Hoe moeten gegevensconverters worden gemodelleerd voor systeemsimulaties?
Dit artikel lanceert een serie waarin de vraag wordt onderzocht hoe gegevensconverters voor systeemsimulaties kunnen worden gemodelleerd.
Ingenieurs vragen zich vaak af. Terwijl ze aan verschillende projecten werken met strakke ontwerpschema's, stellen ze zich vaak vragen waar ze wel een antwoord op willen vinden, maar waar ze geen tijd voor hebben. Ze vragen zich nog steeds af.
In de loop van zijn technische werk heeft uw auteur zich afgevraagd over verschillende vragen met betrekking tot de overdracht van gegevens van en naar een RF-analoog signaal en I- en Q-digitale signalen. Onlangs heeft hij tijd gehad om de antwoorden op een aantal van deze vragen na te gaan en heeft hij alle resultaten die hij heeft kunnen verkrijgen beschikbaar gesteld in technische artikelen. Een dergelijk vorig artikel ging in op de vraag "Moeten I en Q combineren en scheiden digitaal of analoog worden gedaan?" en een ander bood "Vereisten voor goede communicatielinkprestaties".
Afbeelding 1 van dat eerste artikel toont de mogelijkheid van directe RF digitaal-naar-analoog conversie en directe RF analoog-naar-digitaal conversie. (Merk op dat digitaal-naar-analoog-omzetters {DAC's} en analoog-naar-digitaal-omzetters {ADC's} gezamenlijk "gegevensomzetters" worden genoemd.)
Figuur 1(a). Modulator
Figuur 1(b). Demodulator
In dat artikel vroeg uw auteur zich één ding af:wat zijn de kwaliteitseisen voor de DAC en ADC in afbeelding 1 voor goede prestaties van de communicatieverbinding? Er leek niet veel te zijn gepubliceerd over deze vraag.
Dit zette hem ertoe aan zich af te vragen:als hij een dataconverter in een communicatieverbinding zou simuleren, hoe zou die dan gemodelleerd moeten worden?
Voor simulaties van bitfoutfrequentie (BER) wordt het aantal gevonden bitfouten gedeeld door het totale aantal bits om BER te berekenen. Voor statistisch significante resultaten moeten er enkele honderden tot duizenden fouten worden geteld. Zelfs voor een vrij hoge BER van 10-4; 500 fouten tellen kost 5 miljoen bits. Om de simulatie in een redelijk korte tijd te laten draaien, moet er een vrij eenvoudig model worden gevonden dat alle relevante kenmerken van de dataconverter goed vastlegt.
Dit artikel beschrijft de informatie die hij vond. Het was nuttig om de discussie op te splitsen in een discussie over ADC's en DAC's. Opmerking toegevoegd in versie .02; Sigma-Delta type dataconverters komen niet aan bod in dit artikel.
Modellen voor analoog-naar-digitaal-omzetters (ADC's)
Referenties [4] tot [18] hieronder bespreken analyse, modellen, simulatie, testen en specificaties voor ADC's. Met name [13], [14], [16] en [17] presenteren modellen die een bepaald aspect van ADC-prestaties modelleren. Als ingenieur vroeg uw auteur zich af of een eenvoudiger, gemakkelijker te begrijpen model mogelijk was.
Figuur 2 toont de kwantisering van een 5-bit ADC. Er zijn 2 5 =32 niveaus. Omdat de ingang zowel positief als negatief kan zijn, wordt dit bipolaire ingang ADC genoemd. Een aspect hiervan waar uw auteur zich over had afgevraagd, was het verschil tussen dB ten opzichte van volledige schaal (FS) tussen het piek- en het gemiddelde signaal.
Figuur 2.
De piekspanning van het signaal in figuur 2 ligt tussen +0,9375 Volt (FS+) en -1 Volt (FS-); wat ±1 Volt is voor een goede benadering.
RF-technici zijn gewend om met de rms-waarden van signalen om te gaan. De effectieve waarde van de sinusgolf is 0,707 Volt, - 3 dB ten opzichte van FS. Aangezien dit uw auteur in het verleden in verwarring heeft gebracht, heeft hij ervoor gekozen om de eenheden dBpeakFS (dB van de spanningspiek van het signaal ten opzichte van de volledige schaal) en dBrmsFS (dB van de rms-waarde van het signaal ten opzichte van de volledige schaal) te definiëren.
Een ander probleem betreft de bandbreedte van de ADC-uitgang waar iemand zich zorgen over maakt. Voor vroege audiotoepassingen van ADC's waren mensen over het algemeen bezorgd over de volledige Nyquist-bandbreedte.
Voor directe RF-bemonstering, zoals weergegeven in figuur 1 (b), is echter alleen het deel van de Nyquist-band dat door het signaal wordt ingenomen, plus een beetje voor bewakingsbanden, van belang. Dit bracht uw auteur ertoe de "interessante bandbreedte" te definiëren, zoals weergegeven in figuur 3.
"Interessante bandbreedte" is de bandbreedte die wordt verwerkt door de digitale signaalverwerking (DSP). Het is meestal de gewenste signaalbandbreedte of iets breder.
Figuur 3.
Merk op dat in figuur 3, hoewel het signaal en de "interessante" bandbreedtes hetzelfde zijn, de middenfrequenties van de twee dat niet zijn. Dit kan komen door de bandpass-sampling beschreven in ons eerste artikel, waarbij de ADC-klok fungeert als de lokale oscillator van een mixer. De frequentie van de ADC-klok wordt aangeduid met fS. De Nyquist-frequentie =FNyquist =fS /2 .
Keuze van een ingangssignaal voor het implementeren van een model
Om de ADC te karakteriseren om een goed model te maken, is het noodzakelijk om een bruikbaar ingangssignaal te definiëren. De meeste ADC-specificaties worden gemaakt met een enkele sinusgolfingang. Omdat dit echter een bandbreedte van 0 Hz heeft en geen omhullende variatie, leek het geen erg goed signaal. Een 2-toons ingang, weergegeven in figuur 4, heeft een bandbreedte van meer dan 0 Hz en heeft een amplitudevariatie. Het is eenvoudig te genereren op de testbank met behulp van twee hoogwaardige signaalbronnen en de juiste vermogenscombinatie. Bovendien bevatten de meeste datasheets enige informatie over de prestaties van het apparaat met een 2-tone ingang.
Figuur 4.
In [4] en [12] werd ook een tweetonig testsignaal voorgesteld. Andere testsignalen die zijn voorgesteld, zijn een Gauss-ingang met een willekeurige spectrumvorm [17] en AM- of FM-signalen [5]. Deze vereisen doorgaans minder gebruikelijke signaalgeneratoren en worden meestal niet in datasheets weergegeven als invoer voor tests.
In het volgende artikel bespreken we een ADC-model met een effectief aantal bits (ENOB).
Raadpleeg voor de rest van deze serie de volgende tabel met afkortingen, woordenlijsten en referenties.
Gebruikte afkortingen
Woordenlijsten
Munson, Justin; "Inzicht in het testen en evalueren van DAC's met hoge snelheid"; Analog Devices Application Note AN-928; 2013
Arrants, Alex; Brannon, Brad; &Reeder, Rob; "Inzicht in ADC-testen en -evaluatie op hoge snelheid''; toepassingsnota analoge apparaten AN-835; 2010
Bakker, Bonnie; "Een woordenlijst van analoog-naar-digitaal specificaties en prestatiekenmerken"; Texas Instruments-toepassingsrapport SBAA147B; 2011
Malobert, Franco; gegevensconverters; Uitgeverij Springer; Hoofdstukken 2:"Specificaties van gegevensomzetter"; en 9:“Testen van D/A- en A/D-converters”
Myderrizi, ik; Zeki, A, "Current-Steering Digital-to-Analog Converters:Functional Specifications, Design Basics, and Behavioral Modeling," Antennas and Propagation Magazine, IEEE, vol.52, no.4, pp.197.208, aug. 2010; Sectie 3. "Functionele specificaties voor prestatiekarakterisering van een DAC"
Referenties
Algemene informatie
[1] Brodsky, Wesley; "Moeten I en Q Combineren en Scheiding digitaal of analoog gebeuren?"; WesBrodsky Wireless Communication Whitepaper:WBWC.01; 2014
[2] Maloberti, Franco; gegevensconverters; Uitgeverij Springer; 2007
[3] VanTrees, Harry L; Detectie-, schattings- en modulatietheorie, deel III, Radar/Sonar-signaalverwerking en Gauss-signalen in ruis; John Wiley en zonen; 1971. Bijlage:"Complexe weergave van bandpass-signalen, systemen en processen"
ADC-analyse, modellen, simulatie, testen en specificaties
[4] Seokjin Kim; Elkis, R.; Peckerar, Martin, "Device Verification Testing of High-Speed analoog-naar-digital converters in Satellite Communication Systems", Instrumentation and Measurement, IEEE Transactions on, vol.58, no.2, pp.270.280, februari 2009
[5] Vedral, J.; Fexa, P.; Svatos, J., "Using of AM and FM signal for ADC testing", Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC), 2010 IEEE, vol., nr., pp.508.511, 3-6 mei 2010
[6] Kester, Walt; "De goede, de slechte en de lelijke aspecten van ADC-invoerruis - is geen ruis goed ruis?"; Zelfstudie analoge apparaten MT-004; 2008
[7] Arrants, Alex; Brannon, Brad; Reeder, Rob; "Inzicht in het testen en evalueren van ADC met hoge snelheid"; Toepassingsnota analoge apparaten AN-835; 2010
[8] Kester, Walt; "Begrijp SINAD, ENOB, SNR, THD, THD + N en SFDR zodat u niet verdwaalt in de geluidsvloer"; Zelfstudie analoge apparaten MT-003; 2008
[9] Shinagawa, M.; Akazawa, Yukio; Wakimoto, Tsutomu, "Jitter-analyse van snelle bemonsteringssystemen", Solid-State Circuits, IEEE Journal of, vol.25, no.1, pp.220.224, februari 1990
[10] Hummels, DM; Strijkijzers, F.H.; Kok, R.; Papantonopoulos, I, "Karakterisering van ADC's met behulp van een niet-iteratieve procedure", Circuits and Systems, 1994. ISCAS '94., 1994 IEEE International Symposium on, vol.2, nr., pp.5,8 vol.2, 30 mei-2 juni 1994
[11] de Mateo Garcia, J.C.; Armada, AG., "Effects of bandpass sigma-delta modulation on OFDM-signalen," Consumer Electronics, IEEE Transactions on, vol.45, no.2, pp.318.326, mei 1999
[12] Abuelma'atti, Muhammad Taher, "Effect of Nonmonotonicity on the Intermodulation Performance of A/D Converters," Communications, IEEE Transactions on, vol.33, no.8, pp.839.843, aug 1985
[13] Traverso, PA; Mirri, D.; Pasini, G.; Filicori, F., "Een niet-lineair dynamisch S/H-ADC-apparaatmodel gebaseerd op een gemodificeerde Volterra-serie:identificatieprocedure en commerciële CAD-toolimplementatie," Instrumentation and Measurement, IEEE Transactions on, vol.52, no.4, pp. 1129,1135, aug. 2003
[14] Fraz, H.; Bjorsell, N.; Kenney, JS; Sperlich, R., "Voorspelling van harmonische vervorming in ADC's met behulp van dynamisch integraal niet-lineariteitsmodel", Workshop gedragsmodellering en simulatie, 2009. BMAS 2009. IEEE, pp.102.107, 17-18 september 2009
[15] Kester, Walt; "ADC-ruiscijfer - een vaak verkeerd begrepen en verkeerd geïnterpreteerde specificatie"; Zelfstudie analoge apparaten MT-006; 2014
[16] Brannon, Brad; MacLeod, Tom; "Hoe ADIsimADC een ADC modelleert"; Analog Devices Application Note AN-737; 2009
[17] Dardari, D., "Gezamenlijke clip- en kwantisatie-effectenkarakterisering in OFDM-ontvangers," Circuits and Systems I:Regular Papers, IEEE Transactions on, vol.53, no.8, pp.1741,1748, aug. 2006
[18] Lavrador, Pedro Miguel; de Carvalho, NB; Pedro, Jose Carlos, "Evaluatie van signaal-ruis- en vervormingsverhoudingen in niet-lineaire systemen," Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, vol.52, no.3, pp.813.822, maart 2004
[18A] Gray, Robert M.; "Kwantiseringsruisspectra"; Informatietheorie, IEEE-transacties op; vol. 36, nr. 6; november 1990; pagina's 1220 tot 1244.
DAC-analyse, modellen, simulatie, testen en specificaties
[19] Wikner, JJ; Nianxiang Tan, "Modeling van CMOS digitaal-naar-analoog-converters voor telecommunicatie," Circuits and Systems II:Analog and Digital Signal Processing, IEEE Transactions on, vol.46, no.5, pp.489.499, mei 1999
[20] Angrisani, L.; D'Arco, M., "Modeling Timing Jitter Effects in Digital-to-Analog Converters", Instrumentation and Measurement, IEEE Transactions on, vol.58, no.2, pp.330.336, februari 2009
[21] D'Apuzzo, M.; D'Arco, M.; Liccardo, A; Vadursi, M., "Modeling DAC Output Waveforms", Instrumentation and Measurement, IEEE Transactions on, vol.59, no.11, pp.2854,2862, november 2010
[22] Myderrizi, ik; Zeki, A, "Current-Steering Digital-to-Analog Converters:Functional Specifications, Design Basics, and Behavioral Modeling," Antennas and Propagation Magazine, IEEE, vol.52, no.4, pp.197.208, aug. 2010
P>[23] Zong Min Lee; Taleie, SM; Saripalli, GR; Dongwon Seo, "Clock-Phase-Noise-Induced TX Leakage Estimation of a Baseband Wireless Transmitter DAC," Circuits and Systems II:Express Briefs, IEEE Transactions on, vol.59, no.5, pp.277.281, mei 2012
P>[24] Naoues, M.; Morche, D.; Dehos, C.; Barrak, R.; Ghazel, A, "Nieuwe gedragsmatige DAC-modelleringstechniek voor WirelessHD-systeemspecificatie", Electronics, Circuits, and Systems, 2009. ICECS 2009. 16e IEEE International Conference on, vol., nr., pp.543.546, 13-16 december 2009
[25] Kitaek Bae; Changyong-shin; Powers, E.J., "Performance Analysis of OFDM Systems with Selected Mapping in the Presence of Nonlinearity", Wireless Communications, IEEE Transactions on, vol.12, no.5, pp.2314,2322, mei 2013
[26] Ling, W.A, "Shaping Quantization Noise and Clipping Distortion in Direct-Detection Discrete Multitone", Lightwave Technology, Journal of, vol.32, no.9, pp.1750,1758, 1 mei 2014
[27] Engel, G.; Fague, DE; Toledano, A, "RF digitaal-naar-analoog-converters maken directe synthese van communicatiesignalen mogelijk", Communications Magazine, IEEE, vol.50, no.10, pp.108,116, oktober 2012
[28] Pearson, Chris; "Hoge snelheid, digitaal naar analoog converters Basics"; Texas Instruments-toepassingsrapport SLAA523A; 2012
[29] Munson, Justin; "Inzicht in het testen en evalueren van DAC's met hoge snelheid"; Analog Devices Application Note AN-928; 2013
Internet of Things-technologie
- Hoe definieer je een datastrategie voor een multicloudwereld
- Smart Parking:hoe gemeenten en ontwikkelaars zich moeten voorbereiden op de lancering van een stadsbrede applicatie
- Hoe u zich voorbereidt op AI met behulp van IoT
- Hoe bedrijven IoT kunnen gebruiken voor grootschalige gegevensverzameling en analyse
- Is uw systeem klaar voor IoT?
- Hoe is een op IoT gebaseerd Ambience Monitoring-systeem gunstig voor de gezondheidszorg?
- Hoe IoT het voertuigvolgsysteem mogelijk maakt?
- Waarom zou u een draadloos niveaubewakingssysteem voor grote opslagtanks gebruiken?
- Externe invoer voor geprogrammeerde waarden
- Plannen voor en investeren in een nieuw CAD/CAM-systeem
- De juiste zorg voor uw luchtcompressor