Mi a helyzet a digitális downconverterekkel - 1. rész

Számos jelenlegi rádiós architektúra tartalmaz lekonverziós fokozatokat, amelyek az RF vagy mikrohullámú frekvenciasávot egy köztes frekvenciává alakítják le az alapsávi feldolgozáshoz. Függetlenül a végső alkalmazástól, legyen szó kommunikációról, repülésről és védelemről vagy műszerekről, az érdeklődésre számot tartó frekvenciák egyre magasabbra törnek az RF és mikrohullámú spektrumban. Ennek a forgatókönyvnek az egyik lehetséges megoldása az, hogy egyre több lefelé átalakítási szakaszt használunk, például az 1. ábrán látható módon. Egy másik hatékonyabb megoldás azonban az RF ADC használata integrált digitális lekonverterrel (DDC), amint az a 2. ábrán látható. Ábra 1. Tipikus vevő analóg jellánc lefelé konverziós fokozatokkal. A DDC funkcionalitás és az RF ADC integrálása szükségtelenné teszi a további analóg lekonverziós fokozatokat, és lehetővé teszi az RF frekvenciatartomány spektrumának közvetlen lekonvertálását alapsávra feldolgozás céljából. Az RF ADC azon képessége, hogy a gigahertzes frekvenciatartományban spektrumot dolgozzon fel, csökkenti az analóg tartományban potenciálisan többszörös lefelé átalakítás szükségességét. A DDC képessége lehetővé teszi a spektrum tarthatóságát, valamint a decimációs szűréssel történő szűrést, ami a sávon belüli dinamikatartomány javításának előnyét is jelenti (növeli az SNR-t). A témával kapcsolatos további megbeszélések itt találhatók: „Nem a nagyapád ADC-je” és itt: „A Gigasample ADC-k közvetlen RF-konverziót ígérnek”. Ezek a cikkek az AD9680-ról és az AD9625-ről, valamint ezek DDC funkcióiról nyújtanak további kifejtést. Ábra 2. Vevő jellánc RF ADC-vel DDC-vel. Itt az elsődleges hangsúly az AD9680-ban (valamint az AD9690-ben, AD9691-ben és AD9684-ben) található DDC-funkciókon lesz. Annak érdekében, hogy megértsük a DDC funkcionalitását és a kimeneti spektrum elemzését, amikor a DDC-t ADC-vel használják, egy példát fogunk vetni az AD9680-500-ra. Segélyként az Analog Devices webhelyen található Frequency Folding Tool-t használjuk. Ez az egyszerű, de hatékony eszköz használható az ADC aliasing hatásainak megértésében, ami az első lépés az RF ADC kimeneti spektrumának elemzésében integrált DDC-kkel, mint például az AD9680. Ebben a példában az AD9680-500 368.64 MHz bemeneti órajellel és 270 MHz analóg bemeneti frekvenciával működik. Először is fontos megérteni az AD9680 digitális feldolgozó blokkjainak beállítását. Az AD9680 a digitális lekonverter (DDC) használatára lesz beállítva, ahol a bemenet valós, a kimenet összetett, a numerikus vezérlésű oszcillátor (NCO) hangolási frekvenciája 98 MHz, az 1. félsávos szűrő (HB1) engedélyezett, és a 6 dB erősítés engedélyezve van. Mivel a kimenet összetett, a komplex-valós konverziós blokk le van tiltva. A DDC alapdiagramja a 3. ábrán látható. A bemeneti hangok feldolgozásának megértéséhez fontos megérteni, hogy a jel először áthalad az NCO-n, amely eltolja a bemeneti hangokat frekvenciában, majd áthalad a tizedelésen, adott esetben az erősítési blokkon, majd opcionálisan az erősítési blokkon keresztül. komplex a valódi konverzió. Ábra 3. DDC jelfeldolgozó blokkok az AD9680-ban. Fontos megérteni az AD9680-on keresztüli jeláramlás makró nézetét is. A jel az analóg bemeneteken keresztül jut be, az ADC magon keresztül a DDC-be, majd a JESD204B sorosítón keresztül, majd a JESD204B soros kimeneti sávjain keresztül távozik. Ezt szemlélteti az AD9680 blokkvázlata, amely a 4. ábrán látható. Ábra 4. AD9680 blokkdiagram. 368.64 MHz-es bemeneti minta órajellel és 270 MHz-es analóg bemeneti frekvenciával a bemeneti jel az első Nyquist zónába álnevezik 98.64 MHz-en. A bemeneti frekvencia második harmonikusa az első Nyquist zónába álnevezik 171.36 MHz-en, míg a harmadik harmonikus 72.72 MHz-en. Ezt szemlélteti a Frequency Folding Tool diagramja az 5. ábrán. Ábra 5. Az ADC kimeneti spektrumát a Frequency Folding Tool illusztrálja. Az 5. ábrán látható Frequency Folding Tool diagram az ADC mag kimenetén lévő jel állapotát adja meg, mielőtt az áthaladna az AD9680 DDC-jén. Az első feldolgozó blokk, amelyen a jel áthalad az AD9680-ban, az NCO, amely a frekvenciatartományban 98 MHz-el balra tolja el a spektrumot (emlékezz rá, hogy a hangolási frekvenciánk 98 MHz). Ez az analóg bemenetet 98.64 MHz-ről 0.64 MHz-re tolja el, a második harmonikus 73.36 MHz-re, a harmadik harmonikus pedig –25.28 MHz-re tolódik el (emlékezzünk rá, hogy összetett kimenetről van szó). Ez látható a Visual Analog FFT diagramjában az alábbi 6. ábrán. Ábra 6. FFT komplex kimenet egy DDC után NCO = 98 MHz és 2-vel tizedelve. A 6. ábrán látható FFT diagramból világosan láthatjuk, hogy az NCO hogyan mozdította el a Frequency Folding Tool-ban megfigyelt frekvenciákat. Az az érdekes, hogy megmagyarázhatatlan hangot látunk az FFT-ben. Ez a hang azonban tényleg megmagyarázhatatlan? Az altiszt nem szubjektív, és minden frekvenciát eltol. Ebben az esetben a 98 MHz-es alapbemeneti hang álnevét 0.64 MHz-re, a második harmonikust 73.36 MHz-re, a harmadik harmonikust pedig –25.28 MHz-re tolta el. Ezenkívül egy másik hangszín is eltolódott, és 86.32 MHz-en jelenik meg. Honnan jött ez a hang valójában? A DDC vagy az ADC jelfeldolgozása produkálta valahogy ezt a hangot? Nos, a válasz nem… és igen. Nézzük meg ezt a forgatókönyvet kicsit közelebbről. A Frequency Folding Tool nem tartalmazza az ADC egyenáramú eltolását. Ez az egyenáram-eltolás dc-n (vagy 0 Hz-en) jelenlévő hangot eredményez. A Frequency Folding Tool ideális ADC-t feltételez, amelynek nincs egyenáram-eltolása. Az AD9680 tényleges kimenetén a 0 Hz-es dc offset hang frekvenciája le van tolva –98 MHz-re. A bonyolult keverésnek és tizedelésnek köszönhetően ez az egyenáramú offset hang visszahajlik az első Nyquist zónába a valós frekvenciatartományban. Ha egy komplex bemeneti jelet nézünk, ahol egy hang a negatív frekvenciatartomány második Nyquist zónájába tolódik, az visszatekerődik a valós frekvenciatartomány első Nyquist zónájába. Mivel a tizedelést kettővel egyenlő tizedelési sebességgel engedélyeztük, a tizedelt Nyquist zónánk 92.16 MHz széles (emlékezzünk vissza: fs = 368.64 MHz, a tizedelt mintavételi frekvencia pedig 184.32 MHz, amelynek Nyquist zónája 92.16 MHz). Az egyenáramú eltolás hangja –98 MHz-re van eltolva, ami 5.84 MHz delta a tizedelt Nyquist zónahatártól 92.16 MHz-en. Amikor ez a hang visszahajlik az első Nyquist zónába, a valós frekvenciatartományban a Nyquist zóna határához képest ugyanabban az eltolásban végzi, ami 92.16 MHz – 5.84 MHz = 86.32 MHz. Pontosan itt látjuk a hangot a fenti FFT cselekményben! Tehát technikailag az ADC állítja elő a jelet (mivel ez a dc offset), a DDC pedig csak egy kicsit mozgatja. Itt jön képbe a jó frekvenciatervezés. A megfelelő frekvenciatervezés segíthet elkerülni az ehhez hasonló helyzeteket. Most, hogy megnéztünk egy példát az NCO és HB1 szűrő használatával kettővel egyenlő tizedelési arány mellett, adjunk hozzá még egy kicsit a példához. Most növeljük a tizedelési arányt a DDC-ben, hogy lássuk a frekvenciahajtogatás és az átírás hatásait, ha nagyobb tizedelési arányt alkalmazunk az NCO-val végzett frekvenciahangolás mellett. Ebben a példában az AD9680-500-at nézzük meg, amely 491.52 MHz bemeneti órajellel és 150.1 MHz analóg bemeneti frekvenciával működik. Az AD9680 úgy lesz beállítva, hogy a digitális lekonvertert (DDC) használja valós bemenettel, komplex kimenettel, 155 MHz-es NCO hangolási frekvenciával, 1. félsávos szűrővel (HB1) és 2. félsávos szűrővel (HB2) engedélyezett (összesen tizedelési arány négy), és a 6 dB erősítés engedélyezett. Mivel a kimenet összetett, a komplex-valós konverziós blokk le van tiltva. A 3. ábráról idézzük fel a DDC alapdiagramját, amely a DDC-n keresztüli jeláramlást adja meg. A jel ezúttal is először az NCO-n halad át, amely eltolja a bemeneti hangokat frekvenciában, majd áthalad a decimáláson, az erősítési blokkon, és esetünkben megkerüli a komplexet valódi konverzióvá. Ismét a Frequency Folding Tool segítségével fogjuk megérteni az ADC aliasing hatásait, hogy kiértékeljük, hol helyezkedik el az analóg bemeneti frekvencia és harmonikusai a frekvenciatartományban. Ebben a példában valós jelünk van, a mintavételi sebesség 491.52 MSPS, a decimációs ráta négyre van állítva, a kimenet pedig összetett. Az ADC kimenetén a jel az alábbi 7. ábrán látható módon jelenik meg a Frequency Folding Tool segítségével. Ábra 7. Az ADC kimeneti spektrumát a Frequency Folding Tool illusztrálja. A 491.52 MHz-es bemeneti minta órajel és 150.1 MHz analóg bemeneti frekvencia esetén a bemeneti jel az első Nyquist zónában lesz. A 300.2 MHz-es bemeneti frekvencia második felharmonikusa a 191.32 MHz-es első Nyquist zónába, míg a 450.3 MHz-es harmadik harmonikus a 41.22 MHz-es első Nyquist zónába álnevezik. Ez az ADC kimenetén lévő jel állapota, mielőtt áthaladna a DDC-n. Most nézzük meg, hogyan halad át a jel a DDC-n belüli digitális feldolgozó blokkon. Megnézzük a jelet, amint átmegy az egyes fokozatokon, és megfigyeljük, hogy az NCO hogyan tolja el a jelet, és a tizedelési folyamat ezt követően hajtogatja a jelet. Fenntartjuk a diagramot a bemeneti mintavételi arány, 491.52 MSPS tekintetében, és az fs feltételek ehhez a mintavételi arányhoz viszonyulnak. Nézzük meg az általános folyamatot a 8. ábrán látható módon. Az altiszt balra tolja a bemeneti jeleket. Amint a komplex (negatív frekvencia) tartományban lévő jel az –fs/2 fölé tolódik, visszafordul az első Nyquist zónába. Ezután a jel áthalad az első tizedesszűrőn, a HB2-n, amely kettővel tizedel. Az ábrán a tizedelési folyamatot mutatom be anélkül, hogy a szűrőválaszt megmutatnám, annak ellenére, hogy a műveletek együtt fordulnak elő. Ez az egyszerűség kedvéért. Az első kétszeres tizedelés után az fs/4-től fs/2-ig terjedő spektrum –fs/4 és dc közötti frekvenciákká alakul át. Hasonlóképpen, az –fs/2-től –fs/4-ig terjedő spektrum a dc és az fs/4 közötti frekvenciákká alakul át. A jel most áthalad a második tizedesszűrőn, a HB1-en, amely szintén kettővel tizedel (a teljes tizedelés most négyszeres). Az fs/8 és fs/4 közötti spektrum most az –fs/8 és dc közötti frekvenciákra fordítódik. Hasonlóképpen, az –fs/4 és –fs/8 közötti spektrum a dc és az fs/8 közötti frekvenciákra fordítódik. Bár az ábrán a tizedelés látható, a tizedes szűrési művelet nem látható. Ábra 8. A decimációs szűrők hatása az ADC kimeneti spektrumára – általános példa. Emlékezzünk vissza a korábban tárgyalt példára 491.52 MSPS bemeneti mintavételezéssel és 150.1 MHz bemeneti frekvenciával. Az NCO-frekvencia 155 MHz, a tizedelési sebesség pedig négy (az NCO felbontás miatt a tényleges NCO-frekvencia 154.94 MHz). Ez 122.88 MSPS kimeneti mintavételi arányt eredményez. Mivel az AD9680 komplex keverésre van konfigurálva, a komplex frekvenciatartományt is figyelembe kell venni az elemzésünkben. A 9. ábra azt mutatja, hogy a frekvencia-fordítások meglehetősen lefoglaltak, de alapos tanulmányozással át tudjuk haladni a jelfolyamot. Ábra 9. A decimációs szűrők hatása az ADC kimeneti spektrumára – tényleges példa. Spektrum az NCO eltolás után: Az alapfrekvencia +150.1 MHz-ről –4.94 MHz-re tolódik el. Az alap képe –150.1 MHz-ről eltolódik, és 186.48 MHz-re teker. A második harmonikus 191.32 MHz-ről 36.38 MHz-re vált.  A harmadik harmonikus +41.22 MHz-ről –113.72 MHz-re tolódik le. Spektrum 2-vel tizedelve: Az alapfrekvencia –4.94 MHz marad. Az alap képe –59.28 MHz-re csökken, és a HB1 decimációs szűrő gyengíti. A második harmonikus 36.38 MHz-en marad. A harmadik harmonikust jelentősen csillapítja a HB2 decimációs szűrő. Spektrum 4-gyel tizedelve: Az alap –4.94 MHz-en marad. Az alap képe –59.28 MHz-en marad. A második harmonikus –36.38 MHz-en marad. A harmadik harmonikust a HB1 decimációs szűrő szűri és gyakorlatilag kiküszöböli. Most nézzük meg az AD9680-500 tényleges mérését. Az alapokat –4.94 MHz-en láthatjuk. Az alap képe –59.28 MHz-en van, amplitúdója –67.112 dBFS, ami azt jelenti, hogy a kép körülbelül 66 dB-lel gyengült. A második harmonikus 36.38 MHz-en található. Figyelje meg, hogy a VisualAnalog nem találja megfelelően a harmonikus frekvenciákat, mivel nem értelmezi az NCO frekvenciát és a tizedelési arányokat. Ábra 10. A jel FFT komplex kimeneti diagramja a DDC után, NCO = 155 MHz és 4-gyel tizedelve. Az FFT-ről láthatjuk az AD9680-500 kimeneti spektrumát valós bemenetre és komplex kimenetre állított DDC-vel, 155 MHz-es NCO-frekvenciával (tényleges 154.94 MHz), négyes tizedelési sebességgel. Arra bátorítom, hogy járja végig a jelfolyamdiagramot, hogy megértse a spektrum eltolását és fordítását. Azt is javasolnám, hogy alaposan járja végig a cikkben található példákat, hogy megértse a DDC hatásait az ADC kimeneti spektrumára. Azt javaslom, hogy nyomtassa ki a 8. ábrát, és tartsa kéznél, amikor az AD9680, AD9690, AD9691 és AD9684 kimeneti spektrumát elemzi. Miközben támogattam ezeket a termékeket, sok kérdésem volt az ADC-k kimeneti spektrumában lévő frekvenciákkal kapcsolatban, amelyek megmagyarázhatatlanok. Ha azonban az elemzés elkészült, és a jeláramlást az NCO-n és a decimációs szűrőkön keresztül elemezték, nyilvánvalóvá válik, hogy amit eleinte megmagyarázhatatlan hullámoknak tekintettek a spektrumban, azok valójában csak olyan jelek, amelyek pontosan ott vannak, ahol lenniük kell. Remélem, hogy miután elolvasta és tanulmányozta ezt a cikket, jobban felkészült a kérdések kezelésére, amikor legközelebb olyan ADC-vel dolgozik, amely integrált DDC-ket tartalmaz. Maradjon velünk a második részben, ahol továbbra is megvizsgáljuk a DDC működésének további szempontjait, és azt is, hogyan szimulálhatjuk a viselkedését.

Hagyjon üzenetet 

Üzenetlista