時(shí)間交織是一種技術(shù)，它允許使用多個(gè)相同的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）以比每個(gè)單獨(dú)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的工作采樣速率更快的速率處理常規(guī)采樣數(shù)據(jù)序列。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，時(shí)間交織（IL）包括對(duì)M個(gè)相同ADC的并行陣列進(jìn)行時(shí)間復(fù)用，如圖1所示，以實(shí)現(xiàn)更高的凈采樣率f s（采樣周期T s = 1 / f s），甚至盡管陣列中的每個(gè)ADC實(shí)際上都以較低的f s / M速率采樣（并轉(zhuǎn)換）。因此，例如，通過(guò)交織四個(gè)10位/ 100 MSPS ADC，原則上可以實(shí)現(xiàn)10位/ 400 MSPS ADC。

為了更好地理解IL的原理，在圖1中，由M個(gè)ADC采樣了一個(gè)模擬輸入V IN（t），并產(chǎn)生了一個(gè)組合的數(shù)字輸出數(shù)據(jù)系列D OUT。ADC 1將首先對(duì)VIN（t 0）進(jìn)行采樣，并開(kāi)始將其轉(zhuǎn)換為n位數(shù)字表示。?小號(hào)秒后，ADC 2將采樣V IN（噸0 + T小號(hào)），并開(kāi)始將其轉(zhuǎn)換成N位的數(shù)字表示。然后，?小號(hào)秒后，ADC 3將對(duì)V IN（t 0 + 2T s）進(jìn)行采樣，依此類(lèi)推。在ADCM對(duì)V IN（t 0 +（M – 1）×T s）采樣后，下一個(gè)采樣周期開(kāi)始于ADC1對(duì)V IN（t 0 + M×T s）采樣，并且該輪播繼續(xù)進(jìn)行。

隨著ADC的n位輸出以與上述采樣操作相同的順序依次可用，這些數(shù)字n位字由同一圖右側(cè)所示的多路分解器收集。在此，獲得重組數(shù)據(jù)輸出序列D OUT（t 0 + L），D OUT（t 0 + L + T s），D OUT（t 0 + L + 2T s），...。L代表每個(gè)ADC的固定轉(zhuǎn)換時(shí)間，此重組后的數(shù)據(jù)序列是采樣率為f s的n位數(shù)據(jù)序列。因此，雖然單獨(dú)的ADC中，常常被稱(chēng)為“通道”，是n比特的ADC在采樣?F小號(hào)/ M，在合奏包含在盒等效于在一個(gè)單一的n位ADC采樣?F小號(hào)，我們將其稱(chēng)為時(shí)間交錯(cuò)ADC（將其與通道區(qū)分開(kāi)）?；旧?，對(duì)輸入進(jìn)行切分并由陣列中的ADC進(jìn)行單獨(dú)處理，然后在輸出端進(jìn)行一致的重組，以形成輸入V IN的高數(shù)據(jù)速率表示D OUT。

這種強(qiáng)大的技術(shù)并非沒(méi)有實(shí)際挑戰(zhàn)。當(dāng)來(lái)自通道的M個(gè)數(shù)據(jù)流被數(shù)字組合在一起以重建原始輸入信號(hào)V IN時(shí)，關(guān)鍵問(wèn)題就顯現(xiàn)出來(lái)了。如果我們查看D OUT的頻譜，除了看到V IN 的數(shù)字表示和模數(shù)轉(zhuǎn)換所引入的失真外，我們還將看到稱(chēng)為“交織雜散”（或“雜散”）的其他大量雜散內(nèi)容。 IL雜散，簡(jiǎn)而言之，IL雜散都不具有多項(xiàng)式失真的特征，例如高階信號(hào)諧波（第二，第三，等等），也沒(méi)有量化或DNL錯(cuò)誤的簽名。IL偽影可以看作是時(shí)域固定模式噪聲的一種形式，是由通道中的模擬損傷引起的，這些通道由于交織過(guò)程而被切分后的轉(zhuǎn)換信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，最終出現(xiàn)在最終的數(shù)字化輸出D OUT中。

讓我們通過(guò)分析一個(gè)簡(jiǎn)單的示例來(lái)開(kāi)始理解可能發(fā)生的情況。考慮具有頻率為f IN的正弦輸入V IN 的雙向交錯(cuò)ADC的情況。假定ADC 1的增益為G 1，而ADC 2的增益為G2。在這樣的雙向IL ADC中，ADC 1和ADC 2將交替采樣V IN。因此，如果ADC 1轉(zhuǎn)換偶數(shù)樣本，ADC 2轉(zhuǎn)換奇數(shù)樣本，則D OUT的所有偶數(shù)數(shù)據(jù)的振幅均由G 1設(shè)置，而D OUT的所有奇數(shù)數(shù)據(jù)均由G 1設(shè)置。D OUT 的振幅由G 2設(shè)定。那么D OUT不僅包含V IN 以及一些多項(xiàng)式失真，而且還經(jīng)歷了G 1和G 2的交替放大，就好像我們是用頻率f s /的方波對(duì)V IN 進(jìn)行幅度調(diào)制一樣。 2。那就是將引入其他虛假內(nèi)容的原因。具體來(lái)說(shuō)，D OUT將包括頻率為f s / 2 – f IN的“增益雜散” ，不幸的是，該雜散的頻率跟蹤輸入fIN ，它位于交錯(cuò)ADC的第一個(gè)奈奎斯特頻帶內(nèi)（即f s / 2之內(nèi)），并且在所有其他奈奎斯特頻帶上也有別名。交錯(cuò)雜散的功率/幅度取決于兩個(gè)增益G 1和G 2之間的凈差。換句話說(shuō)，這取決于增益誤差失配。最后，它取決于輸入V IN本身的大小。

如果輸入不是簡(jiǎn)單的正弦波，但在實(shí)際應(yīng)用中，它是一個(gè)整個(gè)頻帶受限的信號(hào)，那么“增益雜散”不僅僅是簡(jiǎn)單的不想要的音調(diào)，而是完整的按比例縮放的圖像。帶限輸入信號(hào)本身，顯示在奈奎斯特頻帶內(nèi)。這在某種程度上抵消了交織提供的帶寬增加的好處。

盡管在以上示例中，我們僅考慮了通道之間的增益誤差失配，但其他損害也引入了交錯(cuò)雜散。失調(diào)失配（通道失調(diào)之間的差異）會(huì)在固定頻率下引入音調(diào)（“失調(diào)雜散”），并且功率與失調(diào)失配成正比。當(dāng)某些通道的采樣早于或晚于預(yù)期順序時(shí)，就會(huì)發(fā)生采樣時(shí)間偏斜。這就引入了“定時(shí)雜散”，它與增益雜散處于相同的頻率（并加在一起具有相同的幅度），但隨著f IN的增加，功率越來(lái)越強(qiáng) 隨著輸入幅度的增加而增加。各個(gè)通道之間的帶寬失配會(huì)在取決于f IN的頻率上引入更多雜散內(nèi)容，就像定時(shí)雜散一樣，雜散功率會(huì)隨著f IN本身而逐漸增強(qiáng)，而不僅僅是輸入幅度。同樣，在所有情況下，輸出頻譜退化的嚴(yán)重程度均不取決于通道損耗的絕對(duì)值（偏移，增益，時(shí)序，頻帶），而是取決于它們之間的相對(duì)失配/差異。

盡管一般的時(shí)間交織技術(shù)已經(jīng)存在了幾十年，但可以將IL雜散保持在最小的程度將其過(guò)去的適用性限制在低分辨率轉(zhuǎn)換器上。但是，通道不匹配的校準(zhǔn)和殘余IL雜散成分的抑制方面的最新進(jìn)展使今天可以實(shí)現(xiàn)完全集成的超高速12位，14位和16位IL ADC。

在這一點(diǎn)上，我們需要區(qū)分幾類(lèi)交織。在兩個(gè)交錯(cuò)通道的情況下，我們通常指的是“乒乓”操作。然后，當(dāng)我們指的是通道數(shù)量減少的情況（例如，三個(gè)通道到四個(gè)通道）或大量通道（例如四個(gè)以上）的情況時(shí)，我們可以區(qū)分“輕度交錯(cuò)”和“高度交錯(cuò)” ，通常分別是八個(gè)或更多。

乒乓（雙向）交織

如圖2（a）的框圖所示，當(dāng)我們僅交錯(cuò)兩個(gè)通道以使凈采樣率翻倍時(shí)，我們將其稱(chēng)為“乒乓”。這是一個(gè)特別簡(jiǎn)單的案例，具有一些有趣且有用的功能。在這種情況下，1個(gè)內(nèi)第一交錯(cuò)式ADC的奈奎斯特頻帶，所述交織雜散位于直流，在?F小號(hào)/ 2，并在?F小號(hào)/ 2 - ?F IN。因此，如果輸入信號(hào)V IN 是一個(gè)以f IN為中心的窄帶信號(hào)，如圖2（b）的第一個(gè)Nyquist輸出頻譜所示，則交織雜散將包括dc處的一個(gè)雜散雜散，另一個(gè)是失配雜散雜散。在f s/ 2，以及一個(gè)以f s / 2 – f IN 為中心的增益和定時(shí)雜散圖像，看起來(lái)像是輸入本身的縮放副本。

如圖2（b）所示，如果輸入信號(hào)V IN（f）完全限制在0和f s / 4之間，則交織雜散不會(huì)與數(shù)字化輸入頻率重疊。在這種情況下，一個(gè)壞消息是我們只能在奈奎斯特頻帶的一半進(jìn)行數(shù)字化，即就像我們有一個(gè)時(shí)鐘頻率為f s / 2的單個(gè)信道一樣，盡管我們?nèi)匀幌闹辽賰杀兜墓β省蝹€(gè)渠道。奈奎斯特頻帶上端的交錯(cuò)雜散圖像可以在數(shù)字化后通過(guò)數(shù)字濾波來(lái)抑制，并且不需要校正模擬損傷。

不過(guò)，好消息是，由于乒乓ADC的時(shí)鐘頻率為f s，因此數(shù)字化輸出受益于動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的3 dB處理增益。而且，與使用時(shí)鐘頻率為f s / 2的單個(gè)ADC相比，乒乓ADC的抗混疊濾波器設(shè)計(jì)已經(jīng)放寬了。

如果窄帶信號(hào)位于第一奈奎斯特頻帶的上半部分，則可以重復(fù)所有相同的考慮，如圖2（c）所示，因?yàn)榻豢棃D像雜散移到了奈奎斯特頻帶的下半部分。再一次，在數(shù)字化之后，可以通過(guò)濾波對(duì)增益和時(shí)序雜散進(jìn)行數(shù)字抑制。

最后，輸入信號(hào)的頻率位置越過(guò)f s / 4線，輸入信號(hào)和交織雜散將頻率交疊，并且輸入頻譜被交織圖像破壞。在這種情況下，無(wú)法恢復(fù)所需的輸入信號(hào)，并且無(wú)法使用乒乓方案。當(dāng)然，除非通道之間的匹配足夠接近，以使得交織雜散含量對(duì)于應(yīng)用而言可接受地低，或者除非采用校準(zhǔn)來(lái)減少導(dǎo)致產(chǎn)生IL圖像的原因，否則除非如此。

總而言之，頻率規(guī)劃和一些數(shù)字濾波甚至可以在存在信道失配的情況下，以乒乓方案恢復(fù)窄帶數(shù)字化輸入。與使用時(shí)鐘頻率為f s / 2的單個(gè)ADC相比，轉(zhuǎn)換器的功耗大約增加了一倍，而乒乓方案提供了3 dB的處理增益，并放寬了抗混疊要求。

圖3顯示了一個(gè)乒乓球的示例，該乒乓球未對(duì)通道失配及其所引起的交錯(cuò)雜散進(jìn)行任何校正。在這種情況下，雙14位/ 1 GSPS ADC 的兩個(gè)ADC交替采樣單個(gè)正弦波，因此返回2 GSPS的單個(gè)組合輸出數(shù)據(jù)流。當(dāng)我們查看此乒乓球方案的輸出頻譜的第一個(gè)奈奎斯特頻帶（介于dc和1 GHz之間）時(shí)，我們可以看到輸入音調(diào)，這是f IN = 400 MHz時(shí)左側(cè)的強(qiáng)音調(diào)，還可以看到在f s / 2 – f IN = 2G / 2 – 400 M時(shí)，強(qiáng)烈的增益/時(shí)序不匹配雜散= 600 MHz。由于兩個(gè)通道自身的失真以及其他損傷，我們還會(huì)看到許多其他音調(diào)，但是這些音調(diào)都在–90 dB線以下。

高階交織 

當(dāng)我們有兩個(gè)以上的頻道時(shí)，如上所述的頻率規(guī)劃不是很實(shí)用或沒(méi)有吸引力。交錯(cuò)雜散的位置不能局限于奈奎斯特頻帶的一小部分。例如，考慮如圖4（a）所示的四路交錯(cuò)ADC的情況。在這種情況下，失調(diào)失配會(huì)在dc，f s / 4和f s / 2處產(chǎn)生音調(diào)。增益和定時(shí)交織圖像位于f s / 4 – f IN時(shí)，f s / 4 + f IN 和f s / 2 – f IN。交錯(cuò)ADC輸出的頻譜示例如圖4（b）所示。可以清楚地看到，除非輸入的帶寬小于f s / 8，否則無(wú)論我們將f IN放置在什么位置，輸入都會(huì)與一些交錯(cuò)的雜散重疊，并且如果輸入是非常窄的-頻帶信號(hào)，我們不應(yīng)該嘗試使用寬帶交錯(cuò)ADC將其數(shù)字化。

在這種情況下，我們需要最小化IL雜散功率，以獲得完整的Nyquist和更清晰的頻譜。為此，使用校準(zhǔn)技術(shù)來(lái)補(bǔ)償通道之間的不匹配。隨著不匹配的影響得到糾正，所產(chǎn)生的IL雜散的功率會(huì)降低。SFDR和SNR都受益于這種雜散功率的降低。

補(bǔ)償方法受到可以測(cè)量并最終糾正不匹配的精度的限制。為了進(jìn)一步抑制殘留雜散，使其超過(guò)通過(guò)校準(zhǔn)獲得的水平，可以間歇性地隨機(jī)調(diào)整通道對(duì)輸入進(jìn)行采樣的順序。這樣做時(shí)，由于未校準(zhǔn)的失配，先前討論的轉(zhuǎn)換后的輸入信號(hào)的調(diào)制效果從固定模式噪聲變?yōu)閭坞S機(jī)噪聲。結(jié)果，IL音調(diào)和不期望的周期性模式變成偽偽噪聲樣的內(nèi)容，其與轉(zhuǎn)換器量化本底噪聲相加，并且導(dǎo)致不期望的虛假圖像和音調(diào)的消失或至少擴(kuò)散。在這種情況下，與IL雜散內(nèi)容相關(guān)的功率會(huì)增加本底噪聲的功率。因此，雖然失真會(huì)改善，但SNR可能會(huì)因添加到噪聲中的IL雜散功率的數(shù)量而下降。SNDR（SINAD）基本上沒(méi)有變化，因?yàn)樗Y(jié)合了失真，噪聲和隨機(jī)化。它只是將IL的影響從一個(gè)分量（失真）轉(zhuǎn)移到另一個(gè)分量（噪聲）。

讓我們考慮一些交錯(cuò)ADC的示例。該ADC是一個(gè)12位/ 2.5 GSPS三路交錯(cuò)ADC。為了最小化交錯(cuò)雜散，對(duì)三個(gè)通道之間的失配進(jìn)行了校準(zhǔn)。輸入接近1 GHz的輸出頻譜示例如圖5（a）所示。在該光譜中，除了?1GHz的輸入灰度，能夠看到通道2次和3次接近500兆赫的諧波失真和4個(gè)附近的基波的諧波失真。交織失配校準(zhǔn)大大降低了交織雜散的功率，并且在整個(gè)頻譜上可以看到一大組額外的殘留小雜散音。

為了進(jìn)一步減少這種殘留的雜散內(nèi)容，引入了信道隨機(jī)化。添加第四個(gè)已校準(zhǔn)的通道，然后通過(guò)以第四個(gè)通道間歇地交換一個(gè)交錯(cuò)的通道，以隨機(jī)變化的順序?qū)λ膫€(gè)通道進(jìn)行三路交錯(cuò)。人們可以將其比作玩雜耍的人，他們?cè)诳罩型嬷齻€(gè)“吃喝玩樂(lè)”，而第四個(gè)則經(jīng)常被交換。這樣，剩余的交織雜散功率被隨機(jī)化并在本底噪聲上散布。如圖5（b）所示，在信道隨機(jī)化之后，交織雜散幾乎消失了，而噪聲的功率卻略有增加，從而使SNR降低了2 dB。當(dāng)然，請(qǐng)注意，盡管圖5（b）所示的第二個(gè)頻譜明顯更失真，但是混洗不會(huì)影響2nd，3 rd和4 th諧波，因?yàn)樗鼈儾皇墙诲e(cuò)的雜散。

使用通道隨機(jī)化的交錯(cuò)ADC的另一個(gè)示例如圖6的頻譜所示。這是四路交錯(cuò)16位/ 310 MSPS ADC AD9652的情況。在圖6所示的情況下，四個(gè)通道以固定的順序依次插入，而無(wú)需進(jìn)行校準(zhǔn)以減少通道不匹配。光譜清楚地示出的交織雜散在預(yù)測(cè)的頻率位置和它們的大的功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2次大于第二和3次諧波，并且限制了無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍只有57 dBc的。

但是，如果對(duì)同一ADC進(jìn)行前景校準(zhǔn)以減少通道失配，則交錯(cuò)雜散的功率將大大降低，如圖7所示。類(lèi)似于前面的示例，通道諧波失真不受影響，但是通過(guò)通道失配校準(zhǔn)，可大大降低交錯(cuò)雜散的功率。

最后，可以通過(guò)如圖8所示對(duì)通道順序進(jìn)行隨機(jī)化來(lái)進(jìn)一步提高圖7中的光譜純度。在這種情況下，隨機(jī)化使用專(zhuān)有技術(shù)，該技術(shù)在間歇性地加擾四個(gè)通道的順序時(shí)不需要多余的（5 th）通道被添加，因此節(jié)省了其相關(guān)的功率。從圖8可以看出，在隨機(jī)化之后，結(jié)果頻譜上只剩下規(guī)則的諧波失真。

結(jié)論

時(shí)間交織是增加數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器帶寬的強(qiáng)大技術(shù)。失配補(bǔ)償以及通過(guò)隨機(jī)化技術(shù)消除殘留雜散內(nèi)容的最新進(jìn)展已實(shí)現(xiàn)了高速12位、14位和16位交錯(cuò)ADC的完全集成實(shí)現(xiàn)。

在輸入信號(hào)受頻帶限制的情況下，例如在許多通信應(yīng)用中，乒乓（雙向）交織方法允許通過(guò)頻率將不想要的交織雜散分配到感興趣的輸入頻帶之外規(guī)劃。虛假內(nèi)容然后可以進(jìn)行數(shù)字過(guò)濾。盡管與非交織ADC相比，該方法消耗的功率大約是捕獲相同無(wú)雜散輸入帶寬所需的IL采樣率的一半，但功耗卻是后者的兩倍，但另一方面，它通過(guò)處理增益將動(dòng)態(tài)范圍提高了3 dB，并且還放寬了由于較高的IL采樣率，ADC之前的抗混疊濾波器和屋頂濾波器的滾降。

當(dāng)需要IL轉(zhuǎn)換器的整個(gè)輸入頻帶來(lái)捕獲寬帶輸入信號(hào)時(shí)，較高階的交織轉(zhuǎn)換器是合適的。在這種情況下，校準(zhǔn)和隨機(jī)混洗允許交織失真以及雜散內(nèi)容補(bǔ)償和抵消。

研尚科技可提供的部分產(chǎn)品列表

• 音頻編解碼器： Codec、 ADC、 DAC、 音頻功放、 硅麥、 耳放

• 射頻器件： 定位芯片、 定位模塊、 LNA、 無(wú)線射頻芯片、 NFC

• 電源轉(zhuǎn)換： 升壓芯片、 降壓芯片、 LDO、 背光驅(qū)動(dòng)

• 電源管理： 鋰電池充電管理、 鋰電池保護(hù)、 QC快充協(xié)議、 OVP/OCP、 電壓檢測(cè)、 復(fù)位芯片、 PMU、 顯示屏電源芯片、 MOSFET、 ESD

• 存儲(chǔ)器： SDRAM、 DDR、 Flash、 EEPROM

• 馬達(dá)驅(qū)動(dòng)： 步進(jìn)電機(jī)/無(wú)刷&有刷

• MCU微控制器： MCU、 指紋芯片、 加密芯片

• 無(wú)線通信： 5G&4G通訊模組、 NB-IoT模組

• 其它芯片： 運(yùn)算放大器、 OSD