Data Converters Modelleren voor Accurate Systeemsimulaties

Data Converters Modelleren voor Accurate Systeemsimulaties

Ingenieurs worstelen routinematig met krappe ontwerpschema's die weinig tijd laten om sleutelvragen over data-converter prestaties te beantwoorden. Deze serie adressert die vragen, beginnend met een fundamentele verkenning van hoe analog-naar-digitale (ADC) en digitale-naar-analoge (DAC) converters te modelleren voor systeem-niveau simulaties.

In eerdere werk onderzocht de auteur of I/Q combinatie digitaal of analoog uitgevoerd moet worden, en schetste de eisen voor robuuste communicatielink-prestaties. Het huidige artikel bouwt op die fundering door te verkennen hoe de kritieke parameters van DACs en ADCs in direct-RF sampling architecturen te kwantificeren en modelleren.

Direct-RF Modulatie en Demodulatie

Figuur 1 demonstreert twee gangbare topologieën: direct RF DAC conversie voor modulatie en direct RF ADC conversie voor demodulatie. De DAC en ADC samen worden aangeduid als data converters.

Figuur 1(a). Modulator

Figuur 1(b). Demodulator

Hoewel de link-level impact van data-converter non-idealiteiten goed gedocumenteerd is, blijven de specifieke kwaliteitseisen voor DACs en ADCs in deze configuratie onder-ontwikkeld in de literatuur.

Waarom Data Converters Simuleren?

Bit-error-rate (BER) studies vereisen statistisch betekenisvolle resultaten, typisch verschillende honderd tot duizend foutgebeurtenissen. Voor een doel BER van 10^-4, vertaalt dit naar 5 miljoen bits gesimuleerde data. Het halen van dergelijke throughput vereist een beknopt, doch comprehensief convertermodel dat de meest invloedrijke kenmerken vastlegt zonder excessieve computationele overhead.

Dit artikel presenteert een systematische benadering voor modellering, gesplitst in ADC-gerichte en DAC-gerichte secties. Let op dat sigma-delta converters uitgesloten zijn in deze discussie.

Modellen voor Analog-naar-Digitale Converters (ADCs)

Sleutelreferenties ([4]–[18]) dekken analyse, modellering, en testen van high-speed ADCs. In het bijzonder studies zoals [13], [14], [16], en [17] introduceren geavanceerde modellen die non-lineair gedrag vastleggen. Echter, veel ingenieurs zoeken nog steeds een simpeler, meer intuïtieve representatie die trouw blijft aan real-world prestaties.

Figuur 2 illustreert het kwantiseringsproces van een 5-bit bi-polaire ADC, die 32 discrete uitgangsniveaus heeft. De piekspanning loopt van +0.9375 V tot –1.0 V, ongeveer ±1 V. RF-ingenieurs werken typisch met RMS-waarden; een sinusgolf van 1 V piek heeft een RMS van 0.707 V, wat –3 dB ten opzichte van full scale is. Om verwarring te vermijden, introduceren we twee eenheden: dB_peakFS voor piek-tot-full-scale ratios, en dB_rmsFS voor RMS-tot-full-scale ratios.

Figuur 2.

Bandbreedte-selectie is een andere kritieke overweging. Traditionele audio ADCs richten zich op de volledige Nyquist-bandbreedte, maar direct-RF sampling vereist alleen het deel ingenomen door het signaal plus guard bands. We definiëren de "interessante bandbreedte" als de regio die verwerkt zal worden door de digitale signaalprocessor (DSP). Figuur 3 visualiseert dit concept.

Figuur 3.

In deze figuur kunnen de signaalbandbreedte en de interessante bandbreedte in breedte samen vallen maar verschillen in centrumfrequentie door bandpas-sampling, waar de ADC-klok (f_S) fungeert als een mixer's lokale oscillator. De Nyquist-frequentie is f_Nyquist = f_S/2.

Een Invoersignaal Kiezen voor Modelontwikkeling

Het karakteriseren van een ADC vereist een testsignaal dat het dynamische gedrag blootlegt. Terwijl een single-tone sinusgolf gangbaar is in datasheets, biedt het nul bandbreedte en geen amplitudevariatie. Een two-tone input, getoond in Figuur 4, biedt zowel bandbreedte als amplitudemodulatie, wat het een praktische keuze maakt voor zowel hardwaretesten als simulatie. Veel fabrikanten leveren ook prestatiedata voor two-tone stimuli.

Figuur 4.

Andere signaalvormen – Gaussiaanse spectra, AM, FM – zijn in de literatuur voorgesteld ([4], [12]). Deze zijn minder gemeenschappelijk in commerciële testsuites maar kunnen waardevol zijn voor gespecialiseerde toepassingen.

In het volgende artikel van deze serie zullen we een ADC-model introduceren gebaseerd op het Effectieve Aantal Bits (ENOB). Tot dan kunnen lezers de afkortingen, glossaries, en referenties hieronder raadplegen.

Gebruikte Afkortingen

Glossaries

• Munson, Justin; "Understanding High Speed DAC Testing and Evaluation"; Analog Devices Application Note AN-928; 2013
• Arrants, Alex; Brannon, Brad; & Reeder, Rob; "Understanding High Speed ADC Testing and Evaluation"; Analog Devices Application Note AN-835; 2010
• Baker, Bonnie; "A Glossary of Analog‑to‑Digital Specifications and Performance Characteristics"; Texas Instruments Application Report SBAA147B; 2011
• Malobert, Franco; Data Converters; Springer Publishing; Chapters 2 and 9
• Myderrizi, I; Zeki, A; "Current‑Steering Digital‑to‑Analog Converters: Functional Specifications, Design Basics, and Behavioral Modeling"; IEEE Antennas and Propagation Magazine, vol.52, no.4, 2010

Referenties

• [1] Brodsky, Wesley; "Should I and Q Combining and Separation be done Digitally or Analogly?"; WBWC.01; 2014
• [2] Maloberti, Franco; Data Converters; Springer Publishing; 2007
• [3] VanTrees, Harry L; Detection, Estimation, and Modulation Theory, Part III; 1971
• [4] Seokjin Kim; Elkis, R.; Peckerar, M.; "Device Verification Testing of High‑Speed ADCs in Satellite Communication Systems"; IEEE Trans. Instrum. Meas.; 2009
• [5] Vedral, J.; Fexa, P.; Svatos, J.; "Using AM and FM signals for ADC testing"; I2MTC 2010
• [6] Kester, Walt; "The Good, the Bad, and the Ugly Aspects of ADC Input Noise—Is No Noise Good Noise?"; Analog Devices Tutorial MT‑004; 2008
• [7] Arrants, A.; Brannon, B.; Reeder, R.; "Understanding High Speed ADC Testing and Evaluation"; Analog Devices AN‑835; 2010
• [8] Kester, Walt; "Understand SINAD, ENOB, SNR, THD, THD+N, and SFDR"; Analog Devices MT‑003; 2008
• [9] Shinagawa, M.; Akazawa, Y.; Wakimoto, S.; "Jitter analysis of high‑speed sampling systems"; IEEE J. Solid‑State Circuits; 1990
• [10] Hummels, D.M.; Irons, F.H.; Cook, R.; Papantonopoulos, I.; "Characterization of ADCs using a non‑iterative procedure"; IEEE Trans. Circuits and Systems; 1994
• [11] de Mateo Garcia, J.C.; Armada, A.G.; "Effects of bandpass sigma‑delta modulation on OFDM signals"; IEEE Trans. Consumer Electronics; 1999
• [12] Abuelma'atti, M. T.; "Effect of Nonmonotonicity on the Intermodulation Performance of A/D Converters"; IEEE Trans. Commun.; 1985
• [13] Traverso, P.A.; Mirri, D.; Pasini, G.; Filicori, F.; "A nonlinear dynamic S/H‑ADC device model based on a modified Volterra series"; IEEE Trans. Instrum. Meas.; 2003
• [14] Fraz, H.; Bjorsell, N.; Kenney, J.S.; Sperlich, R.; "Prediction of Harmonic Distortion in ADCs using dynamic Integral Non‑Linearity model"; BMAS 2009
• [15] Kester, Walt; "ADC Noise Figure—An Often Misunderstood and Misinterpreted Specification"; Analog Devices MT‑006; 2014
• [16] Brannon, B.; MacLeod, T.; "How ADIsimADC Models an ADC"; Analog Devices AN‑737; 2009
• [17] Dardari, D.; "Joint clip and quantization effects characterization in OFDM receivers"; IEEE Trans. Circuits and Systems I; 2006
• [18] Lavrador, P.M.; de Carvalho, N.B.; Pedro, J.C.; "Evaluation of signal‑to‑noise and distortion ratio degradation in nonlinear systems"; IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques; 2004
• [18A] Gray, R.M.; "Quantization Noise Spectra"; IEEE Trans. Information Theory; 1990
• [19] Wikner, J.J.; Tan, N.; "Modeling of CMOS digital‑to‑analog converters for telecommunication"; IEEE Trans. Circuits and Systems II; 1999
• [20] Angrisani, L.; D'Arcò, M.; "Modeling Timing Jitter Effects in DACs"; IEEE Trans. Instrum. Meas.; 2009
• [21] D'Apuzzo, M.; D'Arcò, M.; Liccardo, A.; Vadursi, M.; "Modeling DAC Output Waveforms"; IEEE Trans. Instrum. Meas.; 2010
• [22] Myderrizi, I.; Zeki, A.; "Current‑Steering DACs: Functional Specifications, Design Basics, and Behavioral Modeling"; IEEE Antennas and Propagation Magazine; 2010
• [23] Lee, S.M.; Taleie, S.M.; Saripalli, G.R.; Seo, D.; "Clock‑Phase‑Noise‑Induced TX Leakage Estimation of a Baseband Wireless Transmitter DAC"; IEEE Trans. Circuits and Systems II; 2012
• [24] Naoues, M.; Morche, D.; Dehos, C.; Barrak, R.; Ghazel, A.; "Novel behavioral DAC modeling technique for WirelessHD system specification"; ICECS 2009
• [25] Bae, K.; Shin, C.; Powers, E.J.; "Performance Analysis of OFDM Systems with Selected Mapping in the Presence of Nonlinearity"; IEEE Trans. Wireless Communications; 2013
• [26] Ling, W.A.; "Shaping Quantization Noise and Clipping Distortion in Direct‑Detection Discrete Multitone"; Lightwave Technology; 2014
• [27] Engel, G.; Fague, D.E.; Toledano, A.; "RF digital‑to‑analog converters enable direct synthesis of communications signals"; IEEE Commun. Mag.; 2012
• [28] Pearson, C.; "High Speed, Digital to Analog Converters Basics"; Texas Instruments SLAA523A; 2012
• [29] Munson, J.; "Understanding High Speed DAC Testing and Evaluation"; Analog Devices AN‑928; 2013