9. 射频数据转换器：数字到模拟
9.1 数模转换概述
DAC的作用是将离散时间的数字采样转换为连续时间的模拟信号，通常使用零阶保持(ZOH)技术。该技术可被视为ADC中采样技术的对应项。DAC在时钟节拍之间保持采样点处的幅度，形成如图9.1所示的阶梯效果。
信号中的每个样本有效地转换为一个矩形函数，其高度等于幅值，宽度等于采样周期，如图9.2所示。
由数字到模拟转换产生的频谱通常是不希望的，特别是在无线电应用中，这些高频成分可能干扰相邻的无线电信道。从图9.3的正弦响应可以看出，高奈奎斯特区域的频谱衰减程度越来越大，但对于大多数应用来说，这通常是不够的，因此需要使用低通滤波器来进一步衰减。该滤波器通常被称为重构滤波器，其截止频率等于DAC奈奎斯特速率，用于去除高频分量并平滑时域波形，如图9.4所示。
DAC的特性正弦响应导致奈奎斯特区的幅度稳定下降。有两种方法可用于处理此影响，一种是使用比信号的最高频率成分大得多的采样率（过采样）。通过这种方式，信号仅占据DAC响应的近似线性增益区域。另一种是使用反正弦滤波器，通过增加受影响频率处的信号增益来补偿这种幅度损失。
DAC的另外两个重要特性是它的分辨率(以比特表示)和最小采样周期(以时间测量)。等效的，后者可以表示为以赫兹为单位的最大采样频率，它是最小采样周期的倒数。
DAC的分辨率描述了它可以表示信号幅度的可能值的数量。参照图9.1的阶梯波形，DAC的分辨率决定了每个阶梯的高度。在数模转换后，每个样本被量化到DAC可以再现的最接近的值，高于或低于它;这给信号增加了一个误差源，称为量化噪声。因此，DAC中使用的位数对信噪比有直接影响——DAC的分辨率越高，信噪比就越好。
如果将分辨率视为图9.1中台阶的高度，则最小采样周期描述了每个台阶的宽度。这是由DAC可以工作的最大速率决定的。因为时间与频率成反比，因此，DAC的采样周期越小，它能再现的最大频率信号分量就越高。根据奈奎斯特理论，这个最大频率分量刚好小于DAC采样率的一半。
9.2 射频频率DAC
9.2.1 正常模式和混合模式
让我们用一个简单的例子来说明这个概念，参考图9.3中所示的DAC的一般响应。如果我们想要使用最大采样率为10 MHz的DAC传输8 MHz正弦波，这似乎是不可能的，因为根据奈奎斯特采样定理，DAC可以表示的最高频率仅小于5 MHz，即远低于感兴趣的8 MHz频率。但是，由于DAC在0-5 MHz范围内产生的任何信号也会产生频谱图像，因此我们可以在2 MHz处产生正弦波，从而产生8 MHz的图像。需要适当的滤波器来通过8 MHz正弦波，并拒绝原始的2 MHz频率分量，以及位于上奈奎斯特区域的任何后续图像。而不是使用低通重建滤波器，我们使用带通滤波器，以抑制频率以外的频带(即奈奎斯特区域2)。
当用于在第二个奈奎斯特区产生信号时，DAC的sinc形频率响应(由零阶保持器采样过程产生)会影响信号质量。如图9.3所示，正弦响应导致DAC输出的幅值在较高频率下下降，值得注意的是，第二个奈奎斯特带的幅值也比第一个奈奎斯特带的幅值更不平坦——这会导致失真，尤其是对宽带信号的影响。这个问题可以通过改变零阶保持器采样技术(我们以后称之为正常模式)来克服，使其更适合在第二个奈奎斯特区产生信号。在RFSoC的上下文中，这种技术被称为混合模式，而在其他一些文献中，它也可能被称为射频模式。
在混合模式下，通过采样周期的中间反转振幅来修改用于零阶保持过程的矩形脉冲，如图9.5所示。
频域对该函数描述如下：
这种对混合模式采样技术的改变对输出频率响应有直接影响，从而改变DAC的能量输出。这是由于正常模态和混合模态的脉冲响应和传递函数的差异。如图9.6所示，混合模式下DAC的输出频率响应在第二个奈奎斯特区表现出更高和更平坦的增益，使其更适合在该频段工作。
图9.7比较了DAC的原始、正常模式操作和MixMode的频率响应。很明显，普通模式在奈奎斯特1区更可取，混合模式在奈奎斯特2区更可取。即便如此，我们观察到在Nyquist Zone 1的上边缘(Normal Mode)和Nyquist Zone 2的上下边缘(Mix-Mode)仍然存在增益下降。为了补偿这些影响，信号可以通过对频率响应进行校正的数字滤波器(在DAC之前)。
9.2.2 逆Sinc滤波器
正如前面几页所提到的，DAC的频率响应不是平坦的，特别是在奈奎斯特带的边缘，这意味着这些区域内的信号会衰减并且经常失真。为了解决这个问题，可以应用逆sinc滤波器来校正目标奈奎斯特带的非线性幅度响应。通过应用该校正滤波器，可以在Nyquist区域1的90%以上实现近似平坦的响应，如图9.8所示。
混合模式的频率响应可以以类似的方式进行优化，通过应用逆sinc滤波器来校正跨奈奎斯特二区的混合模式响应的非线性增益。应用逆正弦校正的结果是奈奎斯特二区80%左右的响应更平坦，如图9.9所示。
RFSoC器件上的RF-DAC包括一个可应用的数字反sinc滤波器(可选)。它可以通过在设计时配置Vivado RFDC IP来启用，或者在运行时使用软件API来启用。图9.8和9.9中绘制的频率响应反映了作为RFDAC架构一部分实现的实际滤波器。
文章来源：威视锐科技
