Моделирование преобразователей данных для точных системных симуляций

Моделирование преобразователей данных для точных системных симуляций

Инженеры регулярно сталкиваются с жесткими графиками проектирования, оставляющими мало времени для ответа на ключевые вопросы о производительности преобразователей данных. Эта серия отвечает на эти вопросы, начиная с базового исследования того, как моделировать аналого-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые (ЦАП) преобразователи для системного уровня симуляций.

В предыдущей работе автор исследовал, должно ли I/Q комбинирование выполняться цифрово или аналогово, и обозначил требования к надежной производительности коммуникационного канала. Текущая статья строит на этой основе, исследуя, как количественно оценить и смоделировать критические параметры ЦАП и АЦП в архитектурах прямой RF-дискретизации.

Прямая RF модуляция и демодуляция

Рисунок 1 демонстрирует две распространенные топологии: прямое RF ЦАП преобразование для модуляции и прямое RF АЦП преобразование для демодуляции. ЦАП и АЦП вместе называются преобразователями данных.

Рисунок 1(a). Модулятор

Рисунок 1(b). Демодулятор

Хотя влияние неидеальностей преобразователей данных на уровне канала хорошо документировано, конкретные требования к качеству ЦАП и АЦП в этой конфигурации остаются недостаточно изученными в литературе.

Зачем симулировать преобразователи данных?

Исследования битовых ошибок (BER) требуют статистически значимых результатов, обычно требующих несколько сотен до тысячи событий ошибки. Для целевого BER 10^-4 это переводится в 5 миллионов бит симулированных данных. Достижение такой пропускной способности требует краткой, но всесторонней модели преобразователя, захватывающей наиболее влиятельные характеристики без чрезмерных вычислительных накладных расходов.

Эта статья представляет систематический подход к моделированию, разделенный на АЦП-центричный и ЦАП-центричный разделы. Обратите внимание, что сигма-дельта преобразователи исключены в этом обсуждении.

Модели для аналого-цифровых преобразователей (АЦП)

Ключевые ссылки ([4]–[18]) покрывают анализ, моделирование и тестирование высокоскоростных АЦП. В частности, исследования такие как [13], [14], [16] и [17] вводят продвинутые модели, захватывающие нелинейное поведение. Однако многие инженеры все еще ищут более простую, более интуитивную представление, остающееся верным реальной производительности.

Рисунок 2 иллюстрирует процесс квантования 5-битного биполярного АЦП, имеющего 32 дискретных уровня выхода. Пиковое напряжение охватывает +0.9375 В до –1.0 В, примерно ±1 В. RF-инженеры обычно работают с RMS значениями; синусоида 1 В пик имеет RMS 0.707 В, что составляет –3 дБ относительно полной шкалы. Чтобы избежать путаницы, мы вводим две единицы: dB_peakFS для пиковых-полномасштабных соотношений, и dB_rmsFS для RMS-полномасштабных соотношений.

Рисунок 2.

Выбор полосы пропускания — еще один критический момент. Традиционные аудио АЦП фокусируются на полной полосе Найквиста, но прямая RF-дискретизация требует только части, занятой сигналом плюс защитные полосы. Мы определяем «интересную полосу» как область, которая будет обработана цифровым сигнальным процессором (DSP). Рисунок 3 визуализирует эту концепцию.

Рисунок 3.

На этом рисунке полоса сигнала и интересная полоса могут совпадать по ширине, но отличаться по центральной частоте из-за полосовой дискретизации, где такт АЦП (f_S) служит гетеродином микшера. Найквистовская частота f_Nyquist = f_S/2.

Выбор входного сигнала для разработки модели

Характеризация АЦП требует тестового сигнала, раскрывающего его динамическое поведение. Хотя однотональная синусоида часто встречается в даташитах, она имеет нулевую полосу пропускания и нет вариации амплитуды. Двухтональный вход, показанный на Рисунке 4, обеспечивает и полосу пропускания, и амплитудную модуляцию, делая его практичным выбором для как аппаратного тестирования, так и симуляции. Многие производители также предоставляют данные производительности для двухтонального стимула.

Рисунок 4.

Другие формы сигналов — гауссовские спектры, AM, FM — предлагались в литературе ([4], [12]). Они менее распространены в коммерческих тестовых наборах, но могут быть ценны для специализированных приложений.

---

В следующей статье этой серии мы представим модель АЦП на основе Эффективного Числа Бит (ENOB). Пока читатели могут обратиться к аббревиатурам, глоссариям и ссылкам, приведенным ниже.

Используемые аббревиатуры

Глоссарии

• Munson, Justin; "Understanding High Speed DAC Testing and Evaluation"; Analog Devices Application Note AN-928; 2013
• Arrants, Alex; Brannon, Brad; & Reeder, Rob; "Understanding High Speed ADC Testing and Evaluation"; Analog Devices Application Note AN-835; 2010
• Baker, Bonnie; "A Glossary of Analog‑to‑Digital Specifications and Performance Characteristics"; Texas Instruments Application Report SBAA147B; 2011
• Malobert, Franco; Data Converters; Springer Publishing; Chapters 2 and 9
• Myderrizi, I; Zeki, A; "Current‑Steering Digital‑to‑Analog Converters: Functional Specifications, Design Basics, and Behavioral Modeling"; IEEE Antennas and Propagation Magazine, vol.52, no.4, 2010

Ссылки

• [1] Brodsky, Wesley; "Should I and Q Combining and Separation be done Digitally or Analogly?"; WBWC.01; 2014
• [2] Maloberti, Franco; Data Converters; Springer Publishing; 2007
• [3] VanTrees, Harry L; Detection, Estimation, and Modulation Theory, Part III; 1971
• [4] Seokjin Kim; Elkis, R.; Peckerar, M.; "Device Verification Testing of High‑Speed ADCs in Satellite Communication Systems"; IEEE Trans. Instrum. Meas.; 2009
• [5] Vedral, J.; Fexa, P.; Svatos, J.; "Using AM and FM signals for ADC testing"; I2MTC 2010
• [6] Kester, Walt; "The Good, the Bad, and the Ugly Aspects of ADC Input Noise—Is No Noise Good Noise?"; Analog Devices Tutorial MT‑004; 2008
• [7] Arrants, A.; Brannon, B.; Reeder, R.; "Understanding High Speed ADC Testing and Evaluation"; Analog Devices AN‑835; 2010
• [8] Kester, Walt; "Understand SINAD, ENOB, SNR, THD, THD+N, and SFDR"; Analog Devices MT‑003; 2008
• [9] Shinagawa, M.; Akazawa, Y.; Wakimoto, S.; "Jitter analysis of high‑speed sampling systems"; IEEE J. Solid‑State Circuits; 1990
• [10] Hummels, D.M.; Irons, F.H.; Cook, R.; Papantonopoulos, I.; "Characterization of ADCs using a non‑iterative procedure"; IEEE Trans. Circuits and Systems; 1994
• [11] de Mateo Garcia, J.C.; Armada, A.G.; "Effects of bandpass sigma‑delta modulation on OFDM signals"; IEEE Trans. Consumer Electronics; 1999
• [12] Abuelma'atti, M. T.; "Effect of Nonmonotonicity on the Intermodulation Performance of A/D Converters"; IEEE Trans. Commun.; 1985
• [13] Traverso, P.A.; Mirri, D.; Pasini, G.; Filicori, F.; "A nonlinear dynamic S/H‑ADC device model based on a modified Volterra series"; IEEE Trans. Instrum. Meas.; 2003
• [14] Fraz, H.; Bjorsell, N.; Kenney, J.S.; Sperlich, R.; "Prediction of Harmonic Distortion in ADCs using dynamic Integral Non‑Linearity model"; BMAS 2009
• [15] Kester, Walt; "ADC Noise Figure—An Often Misunderstood and Misinterpreted Specification"; Analog Devices MT‑006; 2014
• [16] Brannon, B.; MacLeod, T.; "How ADIsimADC Models an ADC"; Analog Devices AN‑737; 2009
• [17] Dardari, D.; "Joint clip and quantization effects characterization in OFDM receivers"; IEEE Trans. Circuits and Systems I; 2006
• [18] Lavrador, P.M.; de Carvalho, N.B.; Pedro, J.C.; "Evaluation of signal‑to‑noise and distortion ratio degradation in nonlinear systems"; IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques; 2004
• [18A] Gray, R.M.; "Quantization Noise Spectra"; IEEE Trans. Information Theory; 1990
• [19] Wikner, J.J.; Tan, N.; "Modeling of CMOS digital‑to‑analog converters for telecommunication"; IEEE Trans. Circuits and Systems II; 1999
• [20] Angrisani, L.; D'Arcò, M.; "Modeling Timing Jitter Effects in DACs"; IEEE Trans. Instrum. Meas.; 2009
• [21] D'Apuzzo, M.; D'Arcò, M.; Liccardo, A.; Vadursi, M.; "Modeling DAC Output Waveforms"; IEEE Trans. Instrum. Meas.; 2010
• [22] Myderrizi, I.; Zeki, A.; "Current‑Steering DACs: Functional Specifications, Design Basics, and Behavioral Modeling"; IEEE Antennas and Propagation Magazine; 2010
• [23] Lee, S.M.; Taleie, S.M.; Saripalli, G.R.; Seo, D.; "Clock‑Phase‑Noise‑Induced TX Leakage Estimation of a Baseband Wireless Transmitter DAC"; IEEE Trans. Circuits and Systems II; 2012
• [24] Naoues, M.; Morche, D.; Dehos, C.; Barrak, R.; Ghazel, A.; "Novel behavioral DAC modeling technique for WirelessHD system specification"; ICECS 2009
• [25] Bae, K.; Shin, C.; Powers, E.J.; "Performance Analysis of OFDM Systems with Selected Mapping in the Presence of Nonlinearity"; IEEE Trans. Wireless Communications; 2013
• [26] Ling, W.A.; "Shaping Quantization Noise and Clipping Distortion in Direct‑Detection Discrete Multitone"; Lightwave Technology; 2014
• [27] Engel, G.; Fague, D.E.; Toledano, A.; "RF digital‑to‑analog converters enable direct synthesis of communications signals"; IEEE Commun. Mag.; 2012
• [28] Pearson, C.; "High Speed, Digital to Analog Converters Basics"; Texas Instruments SLAA523A; 2012
• [29] Munson, J.; "Understanding High Speed DAC Testing and Evaluation"; Analog Devices AN‑928; 2013