一种基于导航接收机的ADC动态有效位测量方法

刘 沉，李洪力，黎 明

(北京卫星导航中心，北京 100094)

0 引 言

随着ADC技术的发展和广泛应用，其性能参数测量变得越来越重要，一般来说，ADC的有效位数越多，其动态范围就越大。ADC动态有效位的准确测量对其实际应用具有重要意义。根据文献[1]和 [2]，ADC的动态有效位对导航接收机的动态范围、接收性能以及抗干扰能力都有重要的影响。因此，对导航接收机ADC的动态有效位测量方法进行研究分析，对于导航接收机ADC的选择及设计具有重要的意义。

1 ADC动态有效位的测量方法

1.1 常用测量方法

ADC动态有效位的测量方法很多，其中最常用的两种方法是正弦拟合法和谱分析法[3-7]，下面分别予以介绍。

1) 正弦拟合法

满量程高纯度的正弦信号经过量化后，得到量化序列X(nTs)，以正弦函数为回归模型，采用最小二乘法对量化序列进行回归分析，得到拟合函数XF(t)，再对XF(t)进行N比特理想采样，得到XF(nTs)，计算X(nTs)与XF(nTs)之间的均方根误差e，则ADC的有效位数可以表示为[5-6，8]：

(1)

2) 谱分析法

谱分析法[5-6,9-10]是对时域采集的一组数据进行FFT运算，得到采样信号的傅立叶频谱，根据频谱计算信号、噪声及谐波分量的功率，求出信噪谐波比(SINAD)，则ADC的动态有效位可以表示为

(2)

其中，信噪谐波比(SINAD)的计算方法为：对N点采样序列进行FFT运算，假设信号谱线所在位置为K和N-K-1，则有

(3)

1.2 本文提出的测量方法

前面提到的ADC有效位数测量方法都是基于单频信号测量的。根据导航信号的特点，扩频信号更能直接反应导航接收机的实际情况，基于解扩端性能来分析ADC的有效位数，可以直接反映导航接收机中ADC的性能。ADC的动态范围与有效位数之间的关系为[11-12]

DAD=6.02N+1.76(dB),

(4)

其中，N为ADC的有效位数。测出导航接收机ADC的动态范围，就可以知道其有效位数，具体测量方法如图1所示。其中，ADC的动态范围通过载噪比测量。载噪比估计方法采用宽窄带载噪比估计法，具体方法如下[13]：

计算不同的噪声带宽1/T和1/2T条件下I、Q支路的总功率测量值，分别为WBP和NBP，其对应的数学期望分别为E(WBP)和E(NBP)，对E(WBP)和E(NBP)的平均值进行归一化处理，得到

(5)

则，对应的载噪比为

(6)

2 实测结果对比

上面介绍了两种常用的ADC动态有效位测量方法以及基于解扩输出载噪比的测量方法，通过实测数据对比谱分析法和基于解扩输出载噪比的测量方法。根据第2节的介绍，基于解扩输出载噪比的ADC有效位数测量可以按照图1所示的方法进行测量，谱分析法测量ADC有效位可以按照图2所示方法进行。其中图1中信号源为导航信号源，可调衰减器衰减范围为0～81 dB，ADC的输出数据可以用PC采集后估计其载噪比。调整衰减器的衰减值，观察载噪比的变化量，当载噪比下降3 dB时，记录衰减器的衰减值，即为ADC的动态范围，根据公式(4)，可以得到ADC的有效位数。图2中信号源为安捷伦E4438C，ADC之后的数据采集使用FPGA的数据采集软件ChipScope，并进行多次测量计算。

两种方法的测量结果如表1和表2所示。

图1 本文提出的ADC动态有效位测量框图

图2 谱分析法ADC有效位测量框图

对比表1和表2可以看出，本文提出的基于解扩输出载噪比的测量方法和常用的谱分析法测量所得结果基本一致，这就说明本文提出的ADC动态有效位测量方法是有效的。

表1 谱分析法测量结果

表2 基于解扩输出载噪比的测量结果

3 结束语

介绍了ADC动态有效位的常用测量方法，并分析其在导航接收机中应用的缺点，根据接收机的实际情况，提出了基于导航接收机解扩端输出载噪比的测量方法，可以反映接收机工作的真实情况，并通过实验验证了测量结果的有效性。

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