要10個(gè)極點(diǎn)。過(guò)渡帶越窄，則濾波器越復(fù)雜。

圖3：fo = 10 MHz時(shí)的模擬濾波器要求：（A） fc = 30 MSPS，（B） fc = 60 MSPS

假設(shè)我們將DAC更新速率提高到60 MSPS，并在各原始數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)之間插入“0”?，F(xiàn)在，并行數(shù)據(jù)流為60 MSPS，但我們必須確定零值數(shù)據(jù)點(diǎn)的值，這通過(guò)將添加0的60 MSPS數(shù)據(jù)流經(jīng)由數(shù)字插值濾波器處理來(lái)實(shí)現(xiàn)，由濾波器計(jì)算額外的數(shù)據(jù)點(diǎn)。2× 過(guò)采樣頻率下的數(shù)字濾波器響應(yīng)曲線(xiàn)如圖3B所示。模擬抗混疊濾波器過(guò)渡區(qū)現(xiàn)在是10 MHz到50 MHz（第一鏡像出現(xiàn)在2fc – fo = 60 – 10 = 50 MHz）。該過(guò)渡區(qū)稍大于2個(gè)倍頻程，說(shuō)明5或6極點(diǎn)濾波器即足夠。

AD9773/AD9775/AD9777（12-/14-/16-bit）系列發(fā)射DAC （TxDAC?）是2×、4×或8×可選過(guò)采樣插值雙通道DAC，圖4為其簡(jiǎn)化框圖。這些器件能夠處理最高達(dá)160 MSPS的12/14/16位輸入字速率，最大輸出字速率為400 MSPS。假設(shè)輸出頻率為50 MHz，輸入更新速率為160 MHz，過(guò)采樣比為2，則鏡像頻率出現(xiàn)在320 MHz – 50 MHz = 270 MHz，因此模擬濾波器的過(guò)渡帶為50 MHz至270 MHz。如果沒(méi)有2倍過(guò)采樣，則鏡像頻率出現(xiàn)在160 MHz – 50 MHz = 110 MHz，濾波器過(guò)渡帶為50 MHz至110 MHz。

圖4：過(guò)采樣插值TxDAC?的簡(jiǎn)化框圖

還應(yīng)注意，過(guò)采樣插值DAC支持較低的輸入時(shí)鐘頻率和輸入數(shù)據(jù)速率，因而它在系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生噪聲的可能性要低得多。

Σ-Δ型DAC

Σ-Δ型DAC的工作原理與Σ-Δ型ADC非常相似，但在Σ-Δ型DAC中，噪聲整形功能是利用數(shù)字調(diào)制器實(shí)現(xiàn)的，而不是利用模擬調(diào)制器。

與Σ-Δ型ADC不同，Σ-Δ型DAC大多是數(shù)字式（參見(jiàn)圖5A）。它由一個(gè)“插值濾波器”（一個(gè)數(shù)字電路，以低速率接受數(shù)據(jù)，以高速率插入0，然后應(yīng)用數(shù)字濾波器算法并以高速率輸出數(shù)據(jù)）、一個(gè)Σ-Δ型調(diào)制器（它對(duì)信號(hào)是低通濾波器，對(duì)量化噪聲則是高通濾波器，并將由此產(chǎn)生的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為高速位流）和一個(gè)1位DAC組成，該DAC的輸出在等值正負(fù)基準(zhǔn)電壓之間切換。輸出在外部模擬低通濾波器（LPF）中濾波。由于過(guò)采樣頻率很高，該LPF的復(fù)雜度遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)奈奎斯特采樣頻率下的情況。

圖5：Σ-Δ型DAC

Σ-Δ型DAC可以使用多位，這就是圖5B所示的“多位”架構(gòu)，其原理與之前討論的插值DAC相似，不過(guò)增加了Σ-Δ型數(shù)字調(diào)制器。

過(guò)去，由于n位內(nèi)部DAC的精度要求（它雖然只有n位，但必須具有最終位數(shù)N位的線(xiàn)性度），多位DAC難以設(shè)計(jì)。然而，AD195x系列音頻DAC利用專(zhuān)有“數(shù)據(jù)加擾”技術(shù)（稱(chēng)為“數(shù)據(jù)定向加擾”）解決了這一問(wèn)題，在所有音頻規(guī)格方面都能提供出色的性能。

圖6所示為AD1955 多位Σ-Δ型音頻DAC。 AD1955同樣使用數(shù)據(jù)定向加擾技術(shù)，支持各種DVD音頻格式，并具有非常靈活的串行端口。THD + N典型值為110 dB。

圖6：AD1955多位Σ-Δ型音頻DAC

總結(jié)

在現(xiàn)代數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)中，過(guò)采樣結(jié)合數(shù)字濾波是強(qiáng)有力的工具。我們已經(jīng)看到，同樣的基本原理既適用于ADC，也適用于重構(gòu)DAC。主要優(yōu)點(diǎn)是對(duì)抗混疊/抗鏡像濾波器的要求得以降低，另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是SNR因處理增益而提高。

Σ-Δ型ADC和DAC架構(gòu)是過(guò)采樣原理的終端擴(kuò)展，同時(shí)也是大多數(shù)語(yǔ)音頻帶和音頻信號(hào)處理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用的首選架構(gòu)。

參考文獻(xiàn)

1. G. R. Ritchie， J. C. Candy， and W. H. Ninke， “Interpolative Digital-to-Analog Converters，” IEEE Transactions on Communications， Vol. COM-22， November 1974， pp. 1797-1806.（最早的關(guān)于過(guò)采樣插值DAC的論文之一）。

2. H. G. Musmann and W. W. Korte， “Generalized Interpolative Method for Digital/Analog Conversion of PCM Signals，” U.S. Patent 4，467，316， filed June 3， 1981， issued August 21， 1984.（關(guān)于插值DAC的描述）。

3. Robert W. Adams and Tom W. Kwan， “Data-directed Scrambler for Multi-bit Noise-shaping D/A Converters，” U.S. Patent 5，404，142， filed August 5， 1993， issued April 4， 1995.（描述采用“數(shù)據(jù)加擾”技術(shù)的分段音頻DAC）。

4. Y. Matsuya， et. al.， “A 16-Bit Oversampling A/D Conversion Technology Using Triple-Integration Noise Shaping，” IEEE Journal of Solid-State Circuits， Vol. SC-22， No. 6， December 1987， pp. 921-929.

5. Y. Matsuya， et. al.， “A 17-Bit Oversampling D/A Conversion Technology Using Multistage Noise Shaping，” IEEE Journal of Solid-State Circuits， Vol. 24， No. 4， August 1989， pp. 969-975.

6. Walt Kester， Analog-Digital Conversion， Analog Devices， 2004， ISBN 0-916550-27-3， Chapter 3.另見(jiàn)The Data Conversion Handbook， Elsevier/Newnes， 2005， ISBN 0-7506-7841-0， Chapter 3.