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关键词：ADC 动态性能、声音讯号、SINAD、ENOB、SNR、THD、THD + N、SFDR

 

导读

在测量动态讯号时，如何来评估讯号的品质，通常会用定量的方式来评估动态性能，而常用指标有六个，分别是：SINAD (信纳比)、 ENOB (有效位数)、SNR(信噪比)、THD(总谐波失真)、THD + N(总谐波失真加噪声)和 SFDR (无杂散动态范围)。

在做动态讯号测试时，需要优先了解各指标反映哪一方面性能，而且要明白它们之间的关系与所代表的意义。本期小百科将为读者介绍各项指标的定义，以及计算方式。

 

FFT频谱

有多种方法可以量化 ADC 采集讯号后的失真和噪声，但所有方法均基于一种使用一般化测试设置的FFT 分析，例如图1所示的设置。

图 1  用于对ADC输出进行FFT分析的一般化测试设置

 

FFT 输出可以像模拟频谱分析仪一样用来测量各次谐波的幅度和数字化信号的噪声成分。输入信号的谐波可以通过其在频谱中的位置与其它失真积相区别。FFT的理论噪底等于理论 SNR 加上FFT“处理增益”10xlog(M /2)。用于计算 SNR 的噪声值是分布于整个奈奎斯特带宽（DC 至 f /2）的噪声，而 FFT 用作一个带宽为 f / M 的窄带频谱分析仪，它扫描整个频谱，其结果是将噪声拉低一个与处理增益相等的量。

根据频谱，就可以对信号的品质进行分析。

 

动态讯号的性能指标

1. 信纳比(SINAD)

信纳比(SINAD)指的是信号功率与谐波功率、噪声功率之和的比值。

Psignal是信号功率、Pnoise是噪声功率、Pdistortion 是谐波功率。一般失真功率取2到5次谐波的功率和。需要注意的是，SINAD不会小于1。SINAD 很好地反映了 ADC 的整体动态性能，因为它包括所有构成噪声和失真的成分。 

SINAD 曲线显示， ADC 的交流性能因高频失真而下降；曲线通常针对远高于奈奎斯特频率的频率而绘制，以便能够评估欠采样应用中的性能。诸如此类的 SINAD 曲线对于评估 ADC 的动态性能非常有用。

 

2. 信噪比(SNR)

信噪比(SNR)与 SINAD 一样，也是根据 FFT 数据计算，不同的是计算剔除了信号谐波，仅留下噪声项。

实际应用中，只需剔除主要的前5次谐波。SNR 性能在高输入频率下会下降，但由于不包括谐波项，其下降速度一般不像 SINAD 那样快。

少数 ADC 数据手册有时会将 SINAD 与 SNR 混为一谈，因此在解读这些规格时必须小心，务必弄清制造商的确切含义。

 

3. 有效位数(ENOB)

常常利用理想N位ADC的理论 SNR 计算公式(SNR =6.02N+1.76 dB)，将SINAD换算为有效位数(ENOB)。对上式求解 N，并用SINAD的值代替 SNR ，得到: 

1.76为理想ADC的量化噪声。

 

4. 总谐波失真(THD)

总谐波失真(THD)指的是谐波分量的有效值与基波分量有效值的比值。

其中Vn是n次谐波的有效值，V1是基波分量的有效值。

 

5. 总谐波失真加噪声(THD+N）

总谐波失真加噪声(THD+N)指的是谐波功率、噪声功率之和与信号功率之比。

 

6. 无杂散动态范围(SFDR)

无杂散动态范围(SFDR)指的是基波信号与最强杂散信号之比。最强杂散信号可能是原始信号的谐波，也可能不是。在通信系统中， SFDR 是一项重要指标，因为它代表了可以与大干扰信号(阻塞信号)相区别的最小信号值。SFDR 可以相对于满量程(dBFS)或实际信号幅度(dBc)来规定【1】。图2说明了 SFDR 的定义。

图 2  无杂散动态范围(SFDR)

 

参考

1. MT-003:Understand SINAD, ENOB, SNR, THD, THD + N, and SFDR so You Don't Get Lost in the Noise Floor (analog.com)