在確保提供更大的數據存儲容量和更高的系統重配置能力的同時，降低能耗、縮小電路板面積和節約成本是下一代通信系統要達到的幾個主要目標。這些相互沖突的要求促使工程師們不得不對傳統的系統架構進行重新評估以滿足市場的需求，包括：

　　-增加接收通道的數目以滿足增大數據容量和提高傳輸能力

　　-提高可編程性能和系統重配置能力，從而減少重新設計的開支，同時降低電路定制的復雜度

　　-降低能耗以提高系統的可靠性，采取區域性和全球性的環保措施，并降低操作成本

　　-減少電路板面積和方案的物料表單

　　新型寬帶軟件無線電（SDR）方案的誕生，將有效地推進這些市場的發展。此外，近期在模數轉換器（ADC）技術（12位，3.6 GSPS）方面取得的進展也在一定程度上促進了寬帶軟件無線電系統的發展——該系統具有在高頻輸入的情況下同時進行多通道處理的能力。這種全新的模數轉換器可使系統能夠在保持高分辨率的前提下，對整個輸入頻帶直接數字化處理，因此不再需要設置多條接收通道或者使用昂貴的模擬濾波器。取而代之的是，所有通道的濾波操作都可在數字域中實現，不但獲得了更好的性能，同時還大幅降低了能耗、占用面積和成本（參見圖1和圖2）。將信號的處理操作轉移到數字域還能夠簡化編程的過程，動態地重配置系統參數，真正實現了可編程（或稱軟件定義）系統。

　　圖1：傳統的硬件型無線電解決方案

　　圖2：新型寬頻軟件型無線電解決方案

　　盡管在系統架構上這種根本性的轉變能夠帶來顯著的高性能和良好的成本效益，但是它卻需要改變模數轉換的評價方法。傳統模數轉換器定義了無雜散動態范圍（SFDR）、有效位數（ENOB）、信噪比（SNR）等性能指標，這些性能指標用于衡量在全奈奎斯特頻帶中單音正弦波的性能。但對于那些不使用全奈奎斯特頻帶并且也不僅僅局限于接收單音正弦波的系統而言，這些性能指標并不適用。要深入洞察寬帶軟件無線電中模數轉換器系統級的性能，必須重新建立一套與之不同的度量指標。

　　因此，如果我們是在討論軟件無線電，那么請不要跟我提及諸如SNR、SFDR、ENOB這樣的性能指標。我們可以討論一下真正相關的性能指標：基底噪聲，互調失真（IMD）和噪聲功率比（NPR）。

　　通信系統性能和傳統模數轉換器規格

　　靈敏度（又稱系統的動態范圍）是所有系統中一個非常重要的性能指標。通常情況下，靈敏度是在輸入端處于兩種極端情況下測量的（見圖3）：在無干擾信號的理想情況下所能接收到的最小強度信號，以及在周圍干擾信號強度最強的情況下所能接收到的最小強度信號。這兩種極端情況通常稱之為非阻塞狀態和阻塞狀態。

　　圖3：用于測量系統動態范圍的輸入信號狀態

　　如圖3a所示，在非阻塞狀態下的靈敏度一般受限于有效帶寬中的噪聲強度。

　　而從圖3b中可以看出，在阻塞狀態下的靈敏度受限于信道的失真幅度，因為相鄰信道的失真已經波及到了有效帶寬。

　　無論在阻塞還是非阻塞狀態下，系統的性能都必須得到保證。因此，系統的靈敏度同時受限于信道的噪聲強度以及失真程度。作為大多數信道的主要組成部分，特別是對于寬帶軟件無線電來說，模數轉換器在決定整個系統的噪聲強度和失真程度方面具有舉足輕重的作用。

　　在傳統的無線系統中，模數轉換器的噪聲強度和失真程度可以用SNR、SFDR和ENOB來表示。SNR定義為單個單音輸入的功率與整個奈奎斯特頻帶功率的總功率的比值（不包括輸入信號的任何諧波）。SFDR的定義類似，是該單音輸入的功率與整個奈奎斯特頻帶的第二大雜散分量的比值。最后，ENOB同樣也是使用單音輸入衡量，定義為該單音信號的功率與整個奈奎斯特頻帶的總功率之比。值得注意的是，ENOB有效地將SNR和SFDR融合成一個性能指標。

　　傳統模數轉換器性能指標的局限性

　　作為測量標準，信噪比（SNR）、無雜散動態范圍（SFDR）和有效位數（ENOB）考慮了模數轉換器在對單音正弦波輸入進行響應時的整個奈奎斯特頻帶。然而，實際應用中大多數信號并不是單音正弦波，而且大部分系統中數字化信號的帶寬幾乎從來都不會等同于奈奎斯特帶寬。許多應用被設計用于處理帶寬遠遠小于整個輸入帶寬的非正弦波信號，它們包括：

　　-有線電視（信道為6/8 MHz，輸入帶寬為1.1 GHz）

　　-衛星電視（通常信道為36 MHz，輸入帶寬為500 MHz）

　　-多載波/多標準基站（信道只有200 kHz，帶寬為20 MHz）

　　-示波器（輸入帶寬等于或小于10%的奈奎斯特帶寬）

　　-天氣雷達（數據接收帶寬等于或小于10%的奈奎斯特帶寬）

　　為了說明應用于此類實際系統和信號的傳統模數轉換器在性能指標方面的局限性，在此考慮一個具有57 MHz、63 MHz、75 MHz 和81 MHz共四個信道的有線電視 頻譜（見圖4）。因為有線電視頻譜的范圍可以上升到1.1 GHz，所以模數轉換器的采樣率必須至少有2.2 GSPS。假設我們需要接收69 MHz的信道，對系統性能最好的評價指標是：在系統噪聲和鄰近信道存在的情況下，該頻率下可以接收到的最小信道能量。

　　圖4：包含57、63、75和81 MHz信道的有線電視頻譜示例

　　如果我們使用傳統的模數轉換器性能指標來考查軟件無線電的噪聲性能，我們需要使用信噪比（SNR），它整合了從0 MHz到1.1 GHz的噪聲。然而，在這個應用中，我們并不在意0 MHz到1.1 GHz的噪聲，我們只在意整個奈奎斯特頻帶中的6 MHz，所以我們只需要整合這個帶寬中的噪聲。同樣，我們應當注意該信道的二次和三次諧波并沒有落在54 MHz和84 MHz之間。因此，二次和三次諧波失真（它一般會限制無雜散動態范圍）將不會對69 MHz的任何信號產生影響。考慮到模數轉換器的信噪比和無雜散動態范圍對于軟件無線電的性能不能提供有用的信息，模數轉換器的有效位數（組合了信噪比和無雜散動態范圍指標）對于此系統而言也是一個無用的指標。

　　傳統模數轉換器性能指標的局限性還體現在多載波的GSM基站上。在典型的多載波GSM系統中，20 MHz帶寬下最多可接收四個200 kHz的GSM信道（見圖5）。如果我們假設采樣率為160 MSPS，傳統的信噪比指標大概能整合80 MHz帶寬的噪聲。然而，在這個應用中，我們只關心200 kHz GSM信道中的噪聲，而不是80 MHz的奈奎斯特帶寬。而且如果我們假定該系統中20 MHz頻帶的中心位置為30 MHz，無雜散動態范圍的局限性甚至比有線電視這個例子中還要苛刻。在這個系統中，20 MHz帶寬中任意信號的二次和三次諧波都不會落在此頻帶中，因此無雜散動態范圍（它受限于二次和三次諧波）就不會在20 MHz接收帶寬中對系統的性能造成影響。信噪比和無雜散動態范圍是不相關的，所以有效位數對軟件無線電性能的評測也毫無價值可言。

　　圖5：多載波GSM頻譜示例 - 20 MHz接收頻帶以30 MHz為中心，采樣率為160 MSPS。

　　這些例子表明了傳統模數轉換器性能指標的局限性。當關注的信號帶寬小于奈奎斯特帶寬時（尤其是在有寬頻攔截器同時接收多個此類信道時）信噪比、無雜散動態范圍和有效位數都不再是有用的指標。此外，這些傳統的模數轉換器性能指標只注重單音輸入，而不是大多數實際應用中的較大帶寬信號。

　　對于軟件無線電系統中用于接收實際信號的模數轉換器，需要其他指標來更加準確地反映其能力。

　　關于軟件無線電的模數轉換器性能指標

　　幸運的是，我們不需要創造新的性能指標來描述軟件無線電系統的性能。大多數模數轉換器的數據手冊都已采用了兩個較好的性能指標：

　　•基底噪聲

　　•互調失真（IMD）

　　第三個性能指標，即噪聲功率比（NPR），也很適合用來評估軟件無線電系統的性能。

　　模數轉換器的基底噪聲反映了模數轉換器輸入的噪聲密度（見圖6），一般以dBc/Hz、dBm/Hz等為單位。例如，美國國家半導體最新推出的ADC12D1600芯片的基底噪聲是-149.6 dBm/Hz。如果ADC12D1600用來接收原先的多載波GSM樣本，在一個200 kHz通道上的總噪聲就是-96.6 dBm；假設輸入一個+2 dBm的全頻段信號，對于一個GSM載波來說，模數轉換器的動態范圍是98.6 dB，遠大于規定的最小值85 dB。

　　基底噪聲也可用來比較最大采樣率不同的模數轉換器，使其成為用來比較不同模數轉換器性能的優良指標。例如，許多大于100 MSPS的16位模數轉換器的基底噪聲是-150 dBm/Hz，所以-149.6 dBM/Hz的12位模數轉換器ADC12D1600的噪聲性能與高性能的16位模數轉換器相當。

　　圖6：定義模數轉換器的基底噪聲

　　模數轉換器的互調失真反映了在至少混合兩個輸入音產生失真輸出時所產生的毛刺（見圖7）。互調失真能通過單音的正弦波信號或者使用帶限信號進行測量。根據電纜調諧器的樣本（圖4：包含57、63、75和81 MHz信道的有線電視頻譜示例），我們注意到57 MHz和63 MHz的通道，也與75 MHz及81 MHz的通道一樣，會在69 MHz處產生三階互調失真（IMD3）。

　　美國國家半導體最近推出的ADC12D1600的雙音三階互調失真在1.2 GHz中心頻率處為-56 dBc. 假設帶限的互調失真能從雙音性能指標中預測，而且兩個三階互調失真輸出以均方根的方式相加，在69 MHz處的互調功率將會是相鄰通道以下53 dB。因此，當保持載噪比（CNR）為30 dB時，ADC12D1600能接收到69 MHz的 通道，這比相鄰通道小了23 dB。

　　圖7：定義模數轉換器的三階互調失真

　　最后，噪聲功率比（NPR）是用來測量有效頻帶內模數轉換器的噪聲和失真的性能指標。這個測量通過對模數轉換器輸入一個帶有阻斷頻率的寬帶信號來完成（參見圖8）。噪聲功率比，是阻斷頻帶（圖8：定義模數轉換器的噪聲功率比中的PN）內的功率與相鄰等寬頻帶（圖8：定義模數轉換器的噪聲功率比中的PA）內的功率之比。美國國家半導體的ADC12D1600在模數轉換器輸入500 MHz寬的信號時，提供了52 dB的噪聲功率比。在電纜調諧器樣本中，當保持30 dB的載噪比時，能接收比相鄰通道低22 dB的69 MHz通道。

　　圖8：定義模數轉換器的噪聲功率比

　　不要滿足于信噪比和無雜散動態范圍

　　基底噪聲、互調失真和噪聲功率比等帶內性能指標與信噪比、無雜散動態范圍及有效位數是密切相關的。其中，基底噪聲與信噪比的關系最緊密，互調與無雜散動態范圍關聯最密切，而噪聲功率比是對帶內噪聲和失真的綜合測量指標，有效位數則是對信噪比和無雜散動態范圍的綜合測量指標。然而，這兩套性能指標的最大差異在于，基底噪聲、互調失真和噪聲功率比都反映了模數轉換器的帶內性能，而信噪比、無雜散動態范圍和有效位數反映的是模數轉換器對于單音正弦波信號的奈奎斯特頻帶性能。這些新的性能指標更偏向具體應用，因此在評估各種不同應用和不同市場的軟件無線電用模數轉換器時，能提供有意義的信息。

　　隨著更多的應用開始采用寬帶的軟件無線電來提高系統性能和靈活性，對超寬帶模數轉換器的性能要求將持續增長。但如果您正在構建一個軟件無線電系統，需要懂得如何選擇一個模數轉換器，記住要用正確的性能指標：需要什么樣的帶內噪聲密度，能容忍什么樣的帶內毛刺和失真？