چه خبر است با مبدل های دیجیتال Downconverters - قسمت 1

بسیاری از معماری های رادیویی فعلی دارای مراحل تبدیل نازل هستند که یک باند فرکانسی RF یا مایکروویو را برای فرکانس متوسط ​​برای پردازش باند پایه تبدیل می کند. صرف نظر از کاربرد نهایی ، ارتباطات ، هوافضا و پدافند ، یا ابزار دقیق ، فرکانس های مورد علاقه به طیف RF و مایکروویو بیشتر می شود. یک راه حل ممکن برای این سناریو استفاده از تعداد فزاینده ای از مراحل تبدیل پایین است، مانند آنچه در شکل 1 نشان داده شده است. با این حال ، راه حل کارآمدتر دیگر استفاده از RF ADC با یک مبدل تبدیل دیجیتال یکپارچه (DDC) است که در شکل 2 نشان داده شده است. شکل 1. زنجیره سیگنال آنالوگ گیرنده معمولی با مراحل تبدیل پایین. ادغام عملکرد DDC با RF ADC نیاز به مراحل تبدیل آنالوگ اضافی را حذف می کند و اجازه می دهد طیف در حوزه فرکانس RF به طور مستقیم برای پردازش به پهنای باند تبدیل شود. قابلیت RF ADC برای پردازش طیف در دامنه فرکانس گیگاهرتز ، نیاز به انجام چندین تغییر نزولی بالقوه در حوزه آنالوگ را کاهش می دهد. توانایی DDC به تنوع طیف و همچنین فیلتر کردن از طریق فیلتر دهی اجازه می دهد ، که مزیت بهبود دامنه دینامیکی درون باند را نیز افزایش می دهد (SNR را افزایش می دهد). مباحث اضافی در مورد این موضوع را می توانید در اینجا "نه ADC پدربزرگ شما" و اینجا "Gigasample ADCs Promise Direct RF Conversion" پیدا کنید. این مقالات بحث های بیشتری در مورد AD9680 و AD9625 و عملکرد DDC آنها ارائه می دهد. شکل 2. زنجیره سیگنال گیرنده با استفاده از RF ADC با DDC. تمرکز اصلی در اینجا بر عملکرد DDC موجود در AD9680 (و همچنین AD9690 ، AD9691 و AD9684) خواهد بود. به منظور درک عملکرد DDC و نحوه تجزیه و تحلیل طیف خروجی زمانی که DDC با ADC به کار می رود، نگاهی به مثالی با AD9680-500 خواهیم داشت. به عنوان کمکی ، از ابزار تاشو فرکانس در وب سایت دستگاه های آنالوگ استفاده می شود. این ابزار ساده و در عین حال قدرتمند را می توان برای کمک به درک اثرات aliasing یک ADC، که اولین گام در تجزیه و تحلیل طیف خروجی در RF ADC با DDCهای یکپارچه مانند AD9680 است، استفاده کرد. در این مثال، AD9680-500 با کلاک ورودی 368.64 مگاهرتز و فرکانس ورودی آنالوگ 270 مگاهرتز کار می کند. اول ، درک تنظیمات بلوک های پردازش دیجیتال در AD9680 بسیار مهم است. AD9680 طوری تنظیم می شود که از مبدل نزولی دیجیتال (DDC) در جایی که ورودی واقعی است ، خروجی پیچیده است ، فرکانس تنظیم نوسان ساز با کنترل عددی (NCO) روی 98 مگاهرتز تنظیم شده است ، فیلتر نیمه باند 1 (HB1) فعال است ، و بهره 6 دسی بل فعال است. از آنجایی که خروجی پیچیده است، بلوک تبدیل پیچیده به واقعی غیرفعال است. نمودار اصلی برای DDC در شکل 3 نشان داده شده است. برای درک نحوه پردازش آهنگهای ورودی ، مهم است که درک کنیم که سیگنال ابتدا از NCO عبور می کند ، که آهنگهای ورودی را در فرکانس تغییر می دهد ، سپس از decimation ، به صورت اختیاری از بلوک بهره ، و سپس به صورت اختیاری از طریق تبدیل پیچیده به واقعی شکل 3. بلوک های پردازش سیگنال DDC در AD9680. درک نمای ماکرو جریان سیگنال از طریق AD9680 نیز مهم است. سیگنال از طریق ورودی های آنالوگ وارد شده ، از هسته ADC ، به DDC ، سپس از طریق سریال ساز JESD204B و سپس از طریق خطوط خروجی سریال JESD204B خارج می شود. این با بلوک دیاگرام AD9680 نشان داده شده در شکل 4 نشان داده شده است. شکل 4. بلوک دیاگرام AD9680. با کلاک نمونه ورودی 368.64 مگاهرتز و فرکانس ورودی آنالوگ 270 مگاهرتز ، سیگنال ورودی به اولین منطقه Nyquist در 98.64 مگاهرتز ملقب می شود. هارمونیک دوم فرکانس ورودی با نام مستعار در ناحیه نایکیست اول در 171.36 مگاهرتز در حالی که هارمونیک سوم به 72.72 مگاهرتز می رسد. این را با رسم ابزار تاشو فرکانس در شکل 5 نشان می دهیم. شکل 5. طیف خروجی ADC که توسط ابزار تاشو فرکانس نشان داده شده است. نمودار ابزار تاشو فرکانس نشان داده شده در شکل 5 وضعیت سیگنال را در خروجی هسته ADC قبل از عبور از DDC در AD9680 نشان می دهد. اولین بلوک پردازشی که سیگنال در AD9680 از آن عبور می کند، NCO است که طیف را در حوزه فرکانس 98 مگاهرتز به سمت چپ تغییر می دهد (فرکانس تنظیم ما 98 مگاهرتز است). با این کار ورودی آنالوگ از 98.64 مگاهرتز به 0.64 مگاهرتز ، هارمونیک دوم به 73.36 مگاهرتز و هارمونیک سوم به 25.28 مگاهرتز کاهش می یابد. این در نمودار FFT از Visual Analog در شکل 6 در زیر نشان داده شده است. شکل 6. خروجی پیچیده FFT پس از یک DDC با NCO = 98 مگاهرتز و برآورد 2. از نمودار FFT در شکل 6، می‌توانیم به وضوح ببینیم که چگونه افسر پلیس فرکانس‌هایی را که در ابزار Folding Frequency مشاهده کردیم، تغییر داده است. جالب اینجاست که لحن غیر قابل توضیحی را در FFT می بینیم. با این حال، آیا این لحن واقعاً غیر قابل توضیح است؟ NCO ذهنی نیست و همه فرکانس ها را جابجا می کند. در این حالت، نام مستعار تن ورودی اصلی 98 مگاهرتز را به 0.64 مگاهرتز و هارمونیک دوم را به 73.36 مگاهرتز و هارمونیک سوم را به -25.28 مگاهرتز تغییر داده است. علاوه بر این، آهنگ دیگری نیز تغییر کرده است و در 86.32 مگاهرتز ظاهر می شود. این لحن واقعاً از کجا آمده است؟ آیا پردازش سیگنال DDC یا ADC به نحوی این لحن را ایجاد کرد؟ خوب ، پاسخ منفی است ... و بله. بیایید کمی دقیق تر به این سناریو نگاه کنیم. ابزار تاشو فرکانس شامل جابجایی DC از ADC نمی شود. این آفست dc منجر به تون موجود در dc (یا 0 هرتز) می شود. Frequency Folding Tool یک ADC ایده آل را فرض می کند که dc offset ندارد. در خروجی واقعی AD9680 ، صدای افست DC در 0 هرتز از نظر فرکانس به -98 مگاهرتز کاهش می یابد. با توجه به اختلاط پیچیده و decimation، این تون آفست dc به اولین ناحیه Nyquist در حوزه فرکانس واقعی برمی‌گردد. هنگامی که به سیگنال ورودی پیچیده ای نگاه می کنید که در آن تن به ناحیه دوم Nyquist در محدوده فرکانس منفی منتقل می شود ، در ناحیه فرکانس واقعی به اولین ناحیه Nyquist باز می گردد. از آنجایی که ما decimation را با نرخ کاهش دو برابر فعال کرده‌ایم، پهنای Nyquist حذف شده ما 92.16 مگاهرتز است (یادآوری: fs = 368.64 مگاهرتز و نرخ نمونه کاهش‌یافته 184.32 مگاهرتز است که دارای ناحیه Nyquist 92.16 MHz است). صدای افست DC به -98 مگاهرتز تغییر می کند ، که برابر با 5.84 مگاهرتز دلتا از محدوده منطقه تخریب شده Nyquist در 92.16 مگاهرتز است. هنگامی که این صدا به اطراف اولین منطقه Nyquist باز می شود ، در همان فاصله از محدوده منطقه Nyquist در دامنه فرکانس واقعی ، یعنی 92.16 مگاهرتز - 5.84 مگاهرتز = 86.32 مگاهرتز خاتمه می یابد. این دقیقا همان جایی است که ما لحن را در طرح FFT بالا می بینیم! بنابراین از نظر فنی، ADC سیگنال را تولید می کند (از آنجایی که dc offset است) و DDC فقط کمی آن را به اطراف حرکت می دهد. اینجاست که برنامه ریزی فرکانس خوب وارد می شود. برنامه ریزی مناسب فرکانس می تواند به جلوگیری از موقعیت هایی مانند این مورد کمک کند. اکنون که به مثالی با استفاده از فیلتر NCO و HB1 با نرخ کاهشی برابر با دو نگاه کردیم، اجازه دهید کمی بیشتر به مثال اضافه کنیم. اکنون ما نرخ کاهش در DDC را افزایش می‌دهیم تا اثرات تا کردن و ترجمه فرکانس را در زمانی که نرخ کاهش بیشتر همراه با تنظیم فرکانس با NCO به کار می‌رود، ببینیم. در این مثال، AD9680-500 را بررسی می کنیم که با کلاک ورودی 491.52 مگاهرتز و فرکانس ورودی آنالوگ 150.1 مگاهرتز کار می کند. AD9680 برای استفاده از مبدل پایین دیجیتال (DDC) با ورودی واقعی، خروجی پیچیده، فرکانس تنظیم NCO 155 مگاهرتز، فیلتر نیم باند 1 (HB1) و فیلتر نیمه باند 2 (HB2) فعال (کل) تنظیم خواهد شد. نرخ حذف برابر است با چهار)، و افزایش 6 دسی بل فعال است. از آنجایی که خروجی پیچیده است، بلوک تبدیل پیچیده به واقعی غیرفعال است. از شکل 3 نمودار اصلی DDC را به خاطر بیاورید ، که سیگنال را از طریق DDC عبور می دهد. یک بار دیگر سیگنال ابتدا از NCO عبور می کند، که زنگ های ورودی را در فرکانس جابجا می کند، سپس از طریق decimation، از بلوک بهره عبور می کند، و در مورد ما، تبدیل پیچیده به واقعی را دور می زند. یک بار دیگر از ابزار تاشو فرکانس برای کمک به درک اثرات همخوانی ADC استفاده می کنیم تا ارزیابی کنیم فرکانس ورودی آنالوگ و هارمونیک های آن در حوزه فرکانس کجا قرار دارند. در این مثال ما یک سیگنال واقعی داریم ، نرخ نمونه 491.52 MSPS ، نرخ تخریب روی چهار تنظیم شده است ، و خروجی پیچیده است. در خروجی ADC، سیگنال به شکل زیر در شکل 7 با ابزار تاشو فرکانس نشان داده می شود. شکل 7. طیف خروجی ADC که توسط ابزار تاشو فرکانس نشان داده شده است. با یک نمونه نمونه ورودی 491.52 مگاهرتز و فرکانس ورودی آنالوگ 150.1 مگاهرتز ، سیگنال ورودی در اولین منطقه Nyquist قرار دارد. هارمونیک دوم فرکانس ورودی در 300.2 مگاهرتز به اولین منطقه نایکوئیست در 191.32 مگاهرتز نام مستعار دارد در حالی که هارمونیک سوم در فرکانس 450.3 مگاهرتز نام مستعار به منطقه نایکیست اول در 41.22 مگاهرتز دارد. این وضعیت سیگنال در خروجی ADC قبل از عبور از DDC است. حال بیایید نحوه عبور سیگنال از بلوک های پردازش دیجیتال داخل DDC را بررسی کنیم. ما در حین عبور از هر مرحله به سیگنال نگاه خواهیم کرد و مشاهده خواهیم کرد که چگونه افسر پلیس سیگنال را جابجا می‌کند و فرآیند حذف متعاقباً سیگنال را تا می‌کند. ما نمودار را بر حسب نرخ نمونه ورودی، 491.52 MSPS حفظ خواهیم کرد و شرایط fs با توجه به این نرخ نمونه خواهد بود. بیایید روند کلی را همانطور که در شکل 8 نشان داده شده است مشاهده کنیم. NCO سیگنال های ورودی را به سمت چپ منتقل می کند. هنگامی که سیگنال در دامنه پیچیده (فرکانس منفی) فراتر از –fs/2 حرکت می کند ، به عقب در اولین منطقه Nyquist جمع می شود. در مرحله بعد ، سیگنال از طریق اولین فیلتر تخریب ، HB2 ، عبور می کند که دو عدد از بین می رود. در شکل، من روند حذف را بدون نشان دادن پاسخ فیلتر نشان می‌دهم، حتی اگر عملیات با هم انجام شوند. این برای سادگی است. پس از اولین کاهش با ضریب دو، طیف از fs/4 تا fs/2 به فرکانس های بین –fs/4 و dc تبدیل می شود. به طور مشابه، طیف از –fs/2 تا –fs/4 به فرکانس‌های بین dc و fs/4 تبدیل می‌شود. سیگنال اکنون از فیلتر حذف دوم، HB1 می گذرد، که این فیلتر نیز به XNUMX کاهش می یابد (کل کاهش مصرف در حال حاضر برابر با XNUMX است). طیف بین fs/8 و fs/4 اکنون به فرکانس بین –fs/8 و dc تبدیل می شود. به طور مشابه، طیف بین –fs/4 و –fs/8 به فرکانس‌های بین dc و fs/8 تبدیل می‌شود. اگر چه حذف در شکل نشان داده شده است، عملیات فیلتر کردن کاهش نشان داده نشده است. شکل 8. اثرات فیلترهای تخریب بر طیف خروجی ADC - مثال عمومی. نمونه ای را که قبلاً با نرخ نمونه ورودی 491.52 MSPS و فرکانس ورودی 150.1 مگاهرتز مورد بحث قرار گرفته بود ، به خاطر بیاورید. فرکانس NCO 155 مگاهرتز و نرخ تخریب برابر چهار است (با توجه به وضوح NCO ، فرکانس NCO واقعی 154.94 مگاهرتز است). این منجر به نرخ نمونه خروجی 122.88 MSPS می شود. از آنجا که AD9680 برای مخلوط کردن پیچیده پیکربندی شده است ، باید دامنه فرکانس پیچیده را در تجزیه و تحلیل خود قرار دهیم. شکل 9 نشان می دهد که ترجمه های فرکانسی بسیار شلوغ است ، اما با مطالعه دقیق می توانیم از طریق جریان سیگنال کار کنیم. شکل 9. اثرات فیلترهای تخریب بر طیف خروجی ADC - مثال واقعی. طیف پس از تغییر NCO: فرکانس اساسی از +150.1 مگاهرتز به -4.94 مگاهرتز تغییر می کند. تصویر اصلی از 150.1 مگاهرتز تغییر می کند و به 186.48 مگاهرتز می رسد. هارمونیک دوم از 191.32 مگاهرتز به 36.38 مگاهرتز تغییر می کند.  هارمونیک سوم از +41.22 مگاهرتز به -113.72 مگاهرتز تغییر می کند. طیف پس از ده دهی 2: فرکانس اساسی در -4.94 مگاهرتز باقی می ماند. تصویر فاندامنتال به -59.28 مگاهرتز ترجمه می شود و توسط فیلتر حذف HB1 ضعیف می شود. هارمونیک دوم روی 36.38 مگاهرتز باقی می ماند. هارمونیک سوم توسط فیلتر تخریب HB2 بطور قابل توجهی تضعیف می شود. طیف پس از اعشار 4 با 4.94: پایه در -XNUMX مگاهرتز باقی می ماند. تصویر اصلی در -59.28 مگاهرتز باقی می ماند. هارمونیک دوم در -36.38 مگاهرتز باقی می ماند. هارمونیک سوم فیلتر شده و عملاً توسط فیلتر حذف HB1 حذف می شود. حالا بیایید به اندازه گیری واقعی در AD9680-500 نگاه کنیم. ما می توانیم محدوده اصلی را در -4.94 مگاهرتز ببینیم. تصویر اصلی در -59.28 مگاهرتز با دامنه -67.112 dBFS قرار دارد ، به این معنی که تصویر تقریبا 66 دسی بل ضعیف شده است. هارمونیک دوم در فرکانس 36.38 مگاهرتز قرار دارد. توجه داشته باشید که VisualAnalog فرکانس های هارمونیک را به درستی پیدا نمی کند ، زیرا فرکانس NCO و نرخ های دهدهی را تفسیر نمی کند. شکل 10. نمودار خروجی پیچیده FFT سیگنال پس از DDC با NCO = 155 مگاهرتز و دهدهی 4. از FFT می‌توانیم طیف خروجی AD9680-500 را با DDC برای ورودی واقعی و خروجی پیچیده با فرکانس NCO 155 مگاهرتز (واقعی 154.94 مگاهرتز) و نرخ کاهش آن برابر با چهار ببینیم. من شما را تشویق می کنم که نمودار جریان سیگنال را طی کنید تا بفهمید که چگونه طیف تغییر می کند و ترجمه می شود. همچنین شما را تشویق می‌کنم که مثال‌های ارائه‌شده در این مقاله را با دقت مرور کنید تا تأثیرات DDC بر روی طیف خروجی ADC را درک کنید. توصیه می کنم شکل 8 را چاپ کرده و هنگام تجزیه و تحلیل طیف خروجی AD9680 ، AD9690 ، AD9691 و AD9684 ، آن را برای مرجع استفاده کنید. در حین پشتیبانی از این محصولات، من سوالات زیادی در رابطه با فرکانس هایی که در طیف خروجی ADC ها هستند و غیرقابل توضیح تلقی می شوند، داشتم. با این حال، هنگامی که تجزیه و تحلیل انجام می شود و جریان سیگنال از طریق NCO و فیلترهای decimation تجزیه و تحلیل می شود، آشکار می شود که آنچه در ابتدا به عنوان خارهای غیرقابل توضیح در طیف در نظر گرفته می شد، در واقع فقط سیگنال هایی هستند که دقیقاً در جایی که باید باشند قرار دارند. امیدوارم پس از مطالعه و مطالعه این مقاله، دفعه بعد که با یک ADC کار می کنید که دارای DDC های یکپارچه است، برای رسیدگی به سؤالات بهتر مجهز شوید. در قسمت دوم با ما همراه باشید، جایی که ما به بررسی جنبه های اضافی عملیات DDC و همچنین نحوه شبیه سازی رفتار آن ادامه خواهیم داد.

ترک یک پیام 

فهرست پیام