Что происходит с цифровыми понижающими преобразователями
Радиоресурсы могут содержать больше стадий понижающего преобразования, чем когда-либо. Вот несколько советов, чтобы идти в ногу.
Многие современные радиоархитекторы содержат этапы понижающего преобразования, которые переводят частотную полосу радиочастотной или микроволновой связи на промежуточную частоту для обработки основной полосы. Независимо от конечного применения, будь то связь, аэрокосмическая и оборонная аппаратура, или измерительные приборы, интересующие частоты продвигаются в радиочастотный и микроволновый спектры. Одним из возможных решений этого сценария является использование все большего числа ступеней понижающего преобразования, например, то, что показано на рисунке 1. Однако еще одним более эффективным решением является использование ВЧ-АЦП со встроенным цифровым преобразователем понижения частоты (DDC), как показано на рисунке 2,
Интеграция функциональных возможностей DDC с ВЧ-АЦП устраняет необходимость в дополнительных аналоговых ступенях понижающего преобразования и позволяет прямому преобразованию спектра в частотной области радиочастоты в базовую полосу для обработки. Способность RF ADC обрабатывать спектр в частотной области гигагерца уменьшает необходимость выполнения потенциально множественных преобразований с понижением частоты в аналоговой области. Способность DDC обеспечивает гибкость спектра, а также фильтрацию через фильтрацию прореживания, что также дает преимущество в улучшении динамического диапазона в диапазоне (увеличение SNR). Дополнительную дискуссию по этой теме можно найти здесь, «Не ADC вашего деда» (PDF), и здесь «Gigasample ADCs Promise Direct RF Conversion». В этих статьях содержится дополнительная информация о AD9680 и AD9625 и их функциональных возможностях DDC.
Image
Рисунок 2. Цепочка сигнала приемника с использованием RF ADC с DDC
Основное внимание здесь уделяется функциональности DDC, которая существует в AD9680 (а также AD9690, AD9691 и AD9684). Чтобы понять функциональность DDC и как анализировать выходной спектр, когда DDC используется с АЦП, мы рассмотрим пример с AD9680-500. В качестве помощи будет использоваться инструмент сгибания частоты на веб-сайте Analog Devices. Этот простой, но мощный инструмент может использоваться для понимания эффектов сглаживания АЦП, что является первым шагом в анализе выходного спектра в АЦП с интегрированными DDC, такими как AD9680.
В этом примере AD9680-500 работает с тактовой частотой входного сигнала 368, 64 МГц и аналоговой входной частотой 270 МГц. Во-первых, важно понять настройку цифровых блоков обработки в AD9680. AD9680 будет настроен на использование цифрового понижающего преобразователя (DDC), где вход велик, выход сложный, частота настройки генератора с цифровым управлением (NCO) установлена на 98 МГц, включен полуполосный фильтр 1 (HB1) и усиление 6 дБ. Поскольку выход является сложным, комплексный блок реального преобразования отключается. Ниже приведена базовая диаграмма для DDC. Чтобы понять, как обрабатываются входные тоны, важно понять, что сигнал сначала проходит через NCO, который сдвигает входные тоны по частоте, затем проходит через прореживание, опционально через блок усиления, а затем, необязательно, через комплекс к реальному преобразованию.
Image
Рисунок 3. Блоки обработки сигналов DDC в AD9680
Важно понимать макросъемку потока сигналов через AD9680. Сигнал поступает через аналоговые входы, проходит через ядро АЦП, в DDC через сериализатор JESD204B, а затем выходит через последовательные выходные линии JESD204B. Это иллюстрируется блок-схемой AD9680, показанной на рисунке 4.
Image
Рисунок 4. Блок-схема AD9680
При тактовой частоте входного сигнала 368, 64 МГц и аналоговой входной частоте 270 МГц входной сигнал будет входить в первую зону Найквиста на частоте 98, 64 МГц. Вторая гармоника входной частоты будет входить в первую зону Найквиста на 171, 36 МГц, в то время как третьи гармоники - до 72, 72 МГц. Это проиллюстрировано графиком инструмента сгибания частоты на рисунке 5.
На рис. 5 приведена диаграмма состояния частотного сгибания, показывающая состояние сигнала на выходе ядра АЦП до его прохождения через DDC в AD9680. Первым блоком обработки, который проходит сигнал в AD9680, является NCO, который сдвинет спектр влево в частотной области на 98 МГц (вспомните, что частота настройки составляет 98 МГц). Это сдвинет аналоговый вход с 98, 64 МГц до 0, 64 МГц, вторая гармоника сдвинется на уровень до 73, 36 МГц, а третья - с частотой до -25, 28 МГц (вспомним, что мы рассматриваем сложный вывод). Это показано на графике FFT из Visual Analog на рисунке 6 ниже.
Image
Рисунок 6. Выход FFT-комплекса после DDC с NCO = 98 МГц и decimate на 2
На графике FFT на рисунке 6 мы ясно видим, как NCO сдвинул частоты, которые мы наблюдали в инструменте сгибания частоты. Интересно то, что мы видим необъяснимый тон в БПФ. Однако, этот тон действительно необъяснен? НКО не субъективен и сдвигает все частоты. В этом случае он сдвинул псевдоним основного входного тона 98 МГц до 0, 64 МГц и сдвинул вторую гармонику на 73, 36 МГц, а третья - на -25, 28 МГц. Кроме того, еще один тон был сдвинут также и появился на частоте 86, 32 МГц. Откуда этот тон действительно исходил? Была ли обработка сигнала DDC или ADC каким-то образом создала этот тон? Ну, ответ - нет … и да.
Давайте посмотрим на этот сценарий немного ближе. Средство частотной сгибания не включает смещение постоянного тока АЦП. Это смещение постоянного тока приводит к тону, присутствующему при постоянном токе (или 0 Гц). Инструмент для сгибания частоты предполагает идеальный АЦП, который не имеет смещения постоянного тока. На фактическом выходе AD9680 сигнал смещения постоянного тока при 0 Гц сдвигается с частотой до -98 МГц. Благодаря сложному перемешиванию и прореживанию этот смещенный тон DC смещается назад в первую зону Найквиста в реальной частотной области. Рассматривая сложный входной сигнал, когда тон смещается во вторую зону Найквиста в области отрицательной частоты, он будет обертываться обратно в первую зону Найквиста в реальной частотной области. Поскольку у нас есть прореживание с частотой децимации, равной двум, наша уничтоженная зона Найквиста 92, 16 МГц в ширину (напомним: fs = 368, 64 МГц, а частота дискретизированного отсчета составляет 184, 32 МГц, которая имеет зону Найквиста 92, 16 МГц). Ток смещения постоянного тока сдвинут на -98 МГц, что составляет 5, 84 МГц, дельта от границы разреженной зоны Найквиста на частоте 92, 16 МГц. Когда этот тон сбрасывается назад в первую зону Найквиста, он заканчивается с тем же смещением от границы зоны Найквиста в реальной частотной области, которая составляет 92, 16 МГц - 5, 84 МГц = 86, 32 МГц. Именно здесь мы видим тон на графике FFT выше! Так технически, АЦП производит сигнал (поскольку это смещение постоянного тока), а DDC перемещает его немного. Именно здесь происходит хорошее планирование частоты. Правильное планирование частоты может помочь избежать ситуаций, подобных этому.
Теперь, когда мы рассмотрели пример использования NCO и фильтра HB1 со скоростью децимации, равной двум, давайте добавим немного больше к примеру. Теперь мы увеличим скорость прореживания в DDC, чтобы увидеть эффекты сгибания частоты и перевода, когда используется более высокая скорость децимации наряду с настройкой частоты с NCO.
В этом примере мы рассмотрим AD9680-500, работающий с тактовой частотой 491, 52 МГц и аналоговой входной частотой 150, 1 МГц. AD9680 будет настроен на использование цифрового понижающего преобразователя (DDC) с реальным входом, сложным выходом, частотой настройки NCO 155 МГц, полуполосным фильтром 1 (HB1) и полуполосным фильтром 2 (HB2) включен (всего скорость децимации равна четырем) и 6 дБ. Поскольку выход является сложным, комплексный блок реального преобразования отключается. На рис. 3 приведена основная диаграмма для DDC, которая передает сигнал через DDC. И снова сигнал сначала проходит через NCO, который сдвигает входные сигналы по частоте, а затем проходит через прореживание через блок усиления и, в нашем случае, обходит комплексное преобразование.
Еще раз мы будем использовать инструмент «Сфокусировка по частоте», чтобы помочь понять эффекты сглаживания АЦП, чтобы оценить, где аналоговая входная частота и ее гармоники будут расположены в частотной области. В этом примере у нас есть реальный сигнал, частота дискретизации 491, 52 MSPS, скорость децимации равна четырем, а выход является сложным. На выходе АЦП сигнал появляется, как показано ниже на рисунке 7, с помощью инструмента сгибания частоты.
При тактовой частоте входного сигнала 491, 52 МГц и аналоговой входной частоте 150, 1 МГц входной сигнал будет находиться в первой зоне Найквиста. Вторая гармоника входной частоты на частоте 300, 2 МГц будет входить в первую зону Найквиста на частоте 191, 32 МГц, а третья гармоника на псевдонимах 450, 3 МГц - в первую зону Найквиста на частоте 41, 22 МГц. Это состояние сигнала на выходе АЦП, прежде чем оно пройдет через DDC.
Теперь давайте посмотрим, как сигнал проходит через цифровые блоки обработки внутри DDC. Мы будем смотреть на сигнал, проходящий через каждый этап, и наблюдать, как НКО сдвигает сигнал, а процесс прореживания впоследствии сбрасывает сигнал. Мы будем поддерживать график с учетом входной частоты дискретизации, 491, 52 MSPS, и сроки будут относиться к этой частоте дискретизации. Давайте рассмотрим общий процесс, как показано на рисунке 8. НКО сдвинет входные сигналы влево. Как только сигнал в области сложной (отрицательной частоты) смещается за пределы -f s / 2, он будет складываться назад в первую зону Найквиста. Затем сигнал проходит через первый фильтр прореживания HB1, который децимается на два. На рисунке я показываю процесс прореживания без отображения фильтра, даже если операции происходят вместе. Это для простоты. После первого прореживания в два раза спектр от f s / 4 до fs / 2 переводится в частоты между -f s / 4 и dc. Аналогично, спектр от -f s / 2 до -f s / 4 переводится в частоты между dc и fs / 4. Сигнал теперь проходит через второй фильтр прореживания HB2, который также децимается на два (теперь полное прореживание равно четырем). Спектр между f s / 8 и f s / 4 теперь будет переводиться на частоты между -f s / 8 и dc. Аналогично, спектр между -f s / 4 и -f s / 8 будет переводить на частоты между dc и f s / 8. Хотя прореживание указано на рисунке, операция фильтрации прореживания не показана.
Image
Рисунок 8. Эффекты фильтров прореживания на примере спектра спектра ADC
Вспомните пример, рассмотренный ранее с частотой входных выборок 491, 52 MSPS и входной частотой 150, 1 МГц. Частота НКО составляет 155 МГц, а скорость прореживания равна четырем (из-за разрешения НКО фактическая частота НКО составляет 154, 94 МГц). Это приводит к выходной частоте дискретизации 122, 88 MSPS. Поскольку AD9680 настроен для сложного микширования, нам нужно будет включить в наш анализ сложную частотную область. На рис. 9 показано, что частотные сдвиги довольно заняты, но при тщательном изучении мы можем пробиваться через поток сигналов.
Image
Рисунок 9. Эффекты фильтров прореживания на примере выходного спектра АЦП
Спектр после смены НКО:
Основная частота сдвигается с +150, 1 МГц до -4, 94 МГц.
Изображение фундаментальных сдвигов от -150, 1 МГц и обтекание до 186, 48 МГц.
Вторая гармоника сдвигается с 191, 32 МГц до 36, 38 МГц.
Третья гармоника сдвигается с +41, 22 МГц до -113, 72 МГц.
Спектр после децимации на 2:
Основная частота остается на -4, 94 МГц.
Образ фундаментального преобразуется до -59, 28 МГц и ослабляется фильтром прореживания HB1.
Вторая гармоника остается на частоте 36, 38 МГц.
Третья гармоника значительно ослаблена фильтром прореживания HB1.
Спектр после децимации на 4:
Основное значение составляет -4, 94 МГц.
Изображение фундаментального остается на -59, 28 МГц.
Вторая гармоника остается на -36, 38 МГц.
Третья гармоника фильтруется и практически исключается фильтром прореживания HB2.
Теперь давайте посмотрим на фактическое измерение на AD9680-500. Мы видим, что основное значение находится на уровне -4, 94 МГц. Изображение фундамента находится на уровне -59, 28 МГц с амплитудой -67, 122 дБФ, что означает, что изображение было ослаблено примерно на 66 дБ. Вторая гармоника находится на частоте 36, 38 МГц. Обратите внимание, что VisualAnalog неправильно находит гармонические частоты, так как не интерпретирует частоту NCO и скорости прореживания.
Image
Рисунок 10. Комплексный выходной сигнал FFT сигнала после DDC с NCO = 155 МГц и decimate на 4
Из FFT мы можем видеть выходной спектр AD9680-500 с настройкой DDC для реального входа и сложного выхода с частотой NCO 155 МГц (фактическая 154, 94 МГц) и скоростью прореживания, равной четырем. Я призываю вас пройти через диаграмму потока сигналов, чтобы понять, как спектр смещается и переводится. Я также рекомендовал бы вам подробно ознакомиться с примерами, приведенными в этой статье, чтобы понять влияние DDC на выходной спектр ADC. Я рекомендую распечатать рисунок 8 и держать его удобным для справки при анализе выходного спектра AD9680, AD9690, AD9691 и AD9684. Поддерживая эти продукты, у меня было много вопросов, связанных с частотами, которые находятся в спектре выходных сигналов АЦП, которые считаются необъяснимыми. Однако, как только анализ проводится, и поток сигнала анализируется через NCO и фильтры прореживания, становится очевидным, что то, что вначале считалось необъяснимыми шпорами в спектре, на самом деле представляет собой только сигналы, которые находятся именно там, где они должны быть. Я надеюсь, что после прочтения и изучения этой статьи вы будете лучше подготовлены к решению вопросов в следующий раз, когда будете работать с АЦП с интегрированными DDC. Следите за частью второй, где мы продолжим рассматривать дополнительные аспекты работы DDC, а также то, как мы можем имитировать ее поведение. Мы рассмотрим ответы фильтра децимации из-за сглаживания АЦП, будет предоставлено больше примеров, а Virtual Eval будет использоваться для наблюдения работы DDC в AD9680 и его влияния на выходной спектр АЦП.
Дальнейшее чтение
Эта статья была первоначально опубликована в Analog Dialogue. Посетите их веб-сайт, чтобы просмотреть дополнительные технические статьи.
Что происходит с цифровыми понижающими преобразователями - часть 2
Отраслевые статьи - это форма контента, которая позволяет отраслевым партнерам делиться полезными новостями, сообщениями и технологиями с читателями All About Circuits таким образом, что редакционный контент не очень подходит. Все отраслевые статьи подчиняются строгим редакционным правилам с целью предоставления читателям полезных новостей, технических знаний или историй. Точки зрения и мнения, выраженные в отраслевых статьях, являются точками партнера, а не обязательно для All About Circuits или его авторов.
