ADC對(duì)接收機(jī)測量性能的影響
2012-04-12 00:00:00田嘉王偉史平彥
現(xiàn)代電子技術(shù) 2012年5期
摘 要：作為模擬信號(hào)通向數(shù)字信號(hào)的橋梁，ADC是數(shù)字接收機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵和瓶頸所在。為了研究ADC的采樣時(shí)鐘抖動(dòng)及量化位數(shù)對(duì)接收機(jī)測量性能的影響程度。采用了理論分析并數(shù)學(xué)建模的方法，通過Matlab仿真實(shí)驗(yàn)，得到了ADC的采樣時(shí)鐘抖動(dòng)及量化對(duì)接收機(jī)性能的影響程度，得出結(jié)論：相較于量化(N≥4)，采樣時(shí)鐘抖動(dòng)對(duì)接收機(jī)的測量性能影響更大。相比于之前獨(dú)立分析ADC采樣時(shí)鐘抖動(dòng)及量化對(duì)接收機(jī)的影響，使用Matlab Guide將兩者聯(lián)合仿真。
關(guān)鍵詞：ADC; 時(shí)鐘抖動(dòng); 量化位數(shù); 鑒相曲線; 相關(guān)曲線; Matlab Guide
中圖分類號(hào)：
TN851-34
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
文章編號(hào)：1004-373X(2012)05
-0117
-04
The influence of ADC on measurement capability of receiver
TIAN Jia， WANG Wei， SHI Ping-yan
(Xi’an Branch， China Academy of Space Technology， Xi’an 710100， China)
Abstract：
As a bridge from analog signal to digital signal， ADC is a key point and bottle-neck on the development of digital receiver. In order to study the time twitter and quantitative digits of ADC which affect the measurement performance of receiver， theory analysis and mathematic model are used. The influence of sample clock twitter and quantitative digits on receiver is gained. The conclusion is that sample time twitter has worse effect on receiver compared with quantitative digits(N≥4). Compared with former articles which separately consider ADC jitter and quantitative digits， this article considers the both by Matlab guide.
Keywords： ADC; time twitter; quantitative digits; appreciation curve; correlation curve; Matlab Guide
收稿日期：2011-10-10
采樣數(shù)字化是現(xiàn)在通信、導(dǎo)航等系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的因素之一，采用數(shù)字信號(hào)處理能夠方便地實(shí)現(xiàn)各種先進(jìn)的自適應(yīng)算法。完成模擬電路無法實(shí)現(xiàn)的功能，因此，越來越多的模擬信號(hào)處理正在被數(shù)字技術(shù)所取代。作為模擬信號(hào)通向數(shù)字信號(hào)的橋梁\\[1\\]，ADC的性能參數(shù)對(duì)于數(shù)字接收機(jī)的性能而言也是至關(guān)重要的。本文建立了ADC的時(shí)鐘抖動(dòng)和量化位數(shù)的數(shù)學(xué)模型，通過分析相關(guān)曲線的對(duì)稱及失真程度及鑒相曲線的過零點(diǎn)偏差，得出其對(duì)接收機(jī)測量性能的影響程度。
1 理論分析
衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)的一般表現(xiàn)形式［2］如下：
s(t)=2PC(x(t)D(t))sin(2πf1t+θ1)
(1)
式中:PC為信號(hào)的平均功率；x(t)為CA碼的電平值；D(t)為數(shù)據(jù)碼的電平值。
本文采用的CA碼碼率為1.023 MHz，也就是說一個(gè)碼片的長度約為1 μs，數(shù)據(jù)率為1 000 Hz，因此一個(gè)數(shù)據(jù)碼片的長度為1 ms，而一般ADC采樣的時(shí)間抖動(dòng)最大不超過［3］50 ps，所以ADC的時(shí)鐘抖動(dòng)相對(duì)于一個(gè)CA碼片和一個(gè)數(shù)據(jù)碼片是可以忽略的。以上公式簡化為：
在只有量化噪聲下的理想信噪比可以表示為：
SNR=10logV20/2σ2e
=6.02N+1.76
(11)
2 系統(tǒng)仿真模型及仿真結(jié)果
通過以上的理論分析，得出采樣時(shí)鐘抖動(dòng)及量化的仿真如圖1所示。
建立的數(shù)字接收機(jī)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
鑒相曲線及相關(guān)曲線是衡量導(dǎo)航接收機(jī)的重要指標(biāo)，從這兩個(gè)指標(biāo)中可以清楚地看出接收機(jī)性能的優(yōu)劣。理想條件下，用此仿真模型得其相關(guān)峰對(duì)稱且平滑，主峰：4 991，臨近旁瓣：323，比值：15.45。其鑒相曲線的過零點(diǎn)偏差為－5.438 2×10－6(碼片)，因此測距誤差為0.001 6 m。
雖然是理想的信號(hào)，但是在載波跟蹤中由于arctan的鑒相方法和其他誤差因素，0.001 6 m的測距誤差也是在誤差的范圍內(nèi)的，以下的仿真結(jié)果將和以上的數(shù)據(jù)比較，從而得出在不同的失真條件下，接收機(jī)測量性能的惡化程度。
(1) N=4時(shí)的相關(guān)及鑒相曲線如圖3所示。
由圖3可以看出，相關(guān)曲線及鑒相曲線發(fā)生了明顯的失真，主峰：4 331，旁瓣：260，比值：16.65，鑒相曲線過零點(diǎn)偏移5.984 4×10－5(碼片)，造成測距誤差為0.016 0 m。
(2) N=3時(shí)的相關(guān)及鑒相曲線如圖4所示。
由圖4看出，相關(guān)峰對(duì)稱平滑，主峰：3 884，旁瓣：234，比值：16.59，鑒相曲線過零點(diǎn)偏移－4.272 8×10－4(碼片)，造成測距誤差為0.123 6 m。
(3) N=2時(shí)的相關(guān)及鑒相曲線如圖5所示。
由圖5可看出，相關(guān)峰對(duì)稱平滑，主峰：2 824，旁瓣：172，比值：16.41，鑒相曲線過零點(diǎn)偏移6.904 4×10－4(碼片)，造成測距誤差為0.200 7 m。
(4) jitter=1 ps時(shí)相關(guān)及鑒相曲線如圖6所示。
由圖6可看出，相關(guān)峰對(duì)稱平滑，主峰：4 685，旁瓣：298，比值：15.72，鑒相曲線過零點(diǎn)偏移3.220 4×10－4(碼片)，造成測距誤差為0.094 4 m。
(5) jitter=5 ps時(shí)相關(guān)及鑒相曲線如圖7所示。
由圖7可看出，相關(guān)峰對(duì)稱但略有不平滑，主峰：4 487，旁瓣：301，比值：14.91，鑒相曲線過零點(diǎn)偏移-0.001 2，造成測距誤差為0.351 6 m。
(6) jitter=25 ps時(shí)相關(guān)及鑒相曲線如圖8所示。
由圖8可看出，相關(guān)峰有較明顯的失真，主峰：2 576，旁瓣：213，比值：12.09，鑒相曲線過零點(diǎn)偏移-0.02，造成測距誤差為5.860 0 m。
3 Matlab Guide實(shí)現(xiàn)
為了聯(lián)合仿真ADC時(shí)鐘抖動(dòng)及量化對(duì)接收機(jī)性能的影響，也為了使最終結(jié)論更加直觀，建立Matlab Guide如圖9所示。
如圖9所示，分別輸入ADC的量化位數(shù)及采樣時(shí)鐘抖動(dòng)，輸出相關(guān)曲線、鑒相曲線、殘差柱狀圖(理想測距值與實(shí)際測距值的差)、偽距理論值與實(shí)際值。
仿真圖如圖10所示。
4 結(jié) 論
隨著量化位數(shù)的減少，相關(guān)曲線逐漸畸變。鑒相曲線過零點(diǎn)偏差逐漸增大，測距誤差增大。但相關(guān)峰主峰旁瓣比基本沒有差別。
隨著采樣時(shí)鐘抖動(dòng)的增加，相關(guān)峰主峰旁瓣比降低，相關(guān)曲線逐漸畸變。鑒相曲線過零點(diǎn)偏差逐漸增大，測距誤差增大。
采樣時(shí)鐘抖動(dòng)較于量化對(duì)接收機(jī)的性能影響更大，目前采樣時(shí)鐘的抖動(dòng)都是ps級(jí)的，而較高端的接收機(jī)的量化位數(shù)都不會(huì)小于6，由仿真結(jié)果可見，在量化位數(shù)大于等于4位的情況下，采樣時(shí)鐘抖動(dòng)造成的測距誤差已經(jīng)超過量化所造成的測距誤差。
造成此現(xiàn)象的原因?yàn)椴蓸訒r(shí)鐘抖動(dòng)會(huì)影響恢復(fù)出的載波的頻率穩(wěn)定度，使載波環(huán)不能很好地跟蹤，繼而影響到碼環(huán)的跟蹤，從而使接收機(jī)的測量性能惡化。
5 結(jié) 語
本文對(duì)ADC的時(shí)間抖動(dòng)和量化噪聲進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模及仿真，并且分析了其對(duì)接收機(jī)測量性能的影響，建立了Matlab Guide。對(duì)以后ADC的性能要求有一定的指導(dǎo)意義，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。
參 考 文 獻(xiàn)
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作者簡介：
田 嘉 男，1987年出生，河南人，碩士。主要研究方向?yàn)橥ㄐ排c信息系統(tǒng)。
