作為“現實世界”模擬域與1和0構成的數字世界之間的關口，數據轉換器是現代信號處理中的關鍵要素之一。過去30年，數據轉換領域涌現出了大量創新技術，這些技術不但助推了從醫療成像到蜂窩通信、再到消費音視頻，各個領域的性能提升和架構進步，同時還為實現全新應用發揮了重要作用。

寬帶通信和高性能成像應用的持續擴張凸顯出高速數據轉換的特殊重要性：轉換器要能處理帶寬范圍在10 MHz至1 GHz以上的信號。人們通過多種各樣的轉換器架構來實現這些較高的速率，各有其優勢。高速下在模擬域和數字域之間來回切換也對信號完整性提出了一些特殊的挑戰——不僅模擬信號如此，時鐘和數據信號亦是如此。了解這些問題不僅對于組件選擇十分重要，而且甚至會影響整體系統架構的選擇。

更快、更快、更快

在許多技術領域，我們習慣于把技術進步與更高的速率關聯起來： 從以太網到無線局域網再到蜂窩移動網絡，數據通信的實質就是不斷提高數據傳輸速率。通過時鐘速率的進步，微處理器、數字信號處理器和FPGA發展十分迅速。這些器件主要得益于尺寸不斷縮小的蝕刻工藝，結果造就出開關速率更快、體積更小(而且功耗更低)的晶體管。這些進步創造出一個處理能力和數據帶寬呈指數級增長的環境。這些強大的數字引擎帶來了同樣呈指數級增長的信號和數據處理需求：從靜態圖像到視頻，到帶寬頻譜，無論是有線還是無線，均是如此。運行時鐘速率為100 MHz的處理器或許能有效地處理帶寬為1 MHz至10 MHz的信號：運行時鐘速率達數GHz的處理器能夠處理帶寬達數百MHz的信號。

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圖1

自然地，更強的處理能力、更高的處理速率會導致更快的數據轉換：寬帶信號擴大其帶寬(往往達到物理或監管機構設定的頻譜極限)，成像系統尋求提高每秒像素處理能力，以便更加快速地處理更高分辨率的圖像。系統架構推陳出新，以利用極高的這種處理性能，其中還出現了并行處理的趨勢，這可能意味著對多通道數據轉換器的需求。

架構上的另一重要變化是走向多載波/多通道，甚至軟件定義系統的趨勢。傳統的模擬密集型系統在模擬域中完成許多信號調理工作(濾波、放大、頻率轉換)；在經過充分準備后，對信號進行數字化處理。一個例子是FM廣播：給定電臺的通道寬度通常為200 kHz，FM頻段范圍為88 MHz至108 MHz。傳統接收器把目標電臺的頻率轉換成10.7 MHz的中頻，過濾掉所有其他通道，并把信號放大到最佳解調幅度。多載波架構將整個20 MHz FM頻段數字化，并利用數字處理技術來選擇和恢復目標電臺。雖然多載波方案需要采用復雜得多的電路，但它具有極大的系統優勢：系統可以同時恢復多個電臺，包括邊頻電臺。如果設計得當，多載波系統甚至可以通過軟件重新配置，以支持新的標準(例如，分配在無線電邊頻帶的新型高清電臺)。這種方式的最終目標是采用可以接納所有頻帶的寬帶數字化儀和可以恢復任何信號的強大處理器：這即是所謂的軟件定義無線電。其他領域中有等效的架構——軟件定義儀表、軟件定義攝像頭等。我們可以把這些當作虛擬化的信號處理等效物。使得諸如此類靈活架構成為可能的是強大的數字處理技術以及高速、高性能數據轉換技術。

帶寬和動態范圍

無論是模擬還是數字信號處理，其基本維度都是帶寬和動態范圍——這兩個因素決定著系統實際可以處理的信息量。在通信領域，克勞德?香農的理論就使用這兩個維度來描述一個通信通道可以攜帶的信息量的基本理論限值，但其原理卻適用于多個領域。對于成像系統，帶寬決定著給定時間可以處理的像素量，動態范圍決定著最暗的可覺察光源與像素飽和點之間的強度或色彩范圍。

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圖2. 多載波示例

數據轉換器的可用帶寬有一個由奈奎斯特采樣理論設定的基本理論限值——為了表示或處理帶寬為F的信號，我們需要使用運行采樣速率至少為2 F的數據轉換器(請注意，本法則適用于任何采樣數據系統——模擬或數字都適用)。對于實際系統，一定量的過采樣可極大地簡化系統設計，因此，更典型的數值是信號帶寬的2.5至3倍。如前所述，不斷增加的處理能力可提高系統處理更高帶寬的能力，而蜂窩電話、電纜系統、有線和無線局域網、圖像處理以及儀器儀表等系統都在朝著帶寬更高的系統發展。這種不斷提高帶寬需求要求數據轉換器具備更高的采樣速率。