Kas vyksta su skaitmeniniais žemyn keitikliais – 1 dalis

Daugelyje dabartinių radijo architektūrų yra žemyn konvertavimo etapai, kurie RF arba mikrobangų dažnių juostą paverčia žemyn į tarpinį dažnį bazinės juostos apdorojimui. Nepriklausomai nuo galutinio pritaikymo, nesvarbu, ar tai būtų ryšiai, aviacija ir gynyba, ar prietaisai, dominantys dažniai veržiasi į RF ir mikrobangų spektrą. Vienas iš galimų šio scenarijaus sprendimų yra naudoti vis daugiau žemesnių konversijų etapų, tokių kaip parodyta 1 paveiksle. Tačiau kitas efektyvesnis sprendimas yra naudoti RF ADC su integruotu skaitmeniniu žemyn keitikliu (DDC), kaip parodyta 2 paveiksle. 1 pav. Tipiška imtuvo analoginio signalo grandinė su žemyn konvertavimo etapais. DDC funkcionalumo integravimas su RF ADC pašalina papildomų analoginio žemyn konvertavimo etapų poreikį ir leidžia RF dažnių srities spektrą tiesiogiai konvertuoti į bazinę juostą apdorojimui. RF ADC galimybė apdoroti spektrą gigahercų dažnių srityje sumažina poreikį atlikti potencialiai kelis žemyn konvertavimus analoginiame domene. DDC galimybė leidžia išlaikyti pastovų spektrą, taip pat filtruoti naudojant dešimtainį filtravimą, o tai taip pat suteikia pranašumą gerinant dinaminį diapazoną juostoje (padidina SNR). Papildomą diskusiją šia tema galite rasti čia „Ne tavo senelio ADC“ ir čia „Gigasample ADC žada tiesioginį RF konversiją“. Šie straipsniai papildomai aptaria AD9680 ir AD9625 bei jų DDC funkcijas. 2 pav. Imtuvo signalų grandinė naudojant RF ADC su DDC. Pagrindinis dėmesys čia bus skiriamas DDC funkcijoms, kurios yra AD9680 (taip pat AD9690, AD9691 ir AD9684). Norėdami suprasti DDC funkcionalumą ir kaip analizuoti išvesties spektrą, kai DDC naudojamas su ADC, pažvelgsime į AD9680-500 pavyzdį. Kaip pagalba bus naudojamas dažnių lankstymo įrankis, esantis „Analog Devices“ svetainėje. Šis paprastas, bet galingas įrankis gali būti naudojamas norint suprasti ADC slapyvardžio poveikį, o tai yra pirmasis žingsnis analizuojant išvesties spektrą RF ADC su integruotais DDC, pvz., AD9680. Šiame pavyzdyje AD9680-500 veikia su 368.64 MHz įėjimo laikrodžiu ir 270 MHz analoginiu įvesties dažniu. Pirma, svarbu suprasti AD9680 skaitmeninio apdorojimo blokų sąranką. AD9680 bus nustatytas naudoti skaitmeninį žemo keitiklį (DDC), kai įvestis yra tikra, išvestis sudėtinga, skaitmeniniu būdu valdomo osciliatoriaus (NCO) derinimo dažnis nustatytas į 98 MHz, įjungtas pusės juostos filtras (HB1), ir įjungtas 1 dB stiprinimas. Kadangi išvestis yra sudėtinga, kompleksinio konvertavimo į tikrąjį blokas yra išjungtas. Pagrindinė DDC schema parodyta 3 paveiksle. Norint suprasti, kaip apdorojami įvesties tonai, svarbu suprasti, kad signalas pirmiausia praeina per NCO, kuris pakeičia įvesties tonus dažniu, tada praeina per dešimtamą, pasirinktinai per stiprinimo bloką, o tada pasirinktinai per sudėtingas konvertavimas į tikrąjį. 3 pav. DDC signalo apdorojimo blokai AD9680. Taip pat svarbu suprasti signalo srauto per AD9680 makro vaizdą. Signalas patenka per analoginius įėjimus, eina per ADC šerdį, į DDC, tada per JESD204B serijinį įrenginį, o paskui išeina per JESD204B nuosekliojo išėjimo juostas. Tai iliustruoja 9680 paveiksle parodyta AD4 blokinė schema. 4 pav. AD9680 blokinė schema. Esant 368.64 MHz įvesties imties laikrodžiui ir 270 MHz analoginiam įvesties dažniui, įvesties signalas bus įvestas į pirmąją Nyquist zoną 98.64 MHz dažniu. Antroji įvesties dažnio harmonika pateks į pirmąją Nyquist zoną 171.36 MHz dažniu, o trečioji - 72.72 MHz. Tai iliustruoja dažnio lankstymo įrankio diagrama 5 paveiksle. 5 pav. ADC išvesties spektras, iliustruotas dažnio lankstymo įrankiu. Dažnio sulankstymo įrankio schema, parodyta 5 paveiksle, pateikia signalo būseną ADC šerdies išėjime, kol ji praeina per DDC AD9680. Pirmasis apdorojimo blokas, per kurį signalas praeina AD9680, yra NCO, kuris dažnių srityje spektrą perkels į kairę 98 MHz (prisiminkime, kad mūsų derinimo dažnis yra 98 MHz). Tai pakeis analoginę įvestį nuo 98.64 MHz iki 0.64 MHz, antroji harmonika sumažės iki 73.36 MHz, o trečioji harmonika sumažės iki –25.28 MHz (prisiminkime, kad žiūrime į sudėtingą išvestį). Tai parodyta FFT brėžinyje iš „Visual Analog“ 6 paveiksle. 6 pav. FFT kompleksinė išvestis po DDC su NCO = 98 MHz ir sumažinama 2. Iš FFT diagramos 6 paveiksle aiškiai matome, kaip NCO pakeitė dažnius, kuriuos stebėjome dažnio lankstymo įrankyje. Įdomu tai, kad FFT matome nepaaiškinamą toną. Tačiau ar šis tonas tikrai nepaaiškinamas? Puskarininkis nėra subjektyvus ir perkelia visus dažnius. Šiuo atveju jis pakeitė pagrindinio įvesties tono 98 MHz slapyvardį iki 0.64 MHz, o antrąją harmoniką perkėlė į 73.36 MHz, o trečiąją harmoniką - iki –25.28 MHz. Be to, dar vienas tonas buvo pakeistas ir pasirodo 86.32 MHz dažniu. Iš kur iš tikrųjų kilo šis tonas? Ar DDC ar ADC signalo apdorojimas kažkaip sukėlė šį toną? Na, atsakymas yra ne… ir taip. Pažvelkime į šį scenarijų šiek tiek atidžiau. Dažnio lankstymo įrankis neapima ADC nuolatinės srovės poslinkio. Šis nuolatinės srovės poslinkis sukelia toną, esantį nuolatine (arba 0 Hz). Dažnio lankstymo įrankis daro prielaidą, kad idealus ADC, kuris neturėtų nuolatinės srovės poslinkio. Faktinėje AD9680 išvestyje nuolatinės srovės poslinkio tonas esant 0 Hz dažniui sumažintas iki –98 MHz. Dėl sudėtingo maišymo ir išnaikinimo šis nuolatinės srovės poslinkio tonas sulankstomas atgal į pirmąją „Nyquist“ zoną tikrojo dažnio srityje. Žiūrint į sudėtingą įvesties signalą, kai tonas persikelia į antrąją neigiamo dažnio srities Nyquist zoną, jis sugrįš į pirmąją realaus dažnio srities Nyquist zoną. Kadangi dešimtainis yra įjungtas, o jo dešimtainis dažnis yra lygus dviem, mūsų dešimtainė Nyquist zona yra 92.16 MHz pločio (prisiminkime: fs = 368.64 MHz, o dešimtoji imties sparta yra 184.32 MHz, kurios Nyquist zona yra 92.16 MHz). Nuolatinės srovės poslinkio tonas perkeliamas į –98 MHz, tai yra 5.84 MHz delta nuo dešimtosios Nyquist zonos ribos esant 92.16 MHz. Kai šis tonas sugrįžta į pirmąją Nyquist zoną, jis pasiekia tą patį poslinkį nuo Nyquist zonos ribos tikrojo dažnio srityje, kuri yra 92.16 MHz - 5.84 MHz = 86.32 MHz. Būtent čia matome aukščiau esančio FFT siužeto toną! Taigi techniškai ADC gamina signalą (nes tai yra nuolatinės srovės poslinkis), o DDC jį šiek tiek perkelia. Čia atsiranda geras dažnio planavimas. Tinkamas dažnio planavimas gali padėti išvengti tokių situacijų kaip ši. Dabar, kai pažvelgėme į pavyzdį, naudojant NCO ir HB1 filtrus, kurių dešimtainis rodiklis yra lygus dviem, pridėkime prie pavyzdžio šiek tiek daugiau. Dabar mes padidinsime DDC dažnį, kad pamatytume dažnio lankstymo ir vertimo poveikį, kai kartu su NCO dažnių derinimu bus naudojamas didesnis išskaidymo greitis. Šiame pavyzdyje apžvelgsime AD9680-500, veikiantį 491.52 MHz įėjimo laikrodžiu ir 150.1 MHz analoginiu įvesties dažniu. AD9680 bus nustatytas naudoti skaitmeninį žemo keitiklį (DDC) su tikru įėjimu, sudėtingu išėjimu, NCO derinimo dažniu 155 MHz, pusės juostos filtru 1 (HB1) ir pusės juostos filtru 2 (HB2) (iš viso) Dešimtumo koeficientas lygus keturiems), ir įjungtas 6 dB stiprinimas. Kadangi išvestis yra sudėtinga, kompleksinio konvertavimo į tikrąjį blokas yra išjungtas. Prisiminkite iš 3 paveikslo pagrindinę DDC schemą, kuri suteikia signalo srautą per DDC. Vėlgi, signalas pirmiausia praeina per NCO, kuris pakeičia įvesties tonus dažniu, tada praeina per decimaciją, per stiprinimo bloką ir, mūsų atveju, apeina kompleksą iki tikrosios konversijos. Dar kartą naudosime dažnio lankstymo įrankį, kad padėtume suprasti ADC slapyvardžio efektus, kad įvertintume, kur dažnių srityje bus analoginis įvesties dažnis ir jo harmonikos. Šiame pavyzdyje mes turime realų signalą, imties dažnis yra 491.52 MSPS, dešimtainis dažnis nustatytas į keturis, o išvestis yra sudėtinga. ADC išvestyje signalas rodomas taip, kaip parodyta 7 paveiksle, naudojant dažnio lankstymo įrankį. 7 pav. ADC išvesties spektras, iliustruotas dažnio lankstymo įrankiu. Su 491.52 MHz įvesties imties laikrodžio dažniu ir 150.1 MHz analoginiu įvesties dažniu, įvesties signalas bus pirmoje Nyquist zonoje. Antroji 300.2 MHz įvesties dažnio harmonika slapyvardžiu patenka į pirmąją Nyquist zoną 191.32 MHz dažniu, o trečioji harmonika 450.3 MHz dažniu - į pirmąją Nyquist zoną 41.22 MHz dažniu. Tai signalo būsena ADC išėjime, kol ji praeina per DDC. Dabar pažiūrėkime, kaip signalas praeina per skaitmeninius apdorojimo blokus DDC viduje. Mes pažvelgsime į signalą, einantį per kiekvieną etapą, ir stebėsime, kaip NCO perkelia signalą, o dešimtainis procesas vėliau sulenkia signalą. Mes išlaikysime grafiką pagal įvesties imties dažnį, 491.52 MSPS ir fs sąlygos bus susijusios su šia imties sparta. Stebėkime bendrą procesą, kaip parodyta 8 paveiksle. NCO perkels įvesties signalus į kairę. Kai kompleksinio (neigiamo dažnio) domeno signalas pasislenka už –fs/2, jis sugrįš į pirmąją Nyquist zoną. Toliau signalas praeina per pirmąjį dešimtainio filtrą HB2, kuris dešimtainis dešimtainis. Paveiksle pavaizduoju išskaidymo procesą, nerodydamas filtro atsako, nors operacijos atliekamos kartu. Tai yra dėl paprastumo. Po pirmojo dešimtainio koeficiento du, spektras nuo fs/4 iki fs/2 virsta dažniais nuo –fs/4 iki dc. Panašiai spektras nuo –fs/2 iki –fs/4 virsta dažniais tarp dc ir fs/4. Dabar signalas praeina per antrąjį dešimtainio dešimtainio filtrą HB1, kuris taip pat dešimtainis (bendras dešimtainis skaičius yra lygus keturioms). Spektras tarp fs/8 ir fs/4 dabar bus paverstas dažniais tarp –fs/8 ir dc. Panašiai spektras tarp –fs/4 ir –fs/8 bus paverstas dažniais tarp dc ir fs/8. Nors paveiksle nurodytas dešimtainis skaičius, dešimtainio filtravimo operacija nerodoma. 8 pav. Dešimavimo filtrų poveikis ADC išvesties spektrui – bendras pavyzdys. Prisiminkite anksčiau aptartą pavyzdį, kai įvesties imties dažnis yra 491.52 MSPS, o įvesties dažnis - 150.1 MHz. NCO dažnis yra 155 MHz, o dešimtainis dažnis yra keturi (dėl NCO skiriamosios gebos faktinis NCO dažnis yra 154.94 MHz). Dėl to išvesties imties dažnis yra 122.88 MSPS. Kadangi AD9680 yra sukonfigūruotas sudėtingam maišymui, į analizę turėsime įtraukti sudėtingą dažnio sritį. 9 paveiksle parodyta, kad dažnių vertimai yra gana užimti, tačiau atidžiai išstudijavę galime dirbti signalo sraute. 9 pav. Dešimavimo filtrų poveikis ADC išvesties spektrui – tikras pavyzdys. Spektras po NCO poslinkio: Pagrindinis dažnis pasislenka nuo +150.1 MHz iki –4.94 MHz. Pagrindinis vaizdas keičiasi nuo –150.1 MHz ir apvyniojamas iki 186.48 MHz. Antroji harmonika pasislenka nuo 191.32 MHz žemyn iki 36.38 MHz.  Trečioji harmonika pasislenka nuo +41.22 MHz žemyn iki –113.72 MHz. Spektras po dešimtainio 2: Pagrindinis dažnis išlieka –4.94 MHz. Pagrindinio elemento vaizdas sumažėja iki –59.28 MHz ir yra susilpnintas HB1 decimacijos filtro. Antroji harmonika išlieka 36.38 MHz. Trečiąją harmoniką žymiai susilpnina HB2 desiminimo filtras. Spektras po dešimtainio 4: Pagrindinis išlieka –4.94 MHz. Pagrindo vaizdas išlieka –59.28 MHz. Antroji harmonika išlieka –36.38 MHz. Trečiąją harmoniką filtruoja ir praktiškai pašalina HB1 decimacijos filtras. Dabar pažiūrėkime į tikrąjį AD9680-500 matavimą. Pamatinius rezidavimus matome –4.94 MHz. Pagrindo vaizdas yra –59.28 MHz, o amplitudė –67.112 dBFS, o tai reiškia, kad vaizdas buvo susilpnintas maždaug 66 dB. Antroji harmonika yra 36.38 MHz. Atkreipkite dėmesį, kad „VisualAnalog“ tinkamai neranda harmoninių dažnių, nes neaiškina NCO dažnio ir dešimties dažnių. 10 pav. FFT sudėtingas signalo išvesties grafikas po DDC, kai NCO = 155 MHz ir suyra 4. Iš FFT matome AD9680-500 išvesties spektrą su DDC, nustatytu tikram įėjimui ir sudėtingam išėjimui, kurio NCO dažnis yra 155 MHz (faktinis 154.94 MHz), o dešimtainis dažnis yra lygus keturiems. Raginu jus peržvelgti signalo srauto diagramą, kad suprastumėte, kaip pasislenka ir verčiamas spektras. Taip pat norėčiau paskatinti jus atidžiai išnagrinėti šiame straipsnyje pateiktus pavyzdžius, kad suprastumėte DDC poveikį ADC išvesties spektrui. Rekomenduoju išspausdinti 8 paveikslą ir laikyti jį po ranka, kad būtų galima susipažinti analizuojant AD9680, AD9690, AD9691 ir AD9684 išvesties spektrą. Palaikydamas šiuos produktus, turėjau daug klausimų, susijusių su dažniais, kurie yra ADC išvesties spektre, kurie laikomi nepaaiškinamais. Tačiau, atlikus analizę ir analizuojant signalo srautą per NCO ir dešimtinimo filtrus, tampa akivaizdu, kad tai, kas iš pradžių buvo laikoma nepaaiškinta spektro priežastimi, iš tikrųjų yra tik signalai, esantys tiksliai ten, kur jie turėtų būti. Tikiuosi, kad perskaitę ir išstudijavę šį straipsnį, būsite geriau pasirengę atsakyti į klausimus, kai kitą kartą dirbsite su ADC, turinčiu integruotus DDC. Sekite antrąją dalį, kurioje toliau nagrinėsime papildomus DDC operacijos aspektus ir tai, kaip galime imituoti jos elgesį.

Palik žinutę 

Žinučių sąrašas