Čo sa deje s digitálnymi downkonvertormi – 2. časť

V prvej časti tohto článku, Čo sa deje s digitálnymi downkonvertormi – časť 1, sme sa pozreli na priemyselný tlak na vzorkovanie vyšších frekvencií vo vysokofrekvenčných RF pásmach a na to, ako môžu digitálne downconvertory (DDC) umožniť tento typ rádiovej architektúry. Diskutovalo sa o niekoľkých technických aspektoch týkajúcich sa DDC, ktoré sa nachádza v rodine produktov AD9680. Jedným z takých aspektov bolo, že vyššie šírky pásma vstupného vzorkovania umožňujú rádiové architektúry, ktoré môžu priamo vzorkovať pri vyšších frekvenciách RF a prevádzať vstupné signály priamo do základného pásma. DDC umožňuje RF vzorkovaciemu ADC digitalizovať takéto signály bez nákladov na veľké množstvo dát. Ladenie a decimačné filtrovanie, ktoré sa nachádza v DDC, možno využiť na ladenie vstupného pásma a filtrovanie nežiaducich frekvencií. V tejto časti sa bližšie pozrieme na decimačné filtrovanie a aplikujeme ho na príklad, o ktorom sme hovorili v 1. časti. Okrem toho sa pozrieme na Virtual Eval, ktorý zahŕňa motor ADIsimADC do nového a prepracovaného softvérového simulačného nástroja. Virtual Eval sa použije na demonštráciu toho, nakoľko sa simulovaný výsledok zhoduje s nameranými údajmi z príkladu. V časti 1 sme sa pozreli na príklad, kde sme použili NCO a decimačné filtrovanie v DDC, aby sme videli účinky skladania frekvencie a prekladu v DDC. Teraz sa bližšie pozrieme na filtrovanie zdecimovania a na to, ako aliasing ADC ovplyvňuje efektívnu odozvu filtrovania zdecimovania. Opäť sa pozrieme na AD9680 ako príklad. Odozvy decimačného filtra sú normalizované, takže odozvu je možné vidieť a pochopiť a možno ju použiť na každý stupeň rýchlosti. Odozvy decimačného filtra sa jednoducho menia podľa vzorkovacej frekvencie. V grafoch odozvy filtra, ktoré sú tu zahrnuté, špecifická vložená strata vs. frekvencia nie je daná presne, ale je obrazne znázornená na ilustráciu približnej odozvy filtra. Tieto príklady sú určené na to, aby poskytli vysokú úroveň pochopenia odoziev decimačného filtra, aby ste približne pochopili, kde sa nachádza priepustné pásmo filtra a zastavovacie pásmo. Pripomeňme, že AD9680 má štyri DDC, ktoré pozostávajú z NCO, až štyroch kaskádových polopásmových (HB) filtrov (ktoré sa budú tiež označovať ako decimačné filtre), voliteľného bloku zosilnenia 6 dB a voliteľného komplexu na skutočnú konverziu. blok, ako je znázornené na obrázku 1. Ako sme rozoberali v 1. časti, signál najskôr prechádza cez NCO, ktorý frekvenčne posúva vstupné tóny, potom prechádza cez decimáciu, voliteľne cez blok zisku a voliteľne cez komplex do skutočnej konverzie. Obrázok 1. Bloky spracovania signálu DDC v AD9680. Začneme tým, že sa pozrieme na decimačné filtre DDC, keď je v AD9680 povolený blok komplexnej na skutočnú konverziu. To znamená, že DDC bude nakonfigurovaný tak, aby akceptoval skutočný vstup a mal skutočný výstup. V AD9680 komplexná konverzia na reálnu automaticky posunie vstupné frekvencie nahor o hodnotu rovnajúcu sa fS/4. Obrázok 2 znázorňuje dolnú priepustnosť filtra HB1. Toto je odpoveď HB1, ktorá ukazuje skutočnú a komplexnú doménovú odpoveď. Aby sme pochopili skutočnú činnosť filtra, je dôležité najprv vidieť odozvu základného filtra v reálnych a komplexných doménach, aby bolo možné vidieť odozvu dolného priepustu. Filter HB1 má priepustné pásmo 38.5 % skutočnej Nyquistovej zóny. Má tiež stop pásmo, ktoré je 38.5 % skutočnej Nyquistovej zóny, pričom prechodové pásmo tvorí zvyšných 23 %. Podobne v komplexnej doméne tvoria priepustné pásmo a stop pásmo 38.5 % (celkovo 77 %) komplexnej Nyquistovej zóny, pričom prechodové pásmo tvorí zvyšných 23 %. Ako ukazuje obrázok 2, filter je zrkadlovým obrazom medzi skutočnou a komplexnou doménou. Obrázok 2. Odozva filtra HB1 - skutočná a komplexná odpoveď domény. Teraz môžeme pozorovať, čo sa stane, keď uvedieme DDC do reálneho režimu povolením komplexného na skutočný konverzný blok. Povolenie komplexu na skutočnú konverziu vedie k posunu fS/4 vo frekvenčnej doméne. To je znázornené na obrázku 3, ktorý ukazuje frekvenčný posun a výslednú odozvu filtra. Všimnite si plné čiary a bodkované čiary odozvy filtra. Plná čiara a tieňovaná oblasť označujú, že ide o novú odozvu filtra po posune frekvencie fS/4 (výsledná odozva filtra nemôže prekročiť Nyquistovu hranicu). Bodkované čiary sú uvedené na ilustráciu, aby znázornili odozvu filtra, ktorá by existovala, ak by neprebehla do Nyquistovej hranice. Obrázok 3. Odozva filtra HB1—reálny režim DDC (povolená komplexná konverzia na skutočnú). Všimnite si, že šírka pásma filtra HB1 zostáva medzi obrázkami 2 a 3 nezmenená. Rozdiel medzi nimi je frekvenčný posun fS/4 a výsledná stredová frekvencia v rámci prvej Nyquistovej zóny. Všimnite si však, že na obrázku 2 máme 38.5 % Nyquista pre skutočnú časť signálu a 38.5 % Nyquista pre komplexnú časť signálu. Na obrázku 3, s povoleným blokom konverzie komplexu na skutočný, je 77 % Nyquista pre skutočný signál a komplexná doména bola vyradená. Odozva filtra zostáva nezmenená okrem posunu frekvencie fS/4. Všimnite si tiež, že výsledkom tejto konverzie je, že miera decimácie je teraz rovná jednej. Efektívna vzorkovacia frekvencia je stále fS, ale namiesto celej zóny Nyquist je v zóne Nyquist iba 77% dostupnej šírky pásma. To znamená, že s filtrom HB1 a aktivovaným blokom komplexnej konverzie na skutočnú hodnotu sa decimačná miera rovná jednej (viac informácií nájdete v údajovom liste AD9680). Ďalej sa pozrieme na odozvy filtrov rôznych decimačných rýchlostí (to znamená, že umožňujú viacnásobné polpásmové filtre) a ako aliasing vstupných frekvencií ADC ovplyvňuje efektívne reakcie decimačného filtra. Skutočná frekvenčná odozva HB1 je daná plnou modrou čiarou na obrázku 4. Prerušovaná čiara predstavuje efektívnu aliasovú odpoveď HB1 v dôsledku aliasingových účinkov ADC. Vzhľadom na to, že frekvencie vstupujúce do 2., 3., 4. atď. Nyquistove zóny alias do 1. Nyquistovej zóny ADC, odozva filtra HB1 je efektívne priradená do týchto Nyquistových zón. Napríklad signál, ktorý sa nachádza na 3fS/4, sa alias dostane do prvej Nyquistovej zóny na fS/4. Je dôležité pochopiť, že odozva filtra HB1 sa nachádza iba v prvej Nyquistovej zóne a že je to aliasing ADC, ktorý má za následok efektívnu odozvu filtra HB1, ktorá sa javí ako aliasovaná do ostatných Nyquistových zón. Obrázok 4. Efektívna odozva filtra HB1 vďaka aliasingu ADC. Teraz sa pozrime na prípad, keď povolíme HB1 + HB2. Výsledkom je decimačný pomer dva. Opäť platí, že skutočná frekvenčná odozva filtrov HB1 + HB2 je daná plnou modrou čiarou. Stredná frekvencia pásma priepustnosti filtra je stále fS/4. Povolenie oboch filtrov HB1 + HB2 má za následok dostupnú šírku pásma 38.5 % Nyquistovej zóny. Ešte raz si všimnite efekty aliasingu ADC a jeho vplyv na kombináciu filtrov HB1 + HB2. Signál, ktorý sa objaví na 7fS/8, sa prenesie do prvej Nyquistovej zóny na fS/8. Podobne signál na 5fS/8 bude alias do prvej Nyquistovej zóny pri 3fS/8. Tieto príklady so zapnutým blokom konverzie komplexu na skutočný je možné ľahko rozšíriť z HB1 + HB2 na jeden alebo obidva filtre HB3 a HB4. Všimnite si toho, že filter HB1 je neprejazdný, ak je zapnuté DDC, zatiaľ čo filtre HB2, HB3 a HB4 môžu byť voliteľne povolené. Obrázok 5. Účinná odozva filtra HB1 + HB2 v dôsledku aliasingu ADC (rýchlosť zdecimovania = 2). Teraz, keď sa diskutovalo o prevádzke v reálnom režime so zapnutými decimačnými filtrami, je teraz možné preskúmať komplexný režim prevádzky s DDC. AD9680 sa bude naďalej používať ako príklad. Podobne ako v reálnom režime prevádzky DDC budú prezentované normalizované odpovede decimačného filtra. Opäť tu uvedené príklady grafov odozvy filtra neukazujú špecifickú stratu vloženia vs. frekvenciu, ale namiesto toho obrazne zobrazujú približnú odozvu filtra. Toto sa robí s cieľom poskytnúť vysokú úroveň pochopenia toho, ako sú odpovede filtra ovplyvnené aliasingom ADC. S DDC v komplexnom režime je nakonfigurovaný tak, aby mal komplexný výstup, ktorý pozostáva zo skutočných a komplexných frekvenčných domén bežne označovaných ako I a Q. Pripomeňme si z obrázku 2, že filter HB1 má dolnú priepustnosť s priepustným pásmom 38.5 % skutočnej Nyquistovej zóny. Má tiež stop pásmo, ktoré je 38.5 % skutočnej Nyquistovej zóny, pričom prechodové pásmo tvorí zvyšných 23 %. Podobne v komplexnej doméne priepustný pás a zastavovací pás tvorí 38.5% (celkom 77%) komplexnej Nyquistovej zóny, pričom prechodový pás tvorí zvyšných 23%. Pri prevádzke DDC v komplexnom výstupnom režime so zapnutým filtrom HB1 je decimačný pomer rovný dvom a výstupná vzorkovacia frekvencia je polovica vstupných vzorkovacích hodín. Rozšírením grafu z obrázku 2 na zobrazenie účinkov aliasingu ADC máme to, čo je znázornené na obrázku 6. Plná modrá čiara predstavuje skutočnú odozvu filtra, zatiaľ čo bodkovaná modrá čiara predstavuje efektívnu aliasovú odozvu filtra v dôsledku efektov aliasingu ADC. Vstupný signál na 7fS/8 prejde do prvej Nyquistovej zóny na fS/8, čím sa umiestni do priepustného pásma filtra HB1. Komplexný obraz toho istého signálu sa nachádza na –7fS/8 a bude alias v komplexnej doméne na –fS/8, čím sa umiestni do priepustného pásma filtra HB1 v komplexnej doméne. Obrázok 6. Efektívna odozva filtra HB1 vďaka aliasingu ADC (miera decimácie = 2) – komplexná. Ďalej sa pozrieme na prípad, keď sú povolené HB1 + HB2, čo je znázornené na obrázku 7. Výsledkom je decimačný pomer štyri pre každý I a Q výstup. Opäť platí, že skutočná frekvenčná odozva filtrov HB1 + HB2 je daná plnou modrou čiarou. Povolenie oboch filtrov HB1 + HB2 vedie k dostupnej šírke pásma 38.5 % zdecimovanej Nyquistovej zóny v každej zo skutočných a komplexných domén (38.5 % z fS/4, kde fS sú vstupné vzorkovacie hodiny). Všimnite si aliasingových účinkov ADC a ich vplyvu na kombináciu filtrov HB1 + HB2. Signál, ktorý sa objaví na 15fS/16, sa prenesie do prvej Nyquistovej zóny na fS/16. Tento signál má komplexný obraz na –15fS/16 v komplexnej doméne a bude alias do prvej Nyquistovej zóny v komplexnej doméne na –fS/16. Tieto príklady možno opäť rozšíriť na prípady, keď sú povolené HB3 a HB4. Tieto nie sú uvedené v tomto článku, ale možno ich ľahko extrapolovať na základe odozvy HB1 + HB2 znázornenej na obrázku 7. Obrázok 7. Efektívna odozva filtra HB1 + HB2 vďaka aliasingu ADC (miera decimácie = 4) – komplexná. Niektoré otázky, ktoré vám napadnú pri pohľade na všetky tieto odpovede decimačného filtra, môžu byť: „Prečo decimujeme?“ a "Akú výhodu to ponúka?" Rôzne aplikácie majú rôzne požiadavky, ktoré môžu ťažiť z decimácie výstupných údajov ADC. Jednou z motivácií je získať pomer signálu k šumu (SNR) v úzkom frekvenčnom pásme, ktoré sa nachádza vo frekvenčnom pásme RF. Ďalším dôvodom je menšia šírka pásma na spracovanie, čo vedie k nižším rýchlostiam výstupných pruhov na rozhraní JESD204B. To môže umožniť použitie lacnejšieho FPGA. Použitím všetkých štyroch decimačných filtrov môže DDC realizovať zisk spracovania a zlepšiť SNR až o 10 dB. V tabuľke 1 môžeme vidieť dostupnú šírku pásma, decimačný pomer, výstupnú vzorkovaciu frekvenciu a ideálne zlepšenie SNR, ktoré ponúkajú rôzne výbery decimačných filtrov pri prevádzke DDC v reálnych a komplexných režimoch. Tabuľka 1. Charakteristika filtra DDC pre AD9680 Výber decimačného filtra Komplexný výstup Skutočný výstup Alias ​​Chránená šírka pásma Ideálne SNR Zlepšenie Decimačný pomer Výstupná vzorkovacia frekvencia Decimačný pomer Výstupná vzorkovacia frekvencia HB1 2 0.5 × fS 1 fS 0.385 × fS 1 HB1 + HB2 fS 4 0.25 × fS 2 HB0.5 + HB0.1925 + HB4 1 2 × fS 3 8 × fS 0.125 × fS 4 HB0.25 + HB0.09625 + HB7 + HB1 2 3 × fS 4 16 × fS 0.0625 × fS 8 Táto diskusia o prevádzke DDC priniesla dobré výsledky nahliadnutie do skutočných aj zložitých režimov fungovania decimačných filtrov v AD0.125. Využitie decimačného filtrovania ponúka niekoľko výhod. DDC môže pracovať v reálnom alebo komplexnom režime a umožňuje užívateľovi používať rôzne topológie prijímačov v závislosti od potrieb konkrétnej aplikácie. To sa teraz dá spojiť s tým, čo bolo diskutované v časti 1, a pomôcť pozrieť sa na skutočný príklad s AD9680. Tento príklad spojí namerané údaje so simulovanými údajmi z Virtual Eval™, aby bolo možné výsledky porovnať. V tomto príklade sa použijú rovnaké podmienky, aké boli použité v časti 1. Vstupná vzorkovacia frekvencia je 491.52 MSPS a vstupná frekvencia je 150.1 MHz. Frekvencia NCO je 155 MHz a miera decimácie je nastavená na štyri (kvôli rozlíšeniu NCO je skutočná frekvencia NCO 154.94 MHz). Výsledkom je výstupná vzorkovacia frekvencia 122.88 MSPS. Pretože DDC vykonáva komplexné miešanie, komplexná frekvenčná doména je zahrnutá do analýzy. Všimnite si, že odpovede decimačného filtra boli pridané a na obrázku 8 sú zobrazené tmavofialovou farbou. Obrázok 8. Signály pri prechode cez blok spracovania signálu DDC – zobrazené decimačné filtrovanie. Spektrum po NCO posune: Základná frekvencia sa posunie z +150.1 MHz nadol na –4.94 MHz. Základný obraz sa posunie z –150.1 MHz a zabalí sa do +186.48 MHz. 2. harmonická sa posúva z 191.32 MHz nadol na 36.38 MHz. 3. harmonická sa posúva z +41.22 MHz dole na –113.72 MHz. Spektrum po zdecimovaní o 2: Základná frekvencia zostáva na –4.94 MHz. Obraz základu sa prevádza až na –59.28 MHz a je zoslabený decimačným filtrom HB2. 2. harmonická zostáva na 36.38 MHz. 3. harmonická je zoslabená decimačným filtrom HB2. Spektrum po zdecimovaní o 4: Základná hodnota zostáva na –4.94 MHz. Obraz základu zostáva na –59.28 MHz a je zoslabený decimačným filtrom HB1. 2. harmonická zostáva na –36.38 MHz a je zoslabená decimačným filtrom HB1. 3. harmonická je filtrovaná a prakticky eliminovaná decimačným filtrom HB1. Aktuálne meranie na AD9680-500 je znázornené na obrázku 9. Základná frekvencia 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. 2. harmonická sa nachádza na frekvencii 36.38 MHz a bola zoslabená približne o 10 dB až 15 dB. 3. harmonická bola dostatočne odfiltrovaná, aby pri meraní nestúpla nad hranicu šumu. Obrázok 9. Komplexný FFT výstup signálu po DDC s NCO = 155 MHz a zdecimovaný o 4. Teraz je možné pomocou Virtual Eval vidieť, ako sa simulované výsledky porovnávajú s nameranými výsledkami. Ak chcete začať, otvorte nástroj z webovej lokality a vyberte ADC, ktorý chcete simulovať (pozri obrázok 10). Nástroj Virtual Eval je na webovej stránke Analog Devices na adrese Virtual Eval. Model AD9680, ktorý sa nachádza vo Virtual Eval, obsahuje novú vyvíjanú funkciu, ktorá umožňuje používateľovi simulovať rôzne stupne rýchlosti ADC. Táto funkcia je kľúčom k príkladu, pretože príklad využíva AD9680-500. Po načítaní Virtual Eval je prvou výzvou vybrať kategóriu produktu a produkt. Všimnite si, že Virtual Eval nepokrýva len vysokorýchlostné ADC, ale má aj kategórie produktov pre presné ADC, vysokorýchlostné DAC a integrované/špeciálne prevodníky. Obrázok 10. Kategória produktov a výber produktov vo Virtual Eval. Vyberte AD9680 z ponuky produktov. Tým sa otvorí hlavná stránka pre simuláciu AD9680. Model Virtual Eval pre AD9680 obsahuje aj blokovú schému, ktorá poskytuje podrobnosti o vnútornej konfigurácii analógových a digitálnych funkcií ADC. Tento blokový diagram je rovnaký ako diagram uvedený v dátovom liste pre AD9680. Na tejto stránke vyberte požadovaný stupeň rýchlosti z rozbaľovacej ponuky na ľavej strane stránky. Ako príklad tu vyberte rýchlostný stupeň 500 MHz, ako je znázornené na obrázku 11. Obrázok 11. Výber rýchlostného stupňa AD9680 a bloková schéma vo Virtual Eval. Ďalej je potrebné nastaviť vstupné podmienky, aby bolo možné vykonať simuláciu FFT (pozri obrázok 12). Pripomeňme si, že skúšobné podmienky pre príklad zahŕňajú frekvenciu hodín 491.52 MHz a vstupnú frekvenciu 150 MHz. DDC je povolený s frekvenciou poddôstojníka nastavenou na 155 MHz, vstup ADC je nastavený na reálny, prevod komplexného na skutočný (C2R) je deaktivovaný, rýchlosť decimovania DDC je nastavená na štyri a zisk 6 dB v DDC je Povolené. To znamená, že DDC je nastavený na skutočný vstupný signál a komplexný výstupný signál s decimačným pomerom štyri. Zosilnenie 6 dB v DDC je povolené, aby sa kompenzovala strata 6 dB spôsobená procesom miešania v DDC. Virtual Eval bude súčasne zobrazovať iba výsledky šumu alebo skreslenia, takže sú zahrnuté dva grafy, kde jeden zobrazuje výsledky šumu (obrázok 12) a druhý zobrazuje výsledky skreslenia (obrázok 13). Obrázok 12. Simulácia FFT AD9680 vo Virtual Eval - výsledky šumu. Obrázok 13. AD9680 FFT simulácia vo Virtual Eval – výsledky skreslenia. Existuje mnoho výkonnostných parametrov, ktoré sú označené vo Virtual Eval. Nástroj poskytuje harmonické polohy, ako aj polohu základného obrazu, čo môže byť veľmi užitočné pri plánovaní frekvencie. To môže pomôcť uľahčiť plánovanie frekvencie tým, že používateľovi umožníte vidieť, či sa základný obraz alebo akékoľvek harmonické tóny zobrazujú v požadovanom výstupnom spektre. Simulácia vo Virtual Eval dáva hodnotu SNR 71.953 dBFS a SFDR 69.165 dBc. Na chvíľu však zvážte, že základný obraz by sa zvyčajne nenachádzal vo výstupnom spektre, a ak odstránime túto ostrohu, potom je SFDR 89.978 dB (čo je 88.978 dBc, keď sa odkazuje na vstupný výkon –1 dBFS). Obrázok 14. Výsledok merania AD9680 FFT. Simulátor Virtual Eval nezahŕňa základný obraz pri výpočte SNR. Uistite sa, že ste upravili nastavenia v programe VisualAnalog™ tak, aby sa pri meraní ignoroval základný obraz, aby sa dosiahol správny SNR. Cieľom je frekvenčný plán, kde základný obraz nie je v požadovanom pásme. Nameraný výsledok pre SNR je 71.602 dBFS, čo je dosť blízko k simulovanému výsledku 71.953 dBFS vo Virtual Eval. Rovnako aj nameraná hodnota SFDR je 91.831 dBc, čo je veľmi blízko k simulovanému výsledku 88.978 dBc. Virtual Eval odvádza neuveriteľnú prácu pri presnom predpovedaní správania hardvéru. Správanie zariadenia možno predvídať z pohodlia pekného kresla s dobrou horúcou šálkou kávy alebo čaju. Zvlášť v prípade ADC s DDC, ako je AD9680, je Virtual Eval schopný simulovať výkon ADC vrátane obrazov a harmonických natoľko, že užívateľ môže frekvenčne plánovať a udržiavať tieto nežiaduce signály mimo pásma, kde je to možné. Keďže agregácia nosičov a priame vzorkovanie RF neustále rastie na popularite, mať nástroj v skrinke nástrojov, ako je Virtual Eval, je celkom praktický. Schopnosť presne predpovedať výkon ADC a plán frekvencie pomáha návrhárom systémov správne naplánovať návrh frekvencie v aplikáciách, ako sú komunikačné systémy, ako aj vojenské/letecké radarové systémy a mnoho ďalších typov aplikácií. Chcel by som vás povzbudiť, aby ste využili funkcie digitálneho spracovania signálu v ADC najnovšej generácie od Analog Devices.

Zanechajte správu 

zoznam správ