Что случилось с цифровыми понижающими преобразователями - Часть 2

В первой части этой статьи, Что нового в цифровых понижающих преобразователях - Часть 1, мы рассмотрели стремление отрасли к дискретизации более высоких частот в более высокочастотных РЧ-диапазонах и то, как цифровые понижающие преобразователи (DDC) могут обеспечить этот тип радиоархитектуры. Были обсуждены некоторые технические аспекты, относящиеся к DDC, входящему в семейство продуктов AD9680. Одним из таких аспектов было то, что более широкая полоса дискретизации входного сигнала позволяет использовать радиоархитектуру, которая может напрямую выполнять выборку на более высоких радиочастотах и ​​преобразовывать входные сигналы непосредственно в основную полосу частот. DDC позволяет АЦП с РЧ-дискретизацией преобразовывать такие сигналы в цифровую форму без затрат на передачу большого количества данных. Фильтрация настройки и прореживания, которая находится в DDC, может использоваться для настройки входной полосы и фильтрации нежелательных частот. В этой статье мы более подробно рассмотрим децимационную фильтрацию и применим ее к примеру, который обсуждался в Части 1. Кроме того, мы рассмотрим Virtual Eval, который включает движок ADIsimADC в новый и обновленный инструмент программного моделирования. Virtual Eval будет использоваться для демонстрации того, насколько точно смоделированный результат соответствует измеренным данным из примера. В Части 1 мы рассмотрели пример, в котором мы использовали NCO и децимационную фильтрацию в DDC, чтобы увидеть эффекты сворачивания частот и преобразования в DDC. Теперь мы более подробно рассмотрим децимационную фильтрацию и то, как алиасинг АЦП влияет на эффективный отклик децимационной фильтрации. Еще раз рассмотрим AD9680 в качестве примера. Отклики фильтра прореживания нормализованы, так что отклик можно увидеть и понять, и его можно применить к каждому классу скорости. Отклики фильтра децимации просто масштабируются с частотой дискретизации. На графиках отклика фильтра, включенных здесь, удельные вносимые потери vs. Частота точно не указана, но показана образно, чтобы проиллюстрировать приблизительный отклик фильтра. Эти примеры предназначены для того, чтобы дать общее представление о характеристиках децимационного фильтра, чтобы приблизительно понять, где находятся полоса пропускания фильтра и полоса заграждения. Напомним, что AD9680 имеет четыре DDC, которые состоят из NCO, до четырех каскадных полуполосных (HB) фильтров (которые также будут называться прореживающими фильтрами), дополнительный блок усиления 6 дБ и дополнительный комплексный преобразователь в реальный. блок, как показано на рисунке 1. Как мы обсуждали в Части 1, сигнал сначала проходит через NCO, который сдвигает входные тоны по частоте, затем проходит децимацию, необязательно через блок усиления и необязательно через комплексное преобразование в реальное. Рисунок 1. Блоки обработки сигналов DDC в AD9680. Мы начнем с рассмотрения децимационных фильтров DDC, когда в AD9680 включен блок преобразования комплексного сигнала в реальный. Это означает, что DDC будет настроен для приема реального ввода и получения реального вывода. В AD9680 комплексное преобразование в действительное автоматически сдвигает входные частоты вверх на величину, равную fS / 4. На рис. 2 показан низкочастотный отклик фильтра HB1. Это ответ HB1, показывающий реальный и сложный ответ домена. Чтобы понять реальную работу фильтра, важно сначала увидеть базовый отклик фильтра в реальной и сложной областях, чтобы можно было увидеть отклик нижних частот. Фильтр HB1 имеет полосу пропускания 38.5% от реальной зоны Найквиста. Он также имеет полосу заграждения, которая составляет 38.5% от реальной зоны Найквиста, с полосой перехода, составляющей оставшиеся 23%. Аналогичным образом в сложной области полоса пропускания и полоса заграждения составляют по 38.5% (77% в сумме) от сложной зоны Найквиста, а полоса перехода составляет оставшиеся 23%. Как показано на рисунке 2, фильтр представляет собой зеркальное отображение между реальной и сложной областями. Рисунок 2. Отклик фильтра HB1 - реальный и сложный отклик домена. Теперь мы можем наблюдать, что происходит, когда мы переводим DDC в реальный режим, включив блок преобразования сложного в реальный. Включение комплексного преобразования в реальное приводит к сдвигу fS / 4 в частотной области. Это проиллюстрировано на рисунке 3, на котором показан частотный сдвиг и результирующий отклик фильтра. Обратите внимание на сплошные и пунктирные линии отклика фильтра. Сплошная линия и заштрихованная область показывают, что это новый отклик фильтра после сдвига частоты fS / 4 (результирующий отклик фильтра не может пересекать границу Найквиста). Пунктирные линии приведены для иллюстрации, чтобы показать реакцию фильтра, которая существовала бы, если бы не попадание в границу Найквиста. Рисунок 3. Отклик фильтра HB1 - реальный режим DDC (включено преобразование комплексного в реальное). Обратите внимание, что полоса пропускания фильтра HB1 остается неизменной между рисунками 2 и 3. Разница между ними заключается в сдвиге частоты fS / 4 и результирующей центральной частоте в первой зоне Найквиста. Обратите внимание, однако, что на рисунке 2 у нас есть 38.5% Найквиста для реальной части сигнала и 38.5% Найквиста для сложной части сигнала. На рисунке 3 с включенным блоком преобразования комплексного сигнала в реальный, 77% Найквиста соответствует реальному сигналу, а комплексная область была отброшена. Отклик фильтра остается неизменным, за исключением сдвига частоты fS / 4. Также обратите внимание, как результат этого преобразования, что коэффициент прореживания теперь равен единице. Эффективная частота дискретизации по-прежнему равна fS, но вместо всей зоны Найквиста имеется только 77% доступной полосы пропускания в зоне Найквиста. Это означает, что с включенным фильтром HB1 и блоком преобразования комплексного сигнала в реальный коэффициент децимации равен единице (дополнительную информацию см. В таблице данных AD9680). Далее мы рассмотрим отклики фильтра при различных скоростях прореживания (то есть включение нескольких полуполосных фильтров) и то, как наложение входных частот АЦП влияет на эффективные отклики фильтра децимации. Фактическая частотная характеристика HB1 представлена ​​сплошной синей линией на рисунке 4. Пунктирная линия представляет собой эффективный отклик HB1 с наложением спектров из-за эффектов наложения спектров АЦП. Из-за того, что частоты вводятся во 2-ю, 3-ю, 4-ю и т. Д. Зоны Найквиста накладываются на 1-ю зону Найквиста АЦП, отклик фильтра HB1 фактически накладывается на эти зоны Найквиста. Например, сигнал, находящийся на 3fS / 4, будет псевдонимом в первой зоне Найквиста на fS / 4. Важно понимать, что отклик фильтра HB1 находится только в первой зоне Найквиста и что именно наложение АЦП приводит к тому, что эффективный отклик фильтра HB1 оказывается наложенным на другие зоны Найквиста. Рисунок 4. Эффективный отклик фильтра HB1 из-за наложения спектров АЦП. Теперь давайте посмотрим на случай, когда мы включаем HB1 + HB2. В результате коэффициент прореживания равен двум. И снова фактическая частотная характеристика фильтров HB1 + HB2 показана сплошной синей линией. Центральная частота полосы пропускания фильтра по-прежнему равна fS / 4. Включение обоих фильтров HB1 + HB2 приводит к доступной полосе пропускания 38.5% от зоны Найквиста. Еще раз обратите внимание на эффекты наложения спектров АЦП и его влияние на комбинацию фильтров HB1 + HB2. Сигнал, который появляется на 7fS / 8, переходит в первую зону Найквиста на fS / 8. Точно так же сигнал на 5fS / 8 будет наложен на первую зону Найквиста на 3fS / 8. Эти примеры с включенным блоком преобразования сложных в реальные могут быть легко расширены с HB1 + HB2 для включения одного или обоих фильтров HB3 и HB4. Обратите внимание, что фильтр HB1 не может быть обойден, когда DDC включен, в то время как фильтры HB2, HB3 и HB4 могут быть включены по желанию. Рисунок 5. Эффективный отклик фильтра HB1 + HB2 из-за наложения АЦП (степень прореживания = 2). Теперь, когда мы обсудили работу в реальном режиме с включенными фильтрами прореживания, теперь можно исследовать сложный режим работы с DDC. AD9680 будет по-прежнему использоваться в качестве примера. Как и в реальном режиме работы DDC, будут представлены ответы нормализованного децимационного фильтра. Еще раз, приведенные здесь примеры графиков отклика фильтра не показывают конкретных вносимых потерь по сравнению с частоты, но вместо этого они образно показывают приблизительный отклик фильтра. Это сделано для того, чтобы дать общее представление о том, как сглаживание АЦП влияет на характеристики фильтра. С DDC в комплексном режиме он настроен на получение комплексного выхода, который состоит из реальных и комплексных частотных областей, обычно называемых I и Q. Напомним из рисунка 2, что фильтр HB1 имеет низкочастотную характеристику с полосой пропускания 38.5% от реальной зоны Найквиста. Он также имеет полосу заграждения, которая составляет 38.5% от реальной зоны Найквиста, с полосой перехода, составляющей оставшиеся 23%. Аналогичным образом, в сложной области полоса пропускания и полоса заграждения составляют по 38.5% (77% в сумме) от сложной зоны Найквиста, а полоса перехода составляет оставшиеся 23%. При работе DDC в режиме комплексного вывода с включенным фильтром HB1 коэффициент децимации равен двум, а частота дискретизации на выходе составляет половину входной тактовой частоты дискретизации. Расширяя график с рисунка 2, чтобы показать эффекты наложения спектров АЦП, мы получаем то, что показано на рисунке 6. Сплошная синяя линия представляет фактический отклик фильтра, а пунктирная синяя линия представляет эффективный отклик фильтра с наложением спектров из-за эффектов наложения спектров АЦП. Входной сигнал на 7fS / 8 будет наложен на первую зону Найквиста на fS / 8, помещая его в полосу пропускания фильтра HB1. Сложное изображение этого же сигнала находится на –7fS / 8 и в комплексной области будет псевдонимом –fS / 8, помещая его в полосу пропускания фильтра HB1 в комплексной области. Рисунок 6. Эффективный отклик фильтра HB1 из-за наложения спектров АЦП (степень прореживания = 2) - сложный. Двигаясь дальше, мы рассмотрим случай, когда включены HB1 + HB2, который показан на рисунке 7. Это приводит к коэффициенту прореживания, равному четырем для каждого выхода I и Q. И снова фактическая частотная характеристика фильтров HB1 + HB2 показана сплошной синей линией. Включение обоих фильтров HB1 + HB2 приводит к доступной полосе пропускания в 38.5% прореженной зоны Найквиста в каждом из реальных и комплексных доменов (38.5% от fS / 4, где fS - тактовая частота входной выборки). Обратите внимание на эффекты наложения спектров АЦП и их влияние на комбинацию фильтров HB1 + HB2. Сигнал, который появляется на 15fS / 16, переходит в первую зону Найквиста на fS / 16. Этот сигнал имеет сложное изображение при –15fS / 16 в комплексном домене и будет переходить в первую зону Найквиста в комплексном домене при –fS / 16. Еще раз эти примеры можно распространить на случаи, когда включены HB3 и HB4. Они не показаны в этой статье, но могут быть легко экстраполированы на основе реакции HB1 + HB2, показанной на рисунке 7. Рисунок 7. Эффективный отклик фильтра HB1 + HB2 из-за наложения спектров АЦП (степень прореживания = 4) - сложный. Некоторые вопросы, которые приходят на ум при просмотре всех этих ответов фильтра прореживания, могут быть такими: «Почему мы прореживаем?» и "Какие преимущества это дает?" Разные приложения предъявляют разные требования к прореживанию выходных данных АЦП. Одним из мотивов является получение отношения сигнал / шум (SNR) в узкой полосе частот, которая находится в полосе частот RF. Другая причина - меньшая пропускная способность для обработки, что приводит к более низкой скорости выходных каналов через интерфейс JESD204B. Это может позволить использовать более дешевую FPGA. Используя все четыре децимационных фильтра, DDC может реализовать выигрыш при обработке и улучшить отношение сигнал / шум до 10 дБ. В таблице 1 мы можем увидеть доступную полосу пропускания, коэффициент прореживания, частоту дискретизации выходного сигнала и идеальное улучшение отношения сигнал / шум, предлагаемое различными вариантами выбора децимационного фильтра при работе DDC в реальном и сложном режимах. Таблица 1. Характеристики фильтра DDC для выбора фильтра децимации AD9680 Комплексный выход Реальный выходной псевдоним Защищенная полоса пропускания Идеальное улучшение отношения сигнал / шум Коэффициент децимации Выходная частота дискретизации Коэффициент децимации Выходная частота дискретизации HB1 2 0.5 × fS 1 fS 0.385 × fS 1 HB1 + HB2 4 0.25 × fS 2 0.5 × fS 0.1925 × fS 4 HB1 + HB2 + HB3 8 0.125 × fS 4 0.25 × fS 0.09625 × fS 7 HB1 + HB2 + HB3 + HB4 16 0.0625 × fS 8 0.125 × fS 0.048125 × fS 10 Это обсуждение работы DDC дало хорошие результаты. понимание как реальных, так и сложных режимов работы децимационных фильтров AD9680. Использование децимационной фильтрации дает несколько преимуществ. DDC может работать в реальном или сложном режиме и позволяет пользователю использовать различные топологии приемника в зависимости от потребностей конкретного приложения. Теперь это можно объединить с тем, что обсуждалось в Части 1, и это поможет рассмотреть реальный пример с AD9680. В этом примере данные измерений будут объединены с данными моделирования из Virtual Eval ™, чтобы можно было сравнить результаты. В этом примере будут использоваться те же условия, которые использовались в Части 1. Входная частота дискретизации составляет 491.52 MSPS, а входная частота - 150.1 МГц. Частота NCO составляет 155 МГц, а скорость прореживания установлена ​​на четыре (из-за разрешения NCO фактическая частота NCO составляет 154.94 МГц). Это приводит к выходной частоте дискретизации 122.88 MSPS. Поскольку DDC выполняет сложное микширование, комплексная частотная область включена в анализ. Обратите внимание, что ответы фильтра прореживания были добавлены и показаны темно-фиолетовым цветом на рисунке 8. Рисунок 8. Сигналы по мере их прохождения через блок обработки сигналов DDC - показана децимационная фильтрация. Спектр после сдвига NCO: основная частота сдвигается с +150.1 МГц до –4.94 МГц. Изображение основной гармоники сдвигается от –150.1 МГц до +186.48 МГц. Вторая гармоника смещается с 2 МГц до 191.32 МГц. Третья гармоника смещается с +3 МГц до –41.22 МГц. Спектр после уменьшения на 2: основная частота остается на уровне –4.94 МГц. Изображение основной гармоники понижается до –59.28 МГц и ослабляется децимационным фильтром HB2. Вторая гармоника остается на частоте 2 МГц. Третья гармоника ослабляется децимационным фильтром HB3. Спектр после уменьшения на 4: основная частота остается на –4.94 МГц. Изображение основной гармоники остается на –59.28 МГц и ослабляется децимационным фильтром HB1. Вторая гармоника остается на уровне –2 МГц и ослабляется децимационным фильтром HB36.38. Третья гармоника фильтруется и практически устраняется децимационным фильтром HB3. Фактическое измерение AD9680-500 показано на рисунке 9. Основная частота составляет –4.94 МГц. Изображение основной гармоники находится на частоте –59.28 МГц с амплитудой –67.112 дБ полной шкалы, что означает, что изображение ослаблено примерно на 66 дБ. Вторая гармоника находится на частоте 2 МГц и ослаблена примерно на 36.38–10 дБ. Третья гармоника отфильтрована в достаточной степени, чтобы не подниматься выше минимального уровня шума при измерении. Рисунок 9. Комплексный вывод сигнала БПФ после DDC с NCO = 155 МГц и прореживанием на 4. Теперь Virtual Eval можно использовать, чтобы увидеть, как результаты моделирования сравниваются с результатами измерений. Для начала откройте инструмент с веб-сайта и выберите АЦП для моделирования (см. Рисунок 10). Инструмент Virtual Eval находится на веб-сайте Analog Devices Virtual Eval. Модель AD9680, которая находится в Virtual Eval, включает новую разрабатываемую функцию, которая позволяет пользователю моделировать различные уровни скорости АЦП. Эта функция является ключевой для примера, поскольку в примере используется AD9680-500. После загрузки Virtual Eval первое предложение - выбрать категорию продукта и продукт. Обратите внимание, что Virtual Eval не только охватывает высокоскоростные АЦП, но также имеет категории продуктов для прецизионных АЦП, высокоскоростных ЦАП и интегрированных / специальных преобразователей. Рисунок 10. Категория продуктов и выбор продуктов в Virtual Eval. Выберите AD9680 из списка продуктов. Это откроет главную страницу для моделирования AD9680. Модель Virtual Eval для AD9680 также включает блок-схему, которая дает подробную информацию о внутренней конфигурации аналоговых и цифровых функций АЦП. Эта блок-схема такая же, как и в таблице данных AD9680. На этой странице выберите желаемый уровень скорости в раскрывающемся меню в левой части страницы. Для приведенного здесь примера выберите класс скорости 500 МГц, как показано на рисунке 11. Рисунок 11. AD9680 Выбор класса скорости и блок-схема в Virtual Eval. Затем необходимо установить входные условия, чтобы выполнить моделирование БПФ (см. Рисунок 12). Напомним, что условия тестирования для этого примера включают тактовую частоту 491.52 МГц и входную частоту 150 МГц. DDC включен с частотой NCO, установленной на 155 МГц, вход ADC установлен на Real, комплексное преобразование в реальное (C2R) отключено, скорость прореживания DDC установлена ​​на Four, а усиление на 6 дБ в DDC равно Включено. Это означает, что DDC настроен для реального входного сигнала и комплексного выходного сигнала с коэффициентом децимации, равным четырем. Усиление 6 дБ в DDC включено для компенсации потерь 6 дБ из-за процесса микширования в DDC. Virtual Eval будет отображать только результаты по шуму или искажениям, поэтому включены два графика, на одном из которых показаны результаты по шуму (рис. 12), а на другом - результаты по искажениям (рис. 13). Рисунок 12. AD9680 FFT-моделирование в Virtual Eval - шумовые результаты. Рисунок 13. AD9680 FFT-моделирование в Virtual Eval - результаты искажений. В Virtual Eval указано множество параметров производительности. Инструмент дает гармонические местоположения, а также местоположение основного изображения, что может быть очень удобно при частотном планировании. Это может помочь немного упростить частотное планирование, позволяя пользователю видеть, проявляются ли основное изображение или какие-либо гармонические тона в желаемом спектре выходного сигнала. Моделирование в Virtual Eval дает значение SNR 71.953 дБFS и SFDR 69.165 дБн. Однако представьте себе на мгновение, что основное изображение обычно не находится в выходном спектре, и если мы удалим эту шпору, тогда SFDR составит 89.978 дБ (что составляет 88.978 дБн относительно входной мощности –1 дБFS). Рисунок 14. Результат измерения AD9680 FFT. Симулятор Virtual Eval не включает основное изображение при вычислении SNR. Не забудьте отрегулировать настройки в VisualAnalog ™, чтобы игнорировать основное изображение при измерении для достижения правильного отношения сигнал / шум. Идея заключается в частотном плане, в котором основное изображение не находится в желаемой полосе. Результат измерения для SNR составляет 71.602 дБ полной шкалы, что довольно близко к результату моделирования 71.953 дБ полной шкалы в Virtual Eval. Аналогичным образом, измеренный SFDR составляет 91.831 дБн, что очень близко к результату моделирования 88.978 дБн. Virtual Eval делает невероятную работу по точному прогнозированию поведения оборудования. Поведение устройства можно предсказать, сидя в удобном кресле за чашкой хорошего горячего кофе или чая. В частности, в случае АЦП с DDC, таких как AD9680, Virtual Eval может достаточно хорошо имитировать характеристики АЦП, включая изображения и гармоники, чтобы пользователь мог планировать частоты и удерживать эти нежелательные сигналы вне полосы, где это возможно. Поскольку агрегация несущих и прямая радиочастотная выборка продолжают набирать популярность, наличие в наборе инструментов такого инструмента, как Virtual Eval, весьма удобно. Способность точно прогнозировать характеристики АЦП и частотный план помогает разработчикам систем правильно планировать частотное проектирование в таких приложениях, как системы связи, а также военные / аэрокосмические радиолокационные системы и многие другие типы приложений. Я бы посоветовал вам воспользоваться преимуществами функций цифровой обработки сигналов в АЦП последнего поколения от Analog Devices.

Оставить сообщение 

Список сообщений