合理选择高速ADC实现欠采样

欠采样或违反奈奎斯特（Nyquist）准则是 ADC 应用上经常使用的一种技术。射频（RF）通信和诸如示波器等高性能测试设备就是其中的一些实例。在这个“灰色”地带中经常出现一些困惑，如是否有必要服从 Nyquist 准则，以获取一个信号的内容。 【欠采样与奈奎斯特准则】 欠采样是一种在模拟到数字转换（ADC）过程中，故意选择低于奈奎斯特采样速率的采样策略。奈奎斯特准则指出，为了无失真地重建一个模拟信号，采样频率应至少是信号最高频率成分的两倍，即 fs ≥ 2fMAX。然而，实际应用中，尤其是在射频通信和高端测试设备中，欠采样技术被广泛使用，因为它能够在满足系统需求的同时降低ADC的性能要求和成本。 【奈奎斯特与香农定理】 奈奎斯特定理关注的是信号的最高频率成分，而香农定理进一步扩展了这一概念，它强调采样频率应大于信号带宽的两倍，以避免信息丢失。信号带宽不仅包括最高频率，还包括所有频率成分。例如，如果一个信号的带宽是fb，那么需要的采样频率fs > 2fb。香农定理揭示了采样频率与信号带宽的关系，而不是仅仅与最大频率相关联。 【混叠现象与抗混叠滤波器】 欠采样可能导致混叠现象，即高频信号成分被折回到低频区域，可能与有用的信号重叠。为了避免这种情况，通常会在ADC前添加一个抗混叠滤波器，以滤除高于采样频率一半的信号成分，确保混叠不会影响感兴趣的信号。 【次采样与信号处理】 次采样（Subsampling）利用混叠现象的特性，通过设计系统来利用这些折返的频率成分。在数字接收器中，欠采样可以简化前端设计，因为信号可以通过混叠被折叠到较低的频段，然后再通过数字信号处理恢复原信号。这种技术尤其适用于带宽有限的信号，可以显著减少ADC的采样速率要求。 【应用实例】 例如，一个150MHz最大频率但仅10MHz带宽的信号，根据香农定理，只需22MSPS的ADC就能捕获所有信息，而不需要达到奈奎斯特规定的300MSPS以上。在160MHz至170MHz带宽的信号采样中，30MSPS的采样率会导致信号在第一奈奎斯特区内折返，使得10MHz的信号带宽被展现在0到10MHz之间。 【总结】 合理选择高速ADC实现欠采样是优化系统性能和降低成本的关键。理解奈奎斯特和香农定理以及混叠现象，可以帮助设计者在满足信号完整性要求的同时，有效地利用ADC资源。通过次采样技术，可以巧妙地处理信号，实现更高效的数据采集和处理。在实际应用中，应当谨慎选择采样频率，以确保信号的正确重构并避免不必要的干扰。