Que pasa cos downconversers dixitais: parte 1

Moitas arquitecturas de radio actuais conteñen etapas de conversión descendente que traducen unha banda de frecuencia de RF ou de microondas a unha frecuencia intermedia para o procesamento de banda base. Independentemente da aplicación final, xa se trate de comunicacións, aeroespacial e defensa ou instrumentación, as frecuencias de interese están aumentando no espectro de RF e microondas. Unha posible solución a este escenario é utilizar un número crecente de etapas de conversión descendente, como o que se mostra na Figura 1. Non obstante, outra solución máis eficiente é utilizar un ADC de RF cun convertidor descendente dixital (DDC) integrado como se mostra na Figura 2. Figura 1. Cadea de sinal analóxico do receptor típico con etapas de conversión descendente. A integración da funcionalidade DDC cun ADC de RF elimina a necesidade de etapas analóxicas de conversión descendente adicionais e permite converter o espectro no dominio de frecuencia de RF directamente en banda base para o seu procesamento. A capacidade do ADC de RF para procesar o espectro no dominio da frecuencia de gigahercios alivia a necesidade de realizar posibles conversións descendentes múltiples no dominio analóxico. A capacidade do DDC permite a sostenibilidade do espectro, así como o filtrado mediante o filtrado por decimación, que tamén proporciona a vantaxe de mellorar o rango dinámico dentro da banda (aumenta a SNR). Podes atopar máis discusión sobre este tema aquí, "Non o ADC do teu avó" e aquí, "Os ADC de Gigasample prometen conversión directa de RF". Estes artigos ofrecen algunha discusión adicional sobre o AD9680 e o AD9625 e a súa funcionalidade DDC. Figura 2. Cadea de sinal do receptor usando un ADC RF cun DDC. O foco principal aquí estará na funcionalidade DDC que existe no AD9680 (así como no AD9690, AD9691 e AD9684). Para comprender a funcionalidade do DDC e como analizar o espectro de saída cando o DDC se emprega cun ADC, botaremos unha ollada a un exemplo co AD9680-500. Como axuda, utilizarase a ferramenta de dobramento de frecuencia do sitio web de Analog Devices. Esta ferramenta sinxela pero poderosa pódese usar para axudar a comprender os efectos de aliasing dun ADC, que é o primeiro paso para analizar o espectro de saída nun ADC de RF con DDC integrados como o AD9680. Neste exemplo, o AD9680-500 funciona cun reloxo de entrada de 368.64 MHz e unha frecuencia de entrada analóxica de 270 MHz. En primeiro lugar, é importante comprender a configuración dos bloques de procesamento dixital do AD9680. O AD9680 configurarase para usar o convertidor descendente dixital (DDC) onde a entrada é real, a saída é complexa, a frecuencia de sintonización do oscilador de control numérico (NCO) está configurada en 98 MHz, o filtro de media banda 1 (HB1) está habilitado, e a ganancia de 6 dB está activada. Dado que a saída é complexa, o bloque de conversión complexo a real está desactivado. Na figura 3 móstrase o diagrama básico do DDC. Para comprender como se procesan os tons de entrada, é importante comprender que o sinal pasa primeiro polo NCO, que cambia os tons de entrada en frecuencia, despois pasa pola decimación, opcionalmente polo bloque de ganancia e despois opcionalmente polo conversión complexa a real. Figura 3. Bloques de procesamento de sinal DDC no AD9680. É importante comprender tamén a vista macro do fluxo de sinal a través do AD9680. O sinal entra polas entradas analóxicas, pasa polo núcleo ADC, no DDC, despois polo serializador JESD204B e despois sae polas pistas de saída en serie JESD204B. Isto é ilustrado polo diagrama de bloques do AD9680 que se mostra na Figura 4. Figura 4. Diagrama de bloques AD9680. Cun reloxo de mostra de entrada de 368.64 MHz e unha frecuencia de entrada analóxica de 270 MHz, o sinal de entrada farase un alias na primeira zona de Nyquist a 98.64 MHz. O segundo armónico da frecuencia de entrada aliarase na primeira zona de Nyquist a 171.36 MHz mentres que o terceiro armónico a 72.72 MHz. Isto é ilustrado pola gráfica da ferramenta de dobramento de frecuencia na figura 5. Figura 5. Espectro de saída ADC ilustrado pola ferramenta de plegamento de frecuencia. O gráfico da ferramenta de plegamento de frecuencia que se mostra na Figura 5 dá o estado do sinal na saída do núcleo ADC antes de que pase polo DDC no AD9680. O primeiro bloque de procesamento polo que pasa o sinal no AD9680 é o NCO que desprazará o espectro cara á esquerda no dominio da frecuencia en 98 MHz (recordemos que a nosa frecuencia de sintonía é de 98 MHz). Isto cambiará a entrada analóxica de 98.64 MHz a 0.64 MHz, o segundo harmónico baixará a 73.36 MHz e o terceiro harmónico baixará a –25.28 MHz (recordemos que estamos a ver unha saída complexa). Isto móstrase no gráfico FFT de Visual Analog na Figura 6 a continuación. Figura 6. Saída complexa FFT despois dun DDC con NCO = 98 MHz e diezmado en 2. A partir do gráfico FFT da Figura 6, podemos ver claramente como o NCO cambiou as frecuencias que observamos na ferramenta de dobramento de frecuencias. O interesante é que vemos un ton inexplicable na FFT. Non obstante, este ton é realmente inexplicable? O NCO non é subxectivo e cambia todas as frecuencias. Neste caso, cambiou o alias do ton de entrada fundamental 98 MHz ata 0.64 MHz e cambiou o segundo harmónico a 73.36 MHz e o terceiro harmónico a –25.28 MHz. Ademais, tamén se cambiou outro ton e aparece en 86.32 MHz. De onde saíu realmente este ton? O procesamento de sinal do DDC ou do ADC produciu dalgún xeito este ton? Ben, a resposta é non... e si. Vexamos este escenario un pouco máis de preto. A ferramenta de dobramento de frecuencia non inclúe a compensación de CC do ADC. Esta compensación de CC da como resultado un ton presente en CC (ou 0 Hz). A ferramenta de pregado en frecuencia supón un ADC ideal que non tería compensación de corrente continua. Na saída real do AD9680, o ton de compensación de CC a 0 Hz desprázase en frecuencia ata -98 MHz. Debido á complexa mestura e decimación, este ton de compensación de CC replícase á primeira zona de Nyquist no dominio da frecuencia real. Cando se observa un sinal de entrada complexo onde un ton cambia á segunda zona de Nyquist no dominio de frecuencia negativa, envolverase na primeira zona de Nyquist no dominio de frecuencia real. Dado que temos activada a decimación cunha taxa de decimación igual a dous, a nosa zona de decimación de Nyquist ten 92.16 MHz de ancho (recordemos: fs = 368.64 MHz e a frecuencia de mostraxe decimada é de 184.32 MHz, que ten unha zona de Nyquist de 92.16 MHz). O ton de compensación de CC desprázase a –98 MHz, que é un delta de 5.84 MHz desde o límite da zona de Nyquist diezmada a 92.16 MHz. Cando este ton se dobra cara atrás na primeira zona de Nyquist, acaba co mesmo desfase do límite da zona de Nyquist no dominio da frecuencia real, que é 92.16 MHz – 5.84 MHz = 86.32 MHz. Aquí é exactamente onde vemos o ton na trama FFT anterior! Polo tanto, tecnicamente, o ADC está a producir o sinal (xa que é a compensación de CC) e o DDC está a movelo un pouco. Aquí é onde entra unha boa planificación de frecuencia. A planificación adecuada da frecuencia pode axudar a evitar situacións como esta. Agora que miramos un exemplo usando o filtro NCO e HB1 cunha taxa de decimación igual a dous, imos engadir un pouco máis ao exemplo. Agora aumentaremos a taxa de decimación no DDC para ver os efectos do pregamento de frecuencia e a tradución cando se emprega unha taxa de decimación máis alta xunto coa sintonización de frecuencia co NCO. Neste exemplo veremos o AD9680-500 que funciona cun reloxo de entrada de 491.52 MHz e unha frecuencia de entrada analóxica de 150.1 MHz. O AD9680 estará configurado para usar o convertidor descendente dixital (DDC) cunha entrada real, unha saída complexa, unha frecuencia de sintonía NCO de 155 MHz, filtro de media banda 1 (HB1) e filtro de media banda 2 (HB2) activado (total taxa de decimación é igual a catro) e 6 dB de ganancia activada. Dado que a saída é complexa, o bloque de conversión complexo a real está desactivado. Lembre da Figura 3 o diagrama básico para o DDC, que dá o fluxo de sinal a través do DDC. Unha vez máis o sinal pasa primeiro polo NCO, que cambia os tons de entrada en frecuencia, despois pasa polo decimación, polo bloque de ganancia e, no noso caso, evita a conversión complexa a real. Unha vez máis, utilizaremos a ferramenta de dobramento de frecuencia para axudar a comprender os efectos de aliasing do ADC para avaliar onde se situarán a frecuencia de entrada analóxica e os seus harmónicos no dominio da frecuencia. Neste exemplo temos un sinal real, unha taxa de mostraxe de 491.52 MSPS, a taxa de decimación está establecida en catro e a saída é complexa. Na saída do ADC, o sinal aparece como se ilustra a continuación na Figura 7 coa ferramenta de plegado de frecuencia. Figura 7. Espectro de saída ADC ilustrado pola ferramenta de plegamento de frecuencia. Cun reloxo de mostra de entrada de 491.52 MHz e unha frecuencia de entrada analóxica de 150.1 MHz, o sinal de entrada residirá na primeira zona de Nyquist. O segundo harmónico da frecuencia de entrada a 300.2 MHz aliarase na primeira zona Nyquist a 191.32 MHz mentres que o terceiro harmónico a 450.3 MHz aliasase á primeira zona Nyquist a 41.22 MHz. Este é o estado do sinal na saída do ADC antes de que pase polo DDC. Agora vexamos como pasa o sinal polos bloques de procesamento dixital dentro do DDC. Observaremos o sinal a medida que pasa por cada etapa e observaremos como o NCO cambia o sinal e o proceso de decimación dobra o sinal posteriormente. Manteremos o gráfico en canto á frecuencia de mostraxe de entrada, 491.52 MSPS e os termos fs serán con respecto a esta frecuencia de mostraxe. Observemos o proceso xeral como se mostra na Figura 8. O suboficial desprazará os sinais de entrada cara á esquerda. Unha vez que o sinal no dominio complexo (frecuencia negativa) desprácese máis aló de –fs/2, volverase a dobrar cara á primeira zona de Nyquist. A continuación, o sinal pasa polo primeiro filtro de decimación, HB2, que diezma en dous. Na figura, estou mostrando o proceso de decimación sen mostrar a resposta do filtro aínda que as operacións se produzan xuntas. Isto é por simplicidade. Despois da primeira decimación por un factor de dous, o espectro de fs/4 a fs/2 tradúcese en frecuencias entre –fs/4 e dc. Do mesmo xeito, o espectro de –fs / 2 a –fs / 4 tradúcese nas frecuencias entre dc e fs / 4. O sinal pasa agora polo segundo filtro de decimación, HB1, que tamén diezma en dous (a decimación total agora é igual a catro). O espectro entre fs/8 e fs/4 agora traducirase ás frecuencias entre –fs/8 e dc. Do mesmo xeito, o espectro entre –fs/4 e –fs/8 traducirase ás frecuencias entre dc e fs/8. Aínda que a decimación está indicada na figura, a operación de filtrado de decimación non se mostra. Figura 8. Efectos dos filtros de decimación no espectro de saída do ADC: exemplo xenérico. Lembre o exemplo comentado anteriormente cunha frecuencia de mostraxe de entrada de 491.52 MSPS e unha frecuencia de entrada de 150.1 MHz. A frecuencia NCO é de 155 MHz e a taxa de decimación é igual a catro (debido á resolución NCO, a frecuencia NCO real é de 154.94 MHz). Isto dá como resultado unha taxa de mostraxe de saída de 122.88 MSPS. Dado que o AD9680 está configurado para mesturas complexas, necesitaremos incluír o dominio da frecuencia complexa na nosa análise. A figura 9 mostra que as traducións de frecuencia están bastante ocupadas, pero cun estudo coidadoso podemos abrirnos camiño a través do fluxo de sinal. Figura 9. Efectos dos filtros de decimación no espectro de saída do ADC: exemplo real. Espectro despois do cambio NCO: a frecuencia fundamental cambia de +150.1 MHz a –4.94 MHz. A imaxe do fundamental cambia de –150.1 MHz e envolve a 186.48 MHz. O segundo armónico pasa de 191.32 MHz a 36.38 MHz.  O terceiro harmónico cambia de +41.22 MHz a –113.72 MHz. Espectro despois de decimar en 2: a frecuencia fundamental mantense en –4.94 MHz. A imaxe do fundamental tradúcese ata –59.28 MHz e é atenuada polo filtro de decimación HB1. O segundo harmónico mantense en 36.38 MHz. O terceiro harmónico é atenuado significativamente polo filtro de decimación HB2. Espectro despois do décima en 4: o fundamental mantense en –4.94 MHz. A imaxe do fundamental mantense en –59.28 MHz. O segundo harmónico mantense en –36.38 MHz. O terceiro harmónico é filtrado e practicamente eliminado polo filtro de decimación HB1. Agora vexamos a medida real do AD9680-500. Podemos ver que o fundamental reside en –4.94 MHz. A imaxe do fundamental reside en –59.28 MHz cunha amplitude de –67.112 dBFS, o que significa que a imaxe se atenuou aproximadamente 66 dB. O segundo harmónico reside en 36.38 MHz. Teña en conta que VisualAnalog non atopa correctamente as frecuencias harmónicas xa que non interpreta a frecuencia NCO e as taxas de decimación. Figura 10. Gráfica de saída complexa FFT do sinal despois de DDC con NCO = 155 MHz e decima en 4. Desde a FFT podemos ver o espectro de saída do AD9680-500 co DDC configurado para unha entrada real e unha saída complexa cunha frecuencia NCO de 155 MHz (154.94 MHz reais) e unha taxa de decimación igual a catro. Anímovos a que percorrades o diagrama de fluxo de sinal para comprender como se despraza e traduce o espectro. Tamén che animaría a percorrer coidadosamente os exemplos proporcionados neste artigo para comprender os efectos do DDC no espectro de saída do ADC. Recomendo imprimir a Figura 8 e mantela a man como referencia cando se analice o espectro de saída do AD9680, AD9690, AD9691 e AD9684. Ao apoiar estes produtos, tiven moitas preguntas relacionadas coas frecuencias que están no espectro de saída dos ADC que se consideran inexplicables. Non obstante, unha vez que se fai a análise e se analiza o fluxo de sinal a través do NCO e dos filtros de decimación, faise evidente que o que nun principio se consideraba espuelas inexplicables no espectro son en realidade só sinais que residen exactamente onde deberían estar. Espero que despois de ler e estudar este artigo estea mellor equipado para xestionar preguntas a próxima vez que estea a traballar cun ADC que teña DDC integrados. Estade atentos á segunda parte, onde seguiremos examinando aspectos adicionais da operación DDC e tamén como podemos simular o seu comportamento.

Deixar unha mensaxe 

Lista de mensaxes