中頻采樣廣泛應用于軟件無線電、數字中頻接收機、基站系統(tǒng)等通信領域。高性能的中頻采樣系統(tǒng)往往要求具備高信噪比、靈活可變的采樣頻率，支持高速高精度采樣。根據以上要求。這里設計并實現(xiàn)了一種高性能中頻采樣系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)總體設計
圖1為中頻采樣系統(tǒng)總體設計框圖。由圖1可知，該系統(tǒng)主要由驅動電路、A／D轉換電路、時鐘電路3部分組成。
1．1 驅動電路
信號A／D轉換前往往需要進行以下處理：1)放大或衰減，使輸入信號的電平與A／D轉換器的所需電平相吻合；2)直流補償或電平轉換，通過補償提高或降低直流電平使之符合A／D轉換器的工作電平；3)濾波。濾除信號雜波使頻帶寬度符合A／D轉換器的要求。采用運算放大器設計的驅動電路可以很好的完成上述處理。
使用運算放大器作A／D轉換器的接口還可作為緩存。大部分的A／D轉換器并不能獲得與輸入電壓范圍相符合的輸入信號，只有極少的情況下是相符的，這時需要在輸入信號與A／D轉換器之間加入一個緩存運放，這樣可以解決以下問題：1)阻抗匹配，信號源往往并不是該系統(tǒng)設計所需的低阻抗，A／D轉換器的輸入將影響信號源。通常運算放大器緩存具有高輸入阻抗，因此它不會對信號源產生影響。另外其低輸出阻抗有益于A／D轉換器的驅動；2)減小容性負載的影響。大多數的A／D轉換器除在輸入端具有電阻特性外，還具有電容效應。因此需要額外的補償電路．通常用電阻或電容。運算放大器的低輸出阻抗特性使其解決上述問題；3)將單端信號轉換為差分信號，許多A／D轉換器使用差分輸入，而大多數信號是單端的。運算放大器可以完成這一轉換。
1．2 A／D轉換電路
A／D轉換器的性能指標主要分為靜態(tài)參數和動態(tài)參數2種。靜態(tài)參數是指A／D轉換電路在低頻或直流下的性能參數，而動態(tài)參數則是指中頻或射頻信號輸入時的性能參數。對于中頻采樣系統(tǒng)來說，由于輸入信號頻率較高，其動態(tài)特性對反映電路的性能具有更大意義。重要的動態(tài)特性指標包括：信噪比RSN、無雜散動態(tài)范圍SFDR、有效比特位ENOB、積分非線性INL、微分非線性DNL等。
一個高性能的中頻采樣系統(tǒng)對噪聲性能的要求很高，A／D轉換器的噪聲來源通常有：A／D轉換器失真和量化噪聲，A／D轉換器等價輸入噪聲，內部抽樣保持電路的孔徑抖動，不良的接地和退耦設計，外部驅動放大器的噪聲，不良的布局和信號走線設計，采樣時鐘噪聲，外部電源噪聲。針對以上噪聲來源，該系統(tǒng)設計采用以下方法，力求減小噪聲的引入：所有芯片的電源部分都采用鉭電解電容與大面積，低阻抗的地層相退耦，用于去除低頻噪聲；使用鐵氧體磁珠去除電源的高頻噪聲；模擬地與數字地分離。A／D轉換電路如圖2所示。
1．3 時鐘電路
中頻采樣系統(tǒng)的時鐘抖動會對系統(tǒng)性能產生很大影響，并且隨著輸入信號頻率的增加，這種影響越來越明顯。設輸入信號V=Asin(ωt+ψ)，采樣時鐘抖動為dt，信號能量為Es，噪聲能量為En，則有：
式(2)是在假設信號為正弦信號輸入的基礎上推導出來的。而對于任意信號，都可以看成是單頻(正弦)信號的組合，所以，式(2)具有通用性。因此，在已知輸入信號頻率fin及采樣時鐘抖動tj的情況下，A／D轉換器的信噪比被要求限制在-201g2πfintj以下，該信噪比與采樣時鐘fs無關，卻與輸入信號的頻率fin相關。
2 系統(tǒng)硬件設計
2．1 A／D轉換電路設計
采用AD9445作為A／D轉換電路的核心器件．該器件是一款適用于中頻采樣的14位，單片集成A／D轉換器。它采用3．3 V和5．0 V雙電源供電，支持差分信號的時鐘輸入，支持CMOS、LVDS 2種數據輸出格式。其重要引腳功能如下：DCS MODE：時鐘占空周期穩(wěn)定器控制引腳，該引腳為低電平時可以起到穩(wěn)定時鐘周期占空比的作用。
OUTPUT MODE：將輸出數據電平選擇為CMOS電平，或者LVDS電平，為了獲取更高的性能，采用LVDS電平。
DFS：數據格式選擇。可以將輸出數據格式設置為二進制補碼或者偏置二級制格式。
VREF：配置該引腳可設置其內部參考電壓。
SENCE：配合VREF引腳完成內部參考電壓的設置。
REFT，REFB：差分參考輸出引腳。
VIN+，VIN-：輸入電壓引腳。
CLK+，CLK-：采樣時鐘輸入引腳。
D0～D13：輸出引腳。
DC0：數據時鐘輸出引腳。
目前，主流中頻采樣A／D轉換器都采用差分信號輸入。差分信號能有效地去除共模噪聲。提高系統(tǒng)的抗噪聲性能。這里采用LVDS模式的差分信號輸入。電路設計如圖2所示。經過調試。本系統(tǒng)在輸入中頻單頻信號頻率為40 MHz的情況下。信噪比可達77．4 dB,，其頻譜如圖3所示。
2．2 A／D轉換器前端運放電路
該系統(tǒng)設計采用AD8352型超低失真差分中頻放大器作為A／D轉換器的驅動器件。其電路設計如圖4所示。
通過設置電阻RG的大小，可調節(jié)AD8352的放大倍數，其范圍為：3～25 dB。CD和RD用于消除失真。通過前端的變壓器，可以將單端信號轉換為差分信號，為AD8352提供差分信號，使其具有更高的性能。
2．3 采樣時鐘電路
AD9445的采樣時鐘必須是一個高質量，超低相位噪聲的時鐘源。根據上述理論分析可知，時鐘抖動會對A／D轉換器的性能造成很大影響：
假設一個中頻輸入信號的頻率為70 MHz。采樣時鐘的抖動為1 ps，則RSN=-201g(2πx70x106x10-12)=67．13 dB。結果說明，時鐘的抖動已經將A／D轉換器的信噪比限制在67．13 dB以下。在輸入70 MHz時。如果使用一個高抖動的時鐘源，則RSN性能很容易被降低3～4 dB。這里采用高性能時鐘分配芯片AD9518-4作為采樣時鐘，電路設計如圖5所示。
AD9518具有6路時鐘輸出，可分為3組，即同時可輸出3種不同頻率，并且每路的頻率輸出都可以通過軟件進行配置調節(jié)。AD9518具有內部鎖相環(huán)和壓控振蕩器電路，時鐘輸出范圍寬，時鐘抖動小，輸出頻率靈活。AD9518，我們可以獲得高性能的采樣時鐘，同時，通過對AD9518內部寄存器的操作，改變采樣時鐘的頻率，從而方便地進行中頻欠采樣或過采樣等信號處理工作。圖6顯示了本設計中時鐘采樣電路的主要性能指標。
2．4 系統(tǒng)電源電路
電源噪聲是板級設計中的主要噪聲來源。為了盡量減小電源噪聲，使用低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)LT1763作為電源器件。針對運放、A／D轉換器以及時鐘電路都要嚴格滿足模擬與數字電源分離的要求。本設計中的電源方案如表1所示，每種電壓都使用1片LT1763單獨供電，從而最大限度地防止數字電壓與模擬電壓之間的串擾以及不同供電電壓之間的串擾。
3 系統(tǒng)軟件設計
本系統(tǒng)軟件設計是采樣系統(tǒng)的時鐘芯片AD9518的軟件配置，AD9518是一款可調時鐘輸出頻率的多路時鐘輸出芯片。其輸出時鐘可以通過對其內部寄存器的配置完成。配置軟件中的主要功能函數包括：
通過以上函數即可完成時鐘芯片的配置，達到在采樣過程中靈活變換時鐘的目的。
4 結束語
中頻采樣系統(tǒng)應用廣泛，但由于前端驅動設計問題或采樣時鐘抖動過大而限制采樣系統(tǒng)的整體性能。該設計方案已成功實現(xiàn)，配合后端的數字處理電路，可以獲得高性能的中頻采樣信號。