作為"現(xiàn)實國際"模仿域與1和0構(gòu)成的數(shù)字國際之間的關(guān)口，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化器是現(xiàn)代信號處理中的要害要素之一。曩昔30年，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化范疇涌現(xiàn)出了很多立異技能，這些技能不但助推了從醫(yī)療成像到蜂窩通訊、再到消費音視頻，各個范疇的功能提升和架構(gòu)前進(jìn)，一起還為完成全新運用發(fā)揮了重要作用。
寬帶通訊和高功能成像運用的持續(xù)擴(kuò)張凸顯出高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化的特別重要性：轉(zhuǎn)化器要能處理帶寬規(guī)模在10 MHz至1 GHz以上的信號。人們經(jīng)過多種各樣的轉(zhuǎn)化器架構(gòu)來完成這些較高的速率，各有其優(yōu)勢。高速下在模仿域和數(shù)字域之間來回切換也對信號完整性提出了一些特別的應(yīng)戰(zhàn)——不只模仿信號如此，時鐘和數(shù)據(jù)信號亦是如此。了解這些問題不只關(guān)于組件挑選十分重要，并且乃至?xí)绊懭w體系架構(gòu)的挑選。
在許多技能范疇，從以太網(wǎng)到無線局域網(wǎng)再到蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)通訊的實質(zhì)就是不斷進(jìn)步數(shù)據(jù)傳輸速率。經(jīng)過時鐘速率的前進(jìn)，微處理器、數(shù)字信號處理器和FPGA開展十分迅速。這些器材首要得益于尺寸不斷縮小的蝕刻工藝，成果造就出開關(guān)速率更快、體積更小(功耗更低)的晶體管。這些前進(jìn)創(chuàng)造出一個處理才能和數(shù)據(jù)帶寬呈指數(shù)級增長的環(huán)境。這些強(qiáng)壯的數(shù)字引擎帶來了相同呈指數(shù)級增長的信號和數(shù)據(jù)處理需求：從靜態(tài)圖畫到視頻，到帶寬頻譜，無論是有線仍是無線，均是如此。運轉(zhuǎn)時鐘速率為100 MHz的處理器或許能有用地處理帶寬為1 MHz至10 MHz的信號：運轉(zhuǎn)時鐘速率達(dá)數(shù)GHz的處理器能夠處理帶寬達(dá)數(shù)百MHz的信號。
自然地，更強(qiáng)的處理才能、更高的處理速率會導(dǎo)致更快的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化：寬帶信號擴(kuò)展其帶寬，成像體系尋求進(jìn)步每秒像素處理才能，以便愈加快速地處理更高分辨率的圖畫。體系架構(gòu)推陳出新，以利用極高的這種處理功能，其間還呈現(xiàn)了并行處理的趨勢，這或許意味著對多通道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化器的需求。
架構(gòu)上的另一重要變化是走向多載波/多通道，乃至軟件界說體系的趨勢。傳統(tǒng)的模仿密集型體系在模仿域中完結(jié)許多信號調(diào)度工作；在經(jīng)過充分準(zhǔn)備后，對信號進(jìn)行數(shù)字化處理。例如FM播送：給定電臺的通道寬度通常為200 kHz，FM頻段規(guī)模為88 MHz至108 MHz。傳統(tǒng)接收器把方針電臺的頻率轉(zhuǎn)化成10.7 MHz的中頻，過濾掉所有其他通道，并把信號擴(kuò)大到最佳解調(diào)起伏。多載波架構(gòu)將整個20 MHz FM頻段數(shù)字化，并利用數(shù)字處理技能來挑選和康復(fù)方針電臺。雖然多載波方案需求選用復(fù)雜得多的電路，但它具有極大的體系優(yōu)勢：體系能夠一起康復(fù)多個電臺，包括邊頻電臺。假如規(guī)劃得當(dāng)，多載波體系乃至能夠經(jīng)過軟件重新裝備，以支持新的標(biāo)準(zhǔn)。這種方法的最終方針是選用能夠接納所有頻帶的寬帶數(shù)字化儀和能夠康復(fù)任何信號的強(qiáng)壯處理器：這即是所謂的軟件界說無線電。其他范疇中有等效的架構(gòu)——軟件界說儀表、軟件界說攝像頭等。咱們能夠把這些當(dāng)作虛擬化的信號處理等效物。使得諸如此類靈活架構(gòu)成為或許的是強(qiáng)壯的數(shù)字處理技能以及高速、高功能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化技能。
無論是模仿仍是數(shù)字信號處理，其基本維度都是帶寬和動態(tài)規(guī)模——這兩個要素決議著體系實踐能夠處理的信息量。在通訊范疇，克勞德?香農(nóng)的理論就運用這兩個維度來描繪一個通訊通道能夠攜帶的信息量的基本理論限值，但其原理卻適用于多個范疇。關(guān)于成像體系，帶寬決議著給守時刻能夠處理的像素量，動態(tài)規(guī)模決議著最暗的可察覺光源與像素飽滿點之間的強(qiáng)度或顏色規(guī)模。
數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化器的可用帶寬有一個由奈奎斯特采樣理論設(shè)定的基本理論限值——為了表明或處理帶寬為F的信號，咱們需求運用運轉(zhuǎn)采樣速率至少為2 F的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化器。關(guān)于實踐體系，一定量的過采樣可極大地簡化體系規(guī)劃，因而，更典型的數(shù)值是信號帶寬的2.5至3倍。如前所述，不斷添加的處理才能可進(jìn)步體系處理更高帶寬的才能，而蜂窩電話、電纜體系、有線和無線局域網(wǎng)、圖畫處理以及儀器儀表等體系都在朝著帶寬更高的體系開展。這種不斷進(jìn)步帶寬需求要求數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化器具備更高的采樣速率。
假如說帶寬這個維度直觀易懂，那么動態(tài)規(guī)模這個維度則或許稍顯晦澀。在信號處理中，動態(tài)規(guī)模表明體系能夠處理且不發(fā)作飽滿或削波的最大信號與體系能夠有用捕獲的最小信號之間的分布規(guī)模。咱們能夠考慮兩類動態(tài)規(guī)模：可裝備動態(tài)規(guī)模能夠經(jīng)過在低分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)化器(ADC)之前放置一個可編程增益擴(kuò)大器(PGA)來完成：當(dāng)增益設(shè)為低值時，這種裝備能夠捕獲大信號而不會超越轉(zhuǎn)化器的規(guī)模。當(dāng)信號超小時，可將PGA設(shè)為高增益，以將信號擴(kuò)大到轉(zhuǎn)化器的噪底以上。信號或許是一個信號強(qiáng)或信號弱的電臺，也或許是成像體系中的一個亮堂或暗淡的像素。關(guān)于一次只測驗康復(fù)一個信號的傳統(tǒng)信號處理架構(gòu)來說，這種可裝備動態(tài)規(guī)模或許是十分有用的。
瞬時動態(tài)規(guī)模愈加強(qiáng)壯：在這種裝備中，體系擁有足夠的動態(tài)規(guī)模，能夠一起捕獲大信號而不產(chǎn)生削波現(xiàn)象，一起還能康復(fù)小信號——現(xiàn)在，咱們或許需求一個14位的轉(zhuǎn)化器。該原理適用于多種運用——康復(fù)強(qiáng)電臺或弱電臺信號，康復(fù)手機(jī)信號，或許康復(fù)圖畫的超亮和超暗部分。在體系傾向運用愈加復(fù)雜的信號處理算法的一起，對動態(tài)規(guī)模的需求也是水漲船高的走向。在這種情況下，體系能夠處理更多信號——假如悉數(shù)信號都具有相同的強(qiáng)度，并且需求處理兩倍的信號，則需求添加3 dB的動態(tài)規(guī)模。或許更重要的是，如前所述，假如體系需求一起處理強(qiáng)信號和弱信號，則動態(tài)規(guī)模的增量要求或許要大得多。
在數(shù)字信號處理中，動態(tài)規(guī)模的要害參數(shù)是信號表明中的位數(shù)，或稱字長：一個32位處理器的動態(tài)規(guī)模多于一個16位的處理器。過大的信號將發(fā)作削波——這是一種高度非線性的運算，會損壞多數(shù)信號的完整性。過小的信號——起伏小于1 LSB——將變得不行檢測并丟失掉。這個有限分辨率通常稱為量化差錯，或量化噪聲，在確立可檢測性下限時或許是一個重要要素。
事實上，每種運用或許都有自己的有用動態(tài)規(guī)模描繪方法。開始時，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化器的分辨率是其動態(tài)規(guī)模的一個良好代替方針，但在真實決議時挑選正確的技能標(biāo)準(zhǔn)是十分重要的。要害原則是，越多越好。雖然許多體系能夠當(dāng)即意識到需求更高的信號處理帶寬，但對動態(tài)規(guī)模的需求卻或許不是如此直觀，即使要求愈加苛刻。
值得注意的是，雖然帶寬和動態(tài)規(guī)模是信號處理的兩個首要維度，但還有必要考慮第三個維度，即效率：對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化器和其他電子信號處理運用來說，一種愈加樸實的、衡量成本的技能手段是功耗。功能越高的體系——更大的帶寬或動態(tài)規(guī)模——往往要消耗更多的電能。隨著技能的前進(jìn)，咱們都試圖在進(jìn)步帶寬和動態(tài)規(guī)模的一起減少功耗。
完成寬帶混合信號體系不只僅要挑選正確的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化器——這些體系或許對信號鏈的其他部分有著苛刻的要求。相同，應(yīng)戰(zhàn)是在較寬的帶寬規(guī)模內(nèi)完成優(yōu)秀的動態(tài)規(guī)模——使更多的信號進(jìn)出數(shù)字域，充分利用數(shù)字域的處理才能。
寬帶和信號調(diào)度—在傳統(tǒng)單載波體系中，信號調(diào)度就是趕快消除無用信號，然后擴(kuò)大方針信號。這往往涉及挑選性濾波以及針對方針信號微調(diào)的窄帶體系。這些經(jīng)過微調(diào)的電路在完成增益方面或許十分有用，并且在某些情況下，能夠利用頻率規(guī)劃技能來確保將諧波或其他雜散排除在帶外。寬帶體系不能運用這些窄帶技能，并且在這些體系中完成寬帶擴(kuò)大或許面對巨大的應(yīng)戰(zhàn)。
數(shù)據(jù)接口—傳統(tǒng)的CMOS接口不支持大大超越100 MHz的數(shù)據(jù)速率——并且低電壓差分?jǐn)[幅(LVDS)數(shù)據(jù)接口運轉(zhuǎn)速率達(dá)800 MHz至1 GHz。關(guān)于較大數(shù)據(jù)速率，咱們能夠運用多個總線接口，或許運用SERDES接口。現(xiàn)代的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化器選用的是最高速率達(dá)12.5 GSPS的SERDES接口——能夠用多條數(shù)據(jù)通道來支持轉(zhuǎn)化器接口中分辨率和速率的不同組合。這些接口本身或許十分復(fù)雜。
時鐘接口—就體系中運用的時鐘的質(zhì)量來說，高速信號的處理也或許好不容易。時域中的顫動/差錯會轉(zhuǎn)化成信號中的噪聲或差錯。在處理速率大于100 MHz的信號時，時鐘顫動或相位噪聲或許成為轉(zhuǎn)化器可用動態(tài)規(guī)模的一個限制要素。數(shù)字級時鐘或許無法勝任這類體系，或許需求運用高功能時鐘。
走向更寬帶寬信號和軟件界說體系的步伐不斷加快，業(yè)界不斷推陳出新，涌現(xiàn)出構(gòu)建更好、更快數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化器的立異方法，將帶寬、動態(tài)規(guī)模和功效三個維度推上了新的臺階。
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