SFDR是信号系统处理中常用的一项参数,对于评估系统的噪声水平和ADC/DAC的性能有一定参考意义。
SFDR,英文全称是 Spurious-Free Dynamic range,意为无杂散动态范围。SFDR是指基波强度与最大杂波或谐波的强度之比,所以SFDR值越大则说明系统的噪声水平越低,灵敏度越高。
下面我们用一个示例看下不同量化位数对SFDR的影响。
matlab代码:
close all;clear all;clc; %% N = 1000; %总采样数1000 t = -pi : 2*pi/N : pi; %一个完整周期 x1 = 7*sin(2*t); %幅值7,圆频率2 % 进行定点量化 qpath = quantizer(‘fixed‘,‘round‘,‘saturate‘,[5,0]); fix_x1 = quantize(qpath,x1); figure; subplot(221) stairs(x1);title(‘浮点精度(double)信号‘); subplot(222) stairs(fix_x1);title(‘定点精度(fix5-0)信号‘); %% % 进行DFT变换,求模 X1 = abs(fft(x1)); X1 = fftshift(X1); subplot(223) semilogy(X1);grid on;title(‘浮点DFT变换结果‘); X11 = abs(fft(fix_x1)); X11 = fftshift(X11); subplot(224) semilogy(X11);grid on;title(‘定点DFT变换结果‘);
这是运行后的结果,对比之后可以看到,double类型的正弦信号底噪极小,而经过量化之后的信号,底噪十分明显。
下面计算一下浮点信号的SFDR,在Matlab中,SFDR的基本过程为加窗DFT变换,选取杂波或谐波最大值求出比率,结果单位为dB。在频率轴经过归一化,采样率1Hz。
图中黑色部分为DC信号,蓝色部分是基波信号,红色部分是杂波信号。灰色区域是SFDR计算范围。
基频信号的峰值是12.73dB,杂波的最大值是-291.4dB,二者比率为304.13dB,即是SFDR的值。
再来计算一下经过定点量化信号的SFDR值。
基频信号的峰值是12.78dB,与浮点结果基本一致,杂波的最大值是-19.53dB,二者比率为32.31dB,远小于浮点信号的SFDR值。
实际上,信号量化位数越多,信号底噪越干净,SFDR值也越大。
这是进行fix_10_5量化的结果,保留5bit小数,可以看到时间曲线已经没有明显锯齿,非常光滑。
SFDR为63.94dB,大于fix_10_5的28.69dB,小于浮点数的304.14dB
关于定点化
定点化按四舍五入进行取舍,当量化位数不够时,进行饱和处理。
定点格式[fix_w_b]表示,这是一个有符号数,总位宽w,小数位宽b。它能表示的范围为:[ -2w-b-1 + 1/2b , +2w-b-1 - 1/2b ],分辨率为1/2b.
举例来讲[fix_5_0]能表示的范围在[-2^(5-0-1)+1,+2^(5-0-1)-1]之间,即[-15 ,+15]之间,分辨率1。
关于点数/采样频率的影响
点数越多,采样率越高则SFDR的值也越大
这是N=10000点的结果,比N=1000点时提高了5.37dB
关于噪声来源分析
从时域信号来看,相当于一个纯正弦信号乘以一个周期方波信号,在频域就是进行周期卷积。而方波包含有多次谐波,基本之后的都可以视为噪声。这些噪声,最后都通过ADC的量化过程表现出来。
参考资料:
https://en.wikipedia.org/wiki/Spurious-free_dynamic_range
http://blog.sina.com.cn/s/blog_4b2c39e20100z8tu.html
http://cn.mathworks.com/help/signal/ref/sfdr.html?searchHighlight=sfdr&s_tid=doc_srchtitle
http://cn.mathworks.com/help/signal/examples/spurious-free-dynamic-range-sfdr-measurement.html