Čo sa deje s digitálnymi downkonvertormi – 1. časť

Mnoho súčasných rádiových architektúr obsahuje stupne konverzie smerom nadol, ktoré prekladajú RF alebo mikrovlnné frekvenčné pásmo nadol na strednú frekvenciu na spracovanie základného pásma. Bez ohľadu na konečnú aplikáciu, či už ide o komunikáciu, letectvo a obranu alebo prístrojové vybavenie, frekvencie záujmu sa posúvajú vyššie do RF a mikrovlnného spektra. Jedným z možných riešení tohto scenára je použitie zvyšujúceho sa počtu stupňov konverzie smerom nadol, ako je znázornené na obrázku 1. Ďalším efektívnejším riešením je však využitie RF ADC s integrovaným digitálnym zostupným prevodníkom (DDC), ako je znázornené na obrázku 2. Obrázok 1. Typický reťazec analógového signálu prijímača so stupňami konverzie smerom nadol. Integrácia funkcie DDC s RF ADC eliminuje potrebu dodatočných stupňov analógovej konverzie smerom nadol a umožňuje, aby sa spektrum vo RF frekvenčnej doméne priamo konvertovalo nadol do základného pásma na spracovanie. Schopnosť RF ADC spracovávať spektrum vo frekvenčnej doméne gigahertz zmierňuje potrebu vykonávať potenciálne viacnásobné downkonverzie v analógovej doméne. Schopnosť DDC umožňuje udržateľnosť spektra ako aj filtrovanie cez decimačné filtrovanie, čo tiež poskytuje výhodu zlepšenia dynamického rozsahu v rámci pásma (zvyšuje SNR). Dodatočnú diskusiu na túto tému nájdete tu „Nie je ADC vášho starého otca“ a tu „Gigasample ADC sľubujú priamu RF konverziu“. Tieto články poskytujú ďalšiu diskusiu o AD9680 a AD9625 a ich funkciách DDC. Obrázok 2. Reťazec signálu prijímača pomocou RF ADC s DDC. Primárne sa tu zameriame na funkčnosť DDC, ktorá existuje v AD9680 (rovnako ako AD9690, AD9691 a AD9684). Aby sme pochopili funkčnosť DDC a ako analyzovať výstupné spektrum, keď sa DDC používa s ADC, pozrieme sa na príklad s AD9680-500. Ako pomôcka sa použije nástroj Frequency Folding Tool na webovej stránke Analog Devices. Tento jednoduchý, ale výkonný nástroj možno použiť na pomoc pri pochopení aliasingových efektov ADC, čo je prvý krok pri analýze výstupného spektra v RF ADC s integrovanými DDC, ako je AD9680. V tomto príklade AD9680-500 pracuje so vstupnými hodinami 368.64 MHz a analógovou vstupnou frekvenciou 270 MHz. Po prvé, je dôležité pochopiť nastavenie blokov digitálneho spracovania v AD9680. AD9680 bude nastavený na používanie digitálneho downconvertora (DDC) tam, kde je vstup skutočný, výstup je zložitý, frekvencia ladenia numericky riadeného oscilátora (NCO) je nastavená na 98 MHz, je povolený polopásmový filter 1 (HB1), a je aktivovaný zisk 6 dB. Keďže výstup je zložitý, blok konverzie komplexu na skutočný je zakázaný. Základný diagram pre DDC je znázornený na obrázku 3. Aby sme pochopili, ako sa spracovávajú vstupné tóny, je dôležité pochopiť, že signál najprv prechádza cez NCO, ktorý posúva vstupné tóny vo frekvencii, potom prechádza cez decimáciu, voliteľne cez blok zosilnenia a potom voliteľne cez blok komplexná až skutočná konverzia. Obrázok 3. Bloky spracovania signálu DDC v AD9680. Je dôležité porozumieť aj makro pohľadu na tok signálu cez AD9680. Signál vstupuje cez analógové vstupy, prechádza cez jadro ADC, do DDC, potom cez serializátor JESD204B a potom von cez sériové výstupné pruhy JESD204B. Toto je znázornené na blokovej schéme AD9680 zobrazenej na obrázku 4. Obrázok 4. Bloková schéma AD9680. So vstupnými vzorkovacími hodinami 368.64 MHz a analógovou vstupnou frekvenciou 270 MHz bude vstupný signál smerovať do prvej Nyquistovej zóny na 98.64 MHz. Druhá harmonická vstupnej frekvencie bude aliasovať do prvej Nyquistovej zóny na 171.36 MHz, zatiaľ čo tretia harmonická bude aliasovať na 72.72 MHz. Ilustruje to graf nástroja Frequency Folding Tool na obrázku 5. Obrázok 5. Výstupné spektrum ADC znázornené nástrojom Frequency Folding Tool. Graf nástroja na skladanie frekvencie zobrazený na obrázku 5 udáva stav signálu na výstupe jadra ADC predtým, ako prejde cez DDC v AD9680. Prvý blok spracovania, cez ktorý signál prechádza v AD9680, je NCO, ktorý posunie spektrum doľava vo frekvenčnej doméne o 98 MHz (pripomeňme, že naša frekvencia ladenia je 98 MHz). Tým sa posunie analógový vstup z 98.64 MHz nadol na 0.64 MHz, druhá harmonická sa posunie nadol na 73.36 MHz a tretia harmonická sa posunie nadol na –25.28 MHz (pripomíname, že sa pozeráme na komplexný výstup). Toto je znázornené na grafe FFT z Visual Analog na obrázku 6 nižšie. Obrázok 6. Výstup komplexu FFT po DDC s NCO = 98 MHz a decimáciou o 2. Z grafu FFT na obrázku 6 môžeme jasne vidieť, ako NCO posunul frekvencie, ktoré sme pozorovali v nástroji Frequency Folding Tool. Zaujímavé je, že vo FFT vidíme nevysvetliteľný tón. Je však tento tón naozaj nevysvetliteľný? NCO nie je subjektívny a posúva všetky frekvencie. V tomto prípade posunul alias základného vstupného tónu 98 MHz dole na 0.64 MHz a posunul druhú harmonickú na 73.36 MHz a tretiu harmonickú na –25.28 MHz. Okrem toho bol posunutý aj ďalší tón a zobrazuje sa na frekvencii 86.32 MHz. Odkiaľ sa vlastne vzal tento tón? Produkovalo spracovanie signálu DDC alebo ADC nejakým spôsobom tento tón? Nuž, odpoveď je nie... a áno. Pozrime sa na tento scenár trochu bližšie. Nástroj na skladanie frekvencie nezahŕňa jednosmerný posun ADC. Tento jednosmerný posun vedie k tónu prítomnému pri jednosmernom prúde (alebo 0 Hz). Nástroj na skladanie frekvencie predpokladá ideálny ADC, ktorý by nemal žiadny jednosmerný posun. V skutočnom výstupe AD9680 je jednosmerný ofsetový tón pri 0 Hz frekvenčne posunutý nadol na –98 MHz. V dôsledku zložitého miešania a decimácie sa tento jednosmerný ofsetový tón otočí späť do prvej Nyquistovej zóny v skutočnej frekvenčnej doméne. Keď sa pozriete na komplexný vstupný signál, kde sa tón posunie do druhej Nyquistovej zóny v negatívnej frekvenčnej doméne, zabalí sa späť do prvej Nyquistovej zóny v skutočnej frekvenčnej doméne. Pretože máme povolenú decimáciu s decimačnou frekvenciou rovnou dvom, naša zdecimovaná Nyquistova zóna je široká 92.16 MHz (pripomenutie: fs = 368.64 MHz a zdecimovaná vzorkovacia frekvencia je 184.32 MHz, ktorá má Nyquistovu zónu 92.16 MHz). Jednosmerný ofsetový tón je posunutý na –98 MHz, čo je 5.84 MHz delta od hranice zdecimovanej Nyquistovej zóny na 92.16 MHz. Keď sa tento tón zloží späť do prvej Nyquistovej zóny, skončí na rovnakom posune od hranice Nyquistovej zóny v reálnej frekvenčnej doméne, čo je 92.16 MHz – 5.84 MHz = 86.32 MHz. To je presne to, kde vidíme tón v grafe FFT vyššie! Technicky teda ADC produkuje signál (keďže je to jednosmerný offset) a DDC ho posúva len o kúsok. Tu prichádza na rad dobré frekvenčné plánovanie. Správne plánovanie frekvencie môže pomôcť vyhnúť sa situáciám, ako je táto. Teraz, keď sme sa pozreli na príklad pomocou filtra NCO a HB1 s rýchlosťou zdecimovania rovnou dvom, pridajme k príkladu trochu viac. Teraz zvýšime mieru decimácie v DDC, aby sme videli účinky skladania frekvencie a prekladu, keď sa použije vyššia miera decimácie spolu s ladením frekvencie s NCO. V tomto príklade sa pozrieme na AD9680-500 pracujúci so vstupnými hodinami 491.52 MHz a analógovou vstupnou frekvenciou 150.1 MHz. AD9680 bude nastavený tak, aby používal digitálny zostupný konvertor (DDC) so skutočným vstupom, komplexným výstupom, frekvenciou ladenia NCO 155 MHz, povoleným polopásmovým filtrom 1 (HB1) a polopásmovým filtrom 2 (HB2) (celkom decimačná rýchlosť sa rovná štyrom) a povolený zisk 6 dB. Keďže výstup je zložitý, blok konverzie komplexu na skutočný je zakázaný. Pripomeňme si z obrázku 3 základnú schému pre DDC, ktorá udáva tok signálu cez DDC. Signál opäť najskôr prechádza cez NCO, ktorý frekvenčne posunie vstupné tóny, potom prejde cez decimačný blok, cez zosilňovací blok a v našom prípade obíde komplex k skutočnej konverzii. Opäť použijeme nástroj Frequency Folding Tool, ktorý nám pomôže pochopiť aliasingové efekty ADC, aby sme vyhodnotili, kde sa bude analógová vstupná frekvencia a jej harmonické nachádzať vo frekvenčnej doméne. V tomto príklade máme reálny signál, vzorkovacia frekvencia 491.52 MSPS, decimačná rýchlosť je nastavená na štyri a výstup je zložitý. Na výstupe ADC sa signál objaví tak, ako je znázornené nižšie na obrázku 7 s nástrojom na skladanie frekvencie. Obrázok 7. Výstupné spektrum ADC znázornené nástrojom Frequency Folding Tool. So vstupnými vzorkovacími hodinami 491.52 MHz a analógovou vstupnou frekvenciou 150.1 MHz sa vstupný signál bude nachádzať v prvej Nyquistovej zóne. Druhá harmonická vstupnej frekvencie na 300.2 MHz bude aliasovať do prvej Nyquistovej zóny na 191.32 MHz, zatiaľ čo tretia harmonická na 450.3 MHz aliasuje do prvej Nyquistovej zóny na 41.22 MHz. Toto je stav signálu na výstupe ADC predtým, ako prejde cez DDC. Teraz sa pozrime na to, ako signál prechádza cez bloky digitálneho spracovania vo vnútri DDC. Pozrieme sa na signál, ako prechádza každou fázou a pozorujeme, ako NCO posunie signál a proces decimácie následne signál zloží. Graf zachováme z hľadiska vstupnej vzorkovacej frekvencie 491.52 MSPS a fs podmienky budú s ohľadom na túto vzorkovaciu frekvenciu. Pozrime sa na všeobecný proces znázornený na obrázku 8. NCO posunie vstupné signály doľava. Akonáhle sa signál v komplexnej (negatívnej frekvencii) doméne posunie nad –fs/2, sklopí sa späť do prvej Nyquistovej zóny. Ďalej signál prechádza prvým decimačným filtrom HB2, ktorý decimuje dvoma. Na obrázku zobrazujem proces decimácie bez zobrazenia odozvy filtra, aj keď sa operácie vyskytujú spoločne. Toto je pre jednoduchosť. Po prvom zdecimovaní faktorom dva sa spektrum od fs/4 do fs/2 premietne do frekvencií medzi –fs/4 a dc. Podobne sa spektrum od –fs/2 do –fs/4 prekladá do frekvencií medzi dc a fs/4. Signál teraz prechádza druhým decimačným filtrom HB1, ktorý tiež decimuje dvoma (celková decimácia sa teraz rovná štyrom). Spektrum medzi fs/8 a fs/4 sa teraz prevedie na frekvencie medzi –fs/8 a dc. Podobne sa spektrum medzi –fs/4 a –fs/8 premietne do frekvencií medzi dc a fs/8. Hoci je na obrázku znázornená decimácia, operácia filtrovania decimácie nie je znázornená. Obrázok 8. Účinky decimačných filtrov na výstupné spektrum ADC – všeobecný príklad. Pripomeňme si predtým diskutovaný príklad so vstupnou vzorkovacou frekvenciou 491.52 MSPS a vstupnou frekvenciou 150.1 MHz. Frekvencia poddôstojníka je 155 MHz a rýchlosť zdecimovania sa rovná štyrom (kvôli rozlíšeniu poddôstojníkov je skutočná frekvencia poddôstojníkov 154.94 MHz). Výsledkom je výstupná vzorkovacia frekvencia 122.88 MSPS. Keďže AD9680 je nakonfigurovaný na komplexné miešanie, budeme musieť do našej analýzy zahrnúť komplexnú frekvenčnú doménu. Obrázok 9 ukazuje, že frekvenčné preklady sú dosť zaneprázdnené, ale pozorným štúdiom sa môžeme prepracovať cez tok signálu. Obrázok 9. Účinky decimačných filtrov na výstupné spektrum ADC – skutočný príklad. Spektrum po NCO posune: Základná frekvencia sa posunie z +150.1 MHz dole na –4.94 MHz. Obraz základu sa posúva z –150.1 MHz a zalomí sa okolo 186.48 MHz. Druhá harmonická sa posúva z 191.32 MHz nadol na 36.38 MHz.  Tretia harmonická sa posúva z +41.22 MHz až na –113.72 MHz. Spektrum po decimácii o 2: Základná frekvencia zostáva na –4.94 MHz. Obraz základu sa prevádza až na –59.28 MHz a je zoslabený decimačným filtrom HB1. Druhá harmonická zostáva na 36.38 MHz. Tretia harmonická je výrazne zoslabená decimačným filtrom HB2. Spektrum po decimácii o 4: Fundament zostáva na –4.94 MHz. Obraz základu zostáva na –59.28 MHz. Druhá harmonická zostáva na –36.38 MHz. Tretia harmonická je filtrovaná a prakticky eliminovaná decimačným filtrom HB1. Teraz sa pozrime na skutočné meranie na AD9680-500. Vidíme, že základná hodnota je -4.94 MHz. Obraz základného obrazu je pri –59.28 MHz s amplitúdou –67.112 dBFS, čo znamená, že obraz bol zoslabený približne o 66 dB. Druhá harmonická sa nachádza na 36.38 MHz. Všimnite si, že VisualAnalog správne nenachádza harmonické frekvencie, pretože neinterpretuje frekvenciu NCO a decimačné miery. Obrázok 10. FFT komplexný výstupný graf signálu po DDC s NCO = 155 MHz a decimovať o 4. Z FFT môžeme vidieť výstupné spektrum AD9680-500 s DDC nastaveným na reálny vstup a komplexný výstup s NCO frekvenciou 155 MHz (skutočná 154.94 MHz) a decimačným pomerom rovným štyrom. Odporúčam vám prejsť si diagram toku signálu, aby ste pochopili, ako sa spektrum posúva a prekladá. Tiež by som vám odporučil, aby ste si pozorne prešli príklady uvedené v tomto článku, aby ste pochopili účinky DDC na výstupné spektrum ADC. Odporúčam vytlačiť si obrázok 8 a mať ho po ruke pre referenciu pri analýze výstupného spektra AD9680, AD9690, AD9691 a AD9684. Pri podpore týchto produktov som mal mnoho otázok týkajúcich sa frekvencií, ktoré sú vo výstupnom spektre ADC, ktoré sú považované za nevysvetliteľné. Keď je však analýza vykonaná a tok signálu je analyzovaný cez NCO a decimačné filtre, je zrejmé, že to, čo sa spočiatku považovalo za nevysvetliteľné výbežky v spektre, sú v skutočnosti len signály nachádzajúce sa presne tam, kde by mali byť. Dúfam, že po prečítaní a preštudovaní tohto článku budete lepšie vybavení na zvládanie otázok, keď budete nabudúce pracovať s ADC, ktoré má integrované DDC. Zostaňte naladení na druhú časť, kde sa budeme naďalej zaoberať ďalšími aspektmi prevádzky DDC a tiež tým, ako môžeme simulovať jeho správanie.

Zanechajte správu 

zoznam správ