数字信号位串扰对数据转换系统的部分有什么影响?adc和dac的数据表中有很多关于如何最小化它的内容。但是，当被问及结果是什么时，大多数外行人的看法是“它会制造噪音”。虽然这是一个非常正确的说法，但在更深层次上理解这一点是有价值的，这样设计工程师就可以更有效地理解和排除故障电路。阅读本文后，读者将了解谐波失真和其他信号相关错误问题可能是由数字信号位串扰引起的，如果不了解其机制，可能需要很长时间才能解决。

相声的来源

为了便于分析，我们的系统由一个纯正弦波信号发生器和一个干净的采样时钟组成。ADC将其数据发送到存储器或其他CPU进行FFT处理。这种分析也适用于DAC系统，其中数字数据从存储器或其他CPU生成，并被发送到DAC，并用频谱分析仪进行测量。虽然该分析也适用于串行数据转换器系统，但由于这种串扰引起的退化在并行数据转换器系统中更明显，更容易理解。

典型的相声机制包括:

• 电源耦合:数字电流拉入与电源共享的电源，导致电源随位移动，通过放大器的电源引脚进入信号路径(当放大器没有无限电源抑制比时)。这个问题可以通过(按照效率的顺序)为数字电路使用不同的电源，或者在数字电路之间放置低通滤波器，或者通过更好的电容旁路来消除。

• Capactive相声:当数字信号在信号附近运行时，线路之间的电容会使线路耦合并一起移动。通过在单独的布线区域运行信号而不是数字信号，并在数字信号和数字信号之间放置接地屏蔽，可以消除这个问题。

• 接地电流数字返回电流通过非零阻抗返回地，由于电阻或电感效应，这可能导致局部“地”随着电流上下移动。如果这个地不同于信号的始发地，这将导致比特速率的电压差异。这个问题可以通过改善接地，或者通过理解和控制接地电流流入的路径来消除。

使用差分信号和数字信号可以减少上述所有问题的影响。如果信号是差分的，串扰在差分信号的两侧(幅度和相位)具有相等的耦合，并且接收机具有良好的共模抑制比，则不会出现差分串扰。由于数字位是差分和平衡的(上升/下降定时和幅度)，正信号将具有与负极性信号相等和相反的效果。因此，来自净耦合效应、电容性串扰和接地效应的干扰串扰被消除。请注意:微分系统只能实现有限的完美，因此用微分信号和数字信号进行设计只能对实际系统中的问题进行一阶修复;最佳性能要求使用所有最佳实践。

相声的分析与启示

在分析串扰效应时，要理解的关键概念是数字信号位的频域内容不是“随机噪声”。任何数字信号位都是它们所代表的信号的严格确定性函数。转换过程中的每一位都是信号的非线性、非单调函数。因此，由数字串扰引起的误差是一种与信号相关的误差。因此，就像在任何非线性无内存系统中一样，数字信号位中的所有能量都只存在于它们所代表的信号的谐波中(这将在下面说明)。例外的是，这是一个采样系统，超过奈奎斯特频率的高谐波将在可预测的频率位置混叠回奈奎斯特频带。另一个例外是原始信号本身的噪声，我们在本分析中假设它很小。在这个系统中没有任何其他频率的能量。因此，这些影响是可以预测的，而不是随机的(有时这种关系会变得复杂，以至于看起来是随机的，但它不是随机的)。

上述的一个关键含义是，通常数字位串扰问题表现为谐波失真或信号相关误差问题。谐波失真问题通常是通过调查驱动ADC的放大器的线性度来解决的，或者通过怀疑ADC是否达到其规定的线性度性能来解决。在信号链或数据转换器中，与信号相关的误差问题常常引起频域平坦性的额外怀疑。有了这种新的理解，任何谐波失真或信号相关错误的故障排除工作都应该始终包括对数字串扰的怀疑，以及上面列出的机制。

为了更直观地理解为什么数字比特只包含它们所代表的信号的谐波，我们只需要仔细观察比特。最容易理解的是看ADC采样直流中心正弦波的MSB(见图1)。MSB仅仅是与正弦波相同频率的方波。这个相同的频率关系是真实的，与输入频率和采样频率的选择无关;任何偏差都表现为方波边缘上的确定性抖动，这可以通过采样理论进行分析，本文将不详细说明。

这个方波比特现在可以看它的频域分量。方波有其频率成分，基波和奇谐波(见图2)。这个例子显示了一个频率为8个周期的方波，每个捕获的总样本。(这是FFT-bin-frequency 8)，其能量频率为1 × 8 = 8,3 × 8 = 24和5 × 8 = 40。如果正弦波没有直流平衡，甚至会出现谐波，这将在下面说明。

其余比特的能量也只在比特所代表的信号的谐波频率上(见图3和图4)。为了直观地理解这一点，请参见图2，并注意到低阶比特具有与输入信号相同周期重复的模式。从图3和图4中可以观察到的另一个现象是，比特的阶数越低，越多的能量被分配到高次谐波中。

趋同于底线，如果这些比特与信号相结合，它们会加上刚刚看到的频率内容。为了模拟这种情况的净效应，模拟了一个正弦波，并以1%、40dB的电平分别添加了三个最高阶位。图5显示了原始信号和损坏信号的放大FFT图。你对减少这种扭曲的第一反应是什么?

如上所述，如果信号在过零点处不平衡(即具有直流偏置)，则数字位将不平衡/对称，因此也会产生均匀谐波(图6、7和8)。

上面的例子是精心挑选来说明这一点的。fft -bin-频率8(对于采样集由2的幂次组成的系统)强制所有混叠谐波落在带内谐波的顶部。描述这种关系的另一种方式是，在样本集中原始正弦波的循环次数和样本数量之间存在许多共同因素(在这种情况下，所有因素)。为了减少这种关系，混叠谐波将出现在其他可预测的频率上。如果将输入频率移至FFT-bin-Frequency 6，图9显示了图8的最终结果，这允许上层谐波落在谐波顶部以外的其他位置。同样，由于信号是平衡的，所以只产生奇数次谐波。图中显示最强的干扰能量仍然在奇数次谐波的6、18和30处。然而，从图中可以看到，能量存在于频率2、14和26处，它们分别对应于谐波171、173和175的别名。能量也在10、22和34，分别对应于谐波169、168和167。最一般的说法是，谐波可以混叠成输入信号和采样率之间有公倍数的任何频率。

结论

数字信号串扰可能是神秘而混乱的。然而，如果不了解串扰的机制，它可能会导致谐波失真和信号相关误差等问题，从而难以排除故障。有了这些知识，设计人员可以成为更好的故障排除者，并最终设计出高性能的系统。