Què passa amb els convertidors digitals de descens: primera part

Moltes arquitectures de ràdio actuals contenen etapes de conversió descendent que tradueixen una banda de freqüència de RF o microones a una freqüència intermèdia per al processament de la base. Independentment de l’aplicació final, ja sigui de comunicacions, aeroespacial i de defensa o d’instrumentació, les freqüències d’interès augmenten a l’espectre de RF i microones. Una possible solució a aquest escenari és utilitzar un nombre creixent d’etapes de conversió descendent, com el que es mostra a la figura 1. Tanmateix, una altra solució més eficient és utilitzar un ADC de RF amb un convertidor digital integrat (DDC) com es mostra a la figura 2. Figura 1. Cadena de senyal analògica de receptor típica amb etapes de conversió descendent. La integració de la funcionalitat DDC amb un ADC de RF elimina la necessitat de fases de conversió analògica addicionals addicionals i permet que l’espectre del domini de freqüències de RF es converteixi directament a banda base per al processament. La capacitat de l'ADC RF per processar l'espectre en el domini de freqüència de gigahertzs ​​alleuja la necessitat de realitzar múltiples conversions descendents potencialment en el domini analògic. La capacitat del DDC permet la tenabilitat de l'espectre i el filtratge mitjançant el filtratge de decimació, que també proporciona l'avantatge de millorar el rang dinàmic dins de la banda (augmenta el SNR). Podeu trobar debats addicionals sobre aquest tema aquí, "No és l'ADC del vostre avi", i aquí, "Els ADC de Gigasample prometen conversió directa de RF". Aquests articles proporcionen una discussió addicional sobre l'AD9680 i l'AD9625 i la seva funcionalitat DDC. Figura 2. Cadena de senyal del receptor mitjançant un ADC RF amb un DDC. El focus principal aquí serà la funcionalitat DDC que existeix a l'AD9680 (així com a l'AD9690, l'AD9691 i l'AD9684). Per comprendre la funcionalitat del DDC i com analitzar l’espectre de sortida quan s’utilitza el DDC amb un ADC, veurem un exemple amb l’AD9680-500. Com a ajuda, s’utilitzarà l’eina de plegat de freqüència del lloc web Analog Devices. Aquesta senzilla i potent eina es pot utilitzar per ajudar a comprendre els efectes d’aliasing d’un ADC, que és el primer pas per analitzar l’espectre de sortida en un ADC RF amb DDC integrats com l’AD9680. En aquest exemple, l'AD9680-500 funciona amb un rellotge d'entrada de 368.64 MHz i una freqüència d'entrada analògica de 270 MHz. En primer lloc, és important entendre la configuració dels blocs de processament digital de l'AD9680. L'AD9680 es configurarà per utilitzar el convertidor digital descendent (DDC) on l'entrada és real, la sortida és complexa, la freqüència de sintonització de l'oscil·lador controlat numèricament (NCO) s'estableix a 98 MHz, el filtre de mitja banda 1 (HB1) està habilitat. i el guany de 6 dB està habilitat. Com que la sortida és complexa, el bloc de conversió de complex a real està desactivat. El diagrama bàsic del DDC es mostra a la figura 3. Per entendre com es processen els tons d’entrada, és important entendre que el senyal passa primer pel NCO, que canvia els tons d’entrada en freqüència, després passa per la decimació, opcionalment pel bloc de guany i, després, opcionalment pel conversió complexa a real. Figura 3. Blocs de processament de senyal DDC a l'AD9680. És important entendre també la vista macro del flux del senyal a través de l'AD9680. El senyal entra per les entrades analògiques, passa pel nucli ADC, cap al DDC, després pel serialitzador JESD204B i després surt pels carrils de sortida sèrie JESD204B. Això s’il·lustra amb el diagrama de blocs de l’AD9680 que es mostra a la figura 4. Figura 4. Diagrama de blocs AD9680. Amb un rellotge de mostra d’entrada de 368.64 MHz i una freqüència d’entrada analògica de 270 MHz, el senyal d’entrada entrarà en àlies a la primera zona de Nyquist a 98.64 MHz. El segon harmònic de la freqüència d'entrada s'anomenarà àlies a la primera zona de Nyquist a 171.36 MHz, mentre que el tercer àlies d'harmònic a 72.72 MHz. Ho il·lustra la trama de l'eina de plegat de freqüència de la figura 5. Figura 5. Espectre de sortida ADC il·lustrat per l’eina de plegat de freqüència. La gràfica de l’eina de plegat de freqüència que es mostra a la figura 5 dóna l’estat del senyal a la sortida del nucli ADC abans que passi pel DDC a l’AD9680. El primer bloc de processament que travessa el senyal a l’AD9680 és l’NCO que desplaçarà l’espectre a l’esquerra en el domini de la freqüència per 98 MHz (recordem que la nostra freqüència d’afinació és de 98 MHz). Això canviarà l’entrada analògica de 98.64 MHz a 0.64 MHz, el segon harmònic baixarà a 73.36 MHz i el tercer harmònic baixarà a –25.28 MHz (recordem que estem mirant una sortida complexa). Això es mostra a la gràfica FFT de Visual Analog a la figura 6 següent. Figura 6. Sortida complexa FFT després d’un DDC amb NCO = 98 MHz i decimat en 2. A partir del gràfic FFT de la figura 6, podem veure clarament com l’NCO ha canviat les freqüències que hem observat a l’eina de plegat de freqüència. L’interessant és que veiem un to inexplicable a l’FFT. Tanmateix, és realment inexplicable aquest to? El suboficial no és subjectiu i canvia totes les freqüències. En aquest cas, ha canviat l'àlies del to d'entrada fonamental de 98 MHz a 0.64 MHz i ha canviat el segon harmònic a 73.36 MHz i el tercer harmònic a –25.28 MHz. A més, també s’ha canviat un altre to i apareix a 86.32 MHz. D’on va sorgir aquest to? El processament del senyal del DDC o l'ADC va produir d'alguna manera aquest to? Bé, la resposta és no ... i sí. Vegem aquest escenari una mica més de prop. L'eina de plegat de freqüència no inclou el desplaçament de CC de l'ADC. Aquest desplaçament de CC produeix un to present a CC (o 0 Hz). L'eina de plegat de freqüència assumeix un ADC ideal que no tindria cap compensació de corrent continu. A la sortida real de l'AD9680, el to de desplaçament de CC a 0 Hz es desplaça cap avall en freqüència a –98 MHz. A causa de la complexa barreja i decimació, aquest to de compensació de corrent continu es replega cap a la primera zona de Nyquist en el domini de la freqüència real. Quan es mira un senyal d’entrada complex on un to es desplaça cap a la segona zona de Nyquist en el domini de freqüència negativa, es tornarà a endinsar a la primera zona de Nyquist del domini de freqüència real. Com que tenim la decimació habilitada amb una velocitat de decimació igual a dos, la nostra zona Nyquist delmada té 92.16 MHz d’amplada (recordem: fs = 368.64 MHz i la taxa de mostreig delmada és 184.32 MHz, que té una zona Nyquist de 92.16 MHz). El to de desplaçament de CC es desplaça a –98 MHz, que és de 5.84 MHz delta des del límit de la zona del Nyquist delimitat a 92.16 MHz. Quan aquest to es replega cap a la primera zona de Nyquist, acaba al mateix desplaçament del límit de la zona de Nyquist en el domini de freqüència real, que és de 92.16 MHz - 5.84 MHz = 86.32 MHz. Aquí és exactament on veiem el to de la trama FFT anterior. Per tant, tècnicament, l'ADC produeix el senyal (ja que és el desplaçament de corrent continu) i el DDC el mou una mica. Aquí és on intervé una bona planificació de freqüències. Una planificació adequada de la freqüència pot ajudar a evitar situacions com aquesta. Ara que hem vist un exemple amb el filtre NCO i HB1 amb una taxa de decimació igual a dos, afegim una mica més a l'exemple. Ara augmentarem la taxa de decimació al DDC per veure els efectes del plegament i la traducció de freqüències quan s’utilitza una taxa de decimació més alta juntament amb la sintonització de freqüència amb el NCO. En aquest exemple veurem l'AD9680-500 que funciona amb un rellotge d'entrada de 491.52 MHz i una freqüència d'entrada analògica de 150.1 MHz. L'AD9680 es configurarà per utilitzar el convertidor digital descendent (DDC) amb una entrada real, una sortida complexa, una freqüència de sintonització NCO de 155 MHz, filtre de mitja banda 1 (HB1) i filtre de mitja banda 2 (HB2) habilitat (total la taxa de decimació és igual a quatre) i el guany de 6 dB està habilitat. Com que la sortida és complexa, el bloc de conversió de complex a real està desactivat. Recordeu de la figura 3 el diagrama bàsic del DDC, que dóna el flux de senyal a través del DDC. Una vegada més, el senyal passa primer pel NCO, que canvia els tons d’entrada en freqüència, després passa per la decimació, pel bloc de guany i, en el nostre cas, passa per alt el complex a la conversió real. Una vegada més utilitzarem l’eina de plegat de freqüència per ajudar a entendre els efectes d’aliasing de l’ADC per tal d’avaluar on es situaran la freqüència d’entrada analògica i els seus harmònics en el domini de la freqüència. En aquest exemple tenim un senyal real, una taxa de mostra de 491.52 MSPS, la taxa de decimació s'estableix en quatre i la sortida és complexa. A la sortida de l'ADC, el senyal apareix tal com es mostra a la figura 7 amb l'eina de plegat de freqüència. Figura 7. Espectre de sortida ADC il·lustrat per l’eina de plegat de freqüència. Amb un rellotge de mostra d’entrada de 491.52 MHz i una freqüència d’entrada analògica de 150.1 MHz, el senyal d’entrada residirà a la primera zona de Nyquist. El segon harmònic de la freqüència d’entrada a 300.2 MHz s’aliasarà a la primera zona Nyquist a 191.32 MHz mentre que el tercer harmònic a 450.3 MHz s’aliasarà a la primera zona Nyquist a 41.22 MHz. Aquest és l'estat del senyal a la sortida de l'ADC abans que passi pel DDC. Vegem ara com passa el senyal a través dels blocs de processament digital dins del DDC. Veurem el senyal a mesura que travessa cada etapa i observarem com el NCO desplaça el senyal i, posteriorment, el procés de decimació plega el senyal. Mantindrem la trama en termes de la taxa de mostra d’entrada, 491.52 MSPS i els termes fs seran respecte d’aquesta taxa de mostra. Observem el procés general tal com es mostra a la figura 8. El suboficial desplaçarà els senyals d’entrada cap a l’esquerra. Una vegada que el senyal del domini complex (freqüència negativa) es desplaça més enllà de –fs / 2, es replegarà cap a la primera zona de Nyquist. A continuació, el senyal passa pel primer filtre de decimació, HB2, que es delimita per dos. A la figura, mostro el procés de decimació sense mostrar la resposta del filtre tot i que les operacions es produeixen juntes. Això és per simplicitat. Després de la primera decimació per un factor de dos, l'espectre de fs / 4 a fs / 2 es tradueix en freqüències entre –fs / 4 i dc. De la mateixa manera, l'espectre de –fs / 2 a –fs / 4 es tradueix en les freqüències entre dc i fs / 4. El senyal passa ara pel segon filtre de decimació, HB1, que també es decima en dos (la decimació total ara és igual a quatre). Ara l’espectre entre fs / 8 i fs / 4 es traduirà a les freqüències entre –fs / 8 i dc. De la mateixa manera, l’espectre entre –fs / 4 i –fs / 8 es traduirà a les freqüències entre dc i fs / 8. Tot i que a la figura s’indica la decimació, no es mostra l’operació de filtratge de la decimació. Figura 8. Efectes dels filtres de decimació sobre l'espectre de sortida ADC: exemple genèric. Recordem l'exemple anteriorment comentat amb una freqüència de mostreig d'entrada de 491.52 MSPS i una freqüència d'entrada de 150.1 MHz. La freqüència de NCO és de 155 MHz i la taxa de decimació és igual a quatre (a causa de la resolució de NCO, la freqüència de NCO real és de 154.94 MHz). Això es tradueix en una taxa de mostra de sortida de 122.88 MSPS. Com que l'AD9680 està configurat per a mescles complexes, haurem d'incloure el domini de freqüència complexa a la nostra anàlisi. La figura 9 mostra que les traduccions de freqüència estan força ocupades, però amb un estudi acurat podem obrir-nos camí a través del flux de senyal. Figura 9. Efectes dels filtres de decimació sobre l'espectre de sortida ADC: exemple real. Espectre després del canvi NCO: la freqüència fonamental passa de +150.1 MHz a –4.94 MHz. La imatge del fonamental canvia de –150.1 MHz i s’envolta a 186.48 MHz. El segon harmònic passa de 191.32 MHz a 36.38 MHz.  El tercer harmònic passa de +41.22 MHz a –113.72 MHz. Espectre després de la decimació en 2: la freqüència fonamental es manté a –4.94 MHz. La imatge del fonamental es tradueix a –59.28 MHz i es veu atenuada pel filtre de decimació HB1. El segon harmònic es manté a 36.38 MHz. El tercer harmònic queda atenuat significativament pel filtre de decimació HB2. Espectre després del dècim en 4: el fonamental es manté a –4.94 MHz. La imatge del fonamental es manté a –59.28 MHz. El segon harmònic es manté a –36.38 MHz. El tercer harmònic és filtrat i pràcticament eliminat pel filtre de decimació HB1. Vegem ara la mesura real de l'AD9680-500. Podem veure que el fonamental resideix a –4.94 MHz. La imatge del fonamental resideix a –59.28 MHz amb una amplitud de –67.112 dBFS, el que significa que la imatge s'ha atenuat aproximadament 66 dB. El segon harmònic resideix a 36.38 MHz. Fixeu-vos que VisualAnalog no troba correctament les freqüències harmòniques, ja que no interpreta la freqüència de NCO i les taxes de decimació. Figura 10. Gràfic de sortida de senyal complex FFT després de DDC amb NCO = 155 MHz i decimat per 4. Des del FFT podem veure l’espectre de sortida de l’AD9680-500 amb el DDC configurat per a una entrada real i una sortida complexa amb una freqüència NCO de 155 MHz (154.94 MHz real) i una taxa de decimació igual a quatre. Us animo a recórrer el diagrama de flux de senyals per entendre com es desplaça i es tradueix l’espectre. També us animo a recórrer detingudament els exemples proporcionats en aquest article per entendre els efectes del DDC sobre l’espectre de sortida de l’ADC. Recomano imprimir la figura 8 i mantenir-la a mà com a referència quan analitzeu l'espectre de sortida de l'AD9680, AD9690, AD9691 i AD9684. Tot i donar suport a aquests productes, he tingut moltes preguntes relacionades amb les freqüències de l’espectre de sortida dels ADC que es consideren inexplicables. Tanmateix, un cop feta l’anàlisi i analitzat el flux del senyal a través del NCO i dels filtres de decimació, es fa evident que allò que inicialment es considerava esperons inexplicables a l’espectre són en realitat només senyals que resideixen exactament on haurien d’estar. Espero que després de llegir i estudiar aquest article estigueu millor equipat per tractar les preguntes la propera vegada que treballeu amb un ADC que tingui DDC integrats. Estigueu atents a la segona part, on continuarem examinant aspectes addicionals de l’operació DDC i també com podem simular el seu comportament.

Deixa un missatge 

Llista de missatges