Как следует моделировать преобразователи данных для моделирования системы?

Эта статья запускает серию статей, посвященных вопросу о том, как моделировать преобразователи данных для моделирования системы.

Инженеры часто задаются вопросом. Работая над различными проектами с жесткими графиками проектирования, они часто задаются вопросом, на какие вопросы они хотели бы найти ответы, но у них нет времени. Они все еще задаются вопросом.

В ходе своей инженерной работы ваш автор задавался вопросом о различных вопросах, касающихся передачи данных в аналоговый радиочастотный сигнал и цифровые сигналы I и Q и обратно. Недавно у него было время найти ответы на некоторые из этих вопросов, и он сделал все, что смог, доступными в технических статьях. В одной из таких предыдущих статей был рассмотрен вопрос «Следует ли выполнять объединение и разделение I и Q в цифровом или аналоговом виде?» а в другом предложены «Требования к хорошей производительности канала связи».

На рисунке 1 из той исходной статьи показан вариант прямого цифро-аналогового преобразования RF и прямого аналого-цифрового преобразования RF. (Обратите внимание, что цифро-аналоговые преобразователи {ЦАП} и аналого-цифровые преобразователи {АЦП} вместе называются «преобразователями данных».)

Рисунок 1 (а). Модулятор

Рисунок 1 (b). Демодулятор

В этой статье ваш автор задался вопросом:каковы требования к качеству ЦАП и АЦП на рисунке 1 для обеспечения хорошей производительности канала связи? По этому вопросу, похоже, не так много публикаций.

Это заставило его задуматься:если бы он смоделировал преобразователь данных в линии связи, как бы его смоделировать?

Для моделирования коэффициента битовых ошибок (BER) количество обнаруженных битовых ошибок делится на общее количество битов для вычисления BER. Для получения статистически значимых результатов должно быть подсчитано от нескольких сотен до тысячи ошибок. Даже для довольно высокого BER 10-4; для подсчета 500 ошибок требуется 5 миллионов бит. Для того, чтобы моделирование было запущено в разумно короткие сроки, необходимо найти довольно простую модель, адекватно отражающую все соответствующие характеристики преобразователя данных.

В этой статье описывается найденная им информация. Было полезно разделить обсуждение на АЦП и ЦАП. Примечание добавлено в версии .02; Преобразователи данных сигма-дельта-типа в этой статье не рассматриваются.

Модели для аналого-цифровых преобразователей (АЦП)

В приведенных ниже ссылках с [4] по [18] обсуждаются анализ, модели, моделирование, тестирование и спецификации для АЦП. В частности, [13], [14], [16] и [17] представляют модели, которые моделируют некоторые аспекты производительности АЦП. Как инженер, ваш автор задавался вопросом, возможна ли более простая и понятная модель.

На рисунке 2 показано квантование 5-разрядного АЦП. Всего 2 ⁵ =32 уровня. Поскольку входной сигнал может быть как положительным, так и отрицательным, это называется биполярным входным АЦП. Один из аспектов, о котором задумался ваш автор, - это разница между дБ относительно полной шкалы (FS) между пиковым и средним сигналом.

Рисунок 2

Пиковое напряжение сигнала на Рисунке 2 находится в диапазоне от +0,9375 В (FS +) до -1 В (FS-); что в хорошем приближении составляет ± 1 Вольт.

ВЧ инженеры привыкли иметь дело со среднеквадратичными значениями сигнала. Среднеквадратичное значение синусоиды составляет 0,707 В, - 3 дБ относительно полной шкалы. Поскольку в прошлом это приводило вашего автора в замешательство, он решил определить единицы измерения dBpeakFS (дБ пика напряжения сигнала относительно полной шкалы) и dBrmsFS (дБ среднеквадратичного значения сигнала относительно полной шкалы).

Другая проблема касается пропускной способности выхода АЦП, которая кого-то беспокоит. Что касается ранних аудиоприложений АЦП, обычно люди беспокоились о полной пропускной способности Найквиста.

Однако для прямой РЧ-выборки, такой как показано на рисунке 1 (b), беспокойство вызывает только часть полосы Найквиста, занятая сигналом, плюс небольшая часть защитных полос. Это побудило вашего автора определить «интересную полосу пропускания», как показано на рисунке 3.

«Интересная полоса пропускания» - это полоса пропускания, которая обрабатывается посредством цифровой обработки сигналов (DSP). Обычно это ширина полосы полезного сигнала или немного шире.

Рисунок 3

Обратите внимание на рис. 3, что, хотя ширина полосы сигнала и «интересная» полосы показаны одинаковыми, центральные частоты этих двух частот не совпадают. Это может быть связано с полосовой дискретизацией, описанной в нашей первой статье, где тактовая частота АЦП действует как гетеродин микшера. Частота тактовых импульсов АЦП обозначим fS. Частота Найквиста =F _{Найквист} =f _S / ₂ .

Выбор входного сигнала для реализации модели

Чтобы характеризовать АЦП для создания хорошей модели, необходимо определить полезный входной сигнал. Большинство спецификаций АЦП создаются с использованием одного входного синусоидального сигнала. Однако, поскольку у него полоса пропускания 0 Гц и нет изменений огибающей, это не выглядело как очень хороший сигнал. Двухтональный вход, показанный на рисунке 4, имеет полосу пропускания более 0 Гц и имеет вариацию амплитуды. Его легко сгенерировать на испытательном стенде, используя два высококачественных источника сигнала и правильное сложение мощности. Кроме того, в большинстве технических данных содержится некоторая информация о характеристиках устройства с двухтональным входом.

Рисунок 4.

Двухтональный тестовый сигнал также был предложен в [4] и [12]. Другие предложенные тестовые сигналы включают гауссовский вход с произвольной формой спектра [17] и сигналы AM или FM [5]. Как правило, для этого требуются менее распространенные генераторы сигналов, и они обычно не отображаются в таблицах данных в качестве входных данных для тестов.

<час />

В следующей статье мы обсудим модель АЦП с использованием эффективного числа битов (ENOB).

Для остальной части этой серии, пожалуйста, обратитесь к следующей таблице сокращений, глоссариям и ссылкам.

Используемые сокращения

Глоссарии

Мансон, Джастин; «Понимание тестирования и оценки высокоскоростного ЦАП»; Замечания по применению Analog Devices AN-928; 2013

Арантс, Алекс; Браннон, Брэд; И Ридер, Роб; «Общие сведения о тестировании и оценке высокоскоростных АЦП»; Примечание по применению AN-835 компании Analog Devices; 2010 г.

Бейкер, Бонни; «Глоссарий аналого-цифровых спецификаций и характеристик производительности»; Отчет по применению Texas Instruments SBAA147B; 2011

Малоберт, Франко; Преобразователи данных; Издательство Springer; Глава 2:«Технические характеристики преобразователя данных»; и 9:«Тестирование цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей»

Мидерризи, я; Зеки, А., «Цифро-аналоговые преобразователи с управлением током:функциональные характеристики, основы проектирования и поведенческое моделирование», журнал «Антенны и распространение», IEEE, том 52, № 4, стр. 197 208, август 2010 г .; Раздел 3. «Функциональные характеристики для определения характеристик ЦАП»

Ссылки

Общая информация

[1] Бродский, Уэсли; «Следует ли выполнять объединение и разделение I и Q в цифровом или аналоговом виде?»; Официальный документ WesBrodsky Wireless Communication:WBWC.01; 2014

[2] Малоберти, Франко; Преобразователи данных; Издательство Springer; 2007

[3] VanTrees, Гарри Л.; Теория обнаружения, оценки и модуляции, Часть III, Обработка сигналов радара / сонара и гауссовские сигналы в шуме; Джон Уайли и сыновья; 1971. Приложение:«Комплексное представление полосовых сигналов, систем и процессов»

Анализ АЦП, модели, моделирование, тестирование и технические характеристики

[4] Сокджин Ким; Elkis, R .; Пекерар, Мартин, «Проверочные испытания устройств высокоскоростных аналого-цифровых преобразователей в системах спутниковой связи», «Контрольно-измерительные приборы и измерения», IEEE Transactions on, том 58, № 2, стр. 270 280, февраль 2009 г.

[5] Vedral, J .; Fexa, P .; Сватос, Дж., «Использование сигналов AM и FM для тестирования АЦП», Конференция по контрольно-измерительным приборам (I2MTC), 2010 г., IEEE, том, №, стр. 508,511, 3–6 мая 2010 г.

[6] Кестер, Уолт; «Хорошие, плохие и неприятные аспекты входного шума АЦП. Является ли шум хорошим шумом?»; Учебник Analog Devices MT-004; 2008

[7] Арантс, Алекс; Браннон, Брэд; Ридер, Роб; «Понимание тестирования и оценки высокоскоростных АЦП»; Замечания по применению Analog Devices AN-835; 2010

[8] Кестер, Уолт; «Поймите SINAD, ENOB, SNR, THD, THD + N и SFDR, чтобы не потеряться в уровне шума»; Учебное пособие по аналоговым устройствам MT-003; 2008

[9] Shinagawa, M .; Акадзава, Юкио; Вакимото, Цутому, "Анализ джиттера высокоскоростных систем выборки", Solid-State Circuits, IEEE Journal of, vol.25, No. 1, pp. 220 224, февраль 1990 г.

[10] Hummels, D.M .; Айронс, F.H .; Cook, R .; Папантонопулос, I, "Определение характеристик АЦП с использованием неитеративной процедуры", Circuits and Systems, 1994. ISCAS '94., 1994 IEEE International Symposium on, vol.2, no., Pp.5,8 vol.2, 30 Май - 2 июня 1994 г.

[11] de Mateo Garcia, J.C .; Армада, А.Г., «Влияние полосовой сигма-дельта-модуляции на сигналы OFDM», Consumer Electronics, IEEE Transactions on, том 45, № 2, стр. 318 326, май 1999 г.

[12] Абуэльмаатти, Мухаммад Тахер, «Влияние немонотонности на интермодуляционные характеристики аналого-цифровых преобразователей», «Связь, транзакции IEEE, том 33, № 8, стр. 839 843, август 1985 г.

[13] Traverso, P.A; Mirri, D .; Pasini, G .; Филикори, Ф., «Нелинейная динамическая модель устройства S / H-ADC, основанная на модифицированной серии Volterra:процедура идентификации и коммерческая реализация инструмента CAD», «Контрольно-измерительные приборы и измерения, транзакции IEEE on, том 52, № 4, стр. 1129,1135, август 2003 г.

[14] Fraz, H .; Bjorsell, N .; Kenney, J.S .; Сперлих, Р., «Прогнозирование гармонических искажений в АЦП с использованием динамической модели интегральной нелинейности», семинар по поведенческому моделированию и симуляции, 2009 г. BMAS 2009. IEEE, стр.102,107, 17-18 сентября 2009 г.

[15] Кестер, Уолт; «Коэффициент шума АЦП - часто неправильно понимаемая и неверно интерпретируемая спецификация»; Учебное пособие по аналоговым устройствам MT-006; 2014

[16] Брэннон, Брэд; МакЛауд, Том; «Как ADIsimADC моделирует АЦП»; Замечания по применению Analog Devices AN-737; 2009

[17] Дардари, Д., «Совместная характеристика эффектов клипа и квантования в приемниках OFDM», Схемы и системы I:Обычные статьи, IEEE Transactions on, том 53, № 8, стр. 1741,1748, август 2006 г.

[18] Лаврадор, Педро Мигель; de Carvalho, N.B .; Педро, Хосе Карлос, «Оценка деградации отношения сигнал / шум и искажения в нелинейных системах», Теория и методы микроволнового излучения, IEEE Transactions on, том 52, № 3, стр. 813 822, март 2004 г.

[18A] Грей, Роберт М .; «Спектры шума квантования»; Теория информации, IEEE Transactions on; Vol. 36, № 6; Ноябрь 1990 г .; страницы с 1220 по 1244.

Анализ ЦАП, модели, моделирование, испытания и спецификации

[19] Wikner, J.J .; Няньсян Тан, «Моделирование КМОП цифро-аналоговых преобразователей для электросвязи», Схемы и системы II:Аналоговая и цифровая обработка сигналов, IEEE Transactions on, том 46, № 5, стр 489 499, май 1999 г.

[20] Angrisani, L .; Д'Арко, М., «Моделирование эффектов временного джиттера в цифро-аналоговых преобразователях», «Контрольно-измерительные приборы и измерения», IEEE Transactions on, том 58, № 2, стр. 330 336, февраль 2009 г.

[21] D'Apuzzo, M .; D'Arco, M .; Ликкардо, А; Вадурси, М., «Моделирование выходных сигналов ЦАП», «Контрольно-измерительные приборы и измерения», IEEE Transactions on, том 59, № 11, стр. 2854, 2862, ноябрь 2010 г.

[22] Myderrizi, I; Зеки, А., "Цифро-аналоговые преобразователи с управлением током:функциональные спецификации, основы проектирования и поведенческое моделирование", журнал "Антенны и распространение", IEEE, том 52, № 4, стр. 197 208, август 2010 г.

[23] Сан Мин Ли; Taleie, S.M .; Saripalli, G.R .; Донгвон Сео, "Оценка утечки передачи, вызванной фазовым шумом, в ЦАП беспроводного передатчика основной полосы частот", Circuits and Systems II:Express Briefs, IEEE Transactions on, vol.59, No. 5, pp.277.281, May 2012

[24] Naoues, M .; Morche, D .; Dehos, C .; Barrak, R .; Газель, А., «Новый метод моделирования поведенческого ЦАП для спецификации системы WirelessHD», Electronics, Circuits, and Systems, 2009. ICECS 2009. 16-я Международная конференция IEEE, том, №, стр. 543 546, 13–16 декабря 2009 г.

[25] Китаек Бэ; Чанъён Шин; Пауэрс, Э.Дж., «Анализ производительности систем OFDM с выбранным отображением при наличии нелинейности», Беспроводная связь, IEEE Transactions on, том 12, №5, стр. 2314, 2322, май 2013 г.

[26] Линг, В.А., «Формирование шума квантования и искажения клиппирования в дискретных многотональных сигналах прямого обнаружения», Lightwave Technology, Journal of, том 32, № 9, стр. 1750, 1758, 1 мая 2014 г.

[27] Engel, G .; Fague, D.E .; Толедано, А., «Цифро-аналоговые преобразователи РЧ обеспечивают прямой синтез сигналов связи», журнал Communications, IEEE, том 50, № 10, стр.108,116, октябрь 2012 г.

[28] Пирсон, Крис; «Основы высокоскоростных цифро-аналоговых преобразователей»; Отчет по применению Texas Instruments SLAA523A; 2012

[29] Мансон, Джастин; «Понимание тестирования и оценки высокоскоростного ЦАП»; Замечания по применению Analog Devices AN-928; 2013