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RF采样：过采样是如何欺骗物理学原理的

已有 607 次阅读2015-9-14 15:17 |系统分类:模拟技术

作者：RJ Hopper

**这是全新RF采样博客系列的第5篇文章，本系列每月在模拟接线 (Analog Wire) 中更新**

RF采样转换器能够捕捉高频信号和大带宽信号；然而，并不是每个应用都采用需要极高速采样的信号。对于带宽或输出频率不太富裕的情况，采用RF采样转换器的高采样率功能仍然具有一定的优势。

采样原理规定，采样率必须至少为信号最大带宽的两倍。低于这个采样率的采样被称为欠采样，并且会导致混叠；这个方法的优点我已经在之前的博客文章中讨论过了。高于这个采样率的采样被称为过采样。过采样提供某些处理优势，而这些优势似乎使你能够无视物理学原理的存在。

模数转换器 (ADC) 的其中一个关键测量参数为信噪比 (SNR)。SNR测量的是所需信号功率与第一那奎斯特区间内整个噪声功率之间的相对水平。那奎斯特区间带宽为采样率除以2 (Fs/2)。不知你还记不记得，所有信号和噪声将折返会第一那奎斯特区间。这个区间实际上代表了器件的整个带宽。

过采样的其中一个优点就是图像组件被放置在远离频率空间的位置上。这样更容易实现模拟滤波，以消除干扰信号，这些干扰信号会混叠进入已捕捉带宽，并降低接收器灵敏性的。图1说明了两个实例：一个信号在那奎斯特速率附近被采样，而另一个信号被过采样。过采样情况提供了一个更加可靠的模拟抗混叠滤波器。

图1：滤波器对于那奎斯特率采样与过采样之间关系的影响

过采样能够将器件的SNR性能提高到理论量化噪声限值以上。量化噪声平均分布在那奎斯特带宽范围内。通过增加采样率，同样的量化噪声分散在更大的那奎斯特带宽内。所需信号保持不变。与数字滤波组合使用的抽取滤波在不影响所需信号的情况下，减少了噪声带宽。需要注意的是，由于必须有额外的采样数据可供移除，所以抽取滤波意味着使用的是过采样。在RF采样ADC中，经常提到的是抽取因子，而非过采样率；然而，这些参数实际上是等值的。

例如，抽取因子为2的话，那么信号的过采样率至少为2。在这个示例中，信号功率保持不变，但是那奎斯特带宽减半。这就消除了一半的噪声功率，从而将ADC SNR提高了3dB。第一个方程式表示的是由量化噪声而产生的理想SNR，其中的N是转换器的位数。第二个方程式表示了抽取因子D对SNR的改进值。

从单纯的量化噪声角度分析，采样率增加四倍等于将分辨率提高一个有效位。理论上，通过以最小那奎斯特速率16倍的采样率进行采样，一个12位数据转换器能够实现14位转换器的SNR性能。实际上，由于与孔径抖动、时钟抖动和热噪声相关的其它损坏，RF采样数据转换器无法实现与量化噪声限值等值的SNR性能；然而，过采样技术仍然提供了几乎相同的SNR性能提升。在很多通信系统中，这一优势是很关键的。例如，ADS54J60是一款16位、1GSPS ADC，它具有值为2或4的抽取滤波选项。为了改进SNR性能，设计人员可以决定增加采样速度，并引入抽取滤波。