Wie sollten Datenkonverter für Systemsimulationen modelliert werden?

Dieser Artikel startet eine Reihe, die sich mit der Frage beschäftigt, wie Datenkonverter für Systemsimulationen modelliert werden können.

Ingenieure fragen sich oft. Während sie an verschiedenen Projekten mit engen Zeitplänen arbeiten, stellen sie sich oft Fragen, auf die sie Antworten finden möchten, aber keine Zeit haben. Sie fragen sich immer noch.

Ihr Autor hat sich im Laufe seiner Ingenieursarbeit über verschiedene Fragen zur Übertragung von Daten zu und von einem HF-Analogsignal und I- und Q-Digitalsignalen Gedanken gemacht. In letzter Zeit hatte er Zeit, den Antworten auf einige dieser Fragen nachzugehen, und hat alle Ergebnisse, die er erzielen konnte, in Fachartikeln veröffentlicht. Ein solcher früherer Artikel befasste sich mit der Frage „Sollte die Kombination und Trennung von I und Q digital oder analog erfolgen?“ und ein anderer bot "Anforderungen für eine gute Kommunikationsverbindungsleistung" an.

Abbildung 1 aus diesem ersten Artikel zeigt die Option der direkten HF-Digital-Analog-Wandlung und der direkten HF-Analog-Digital-Wandlung. (Beachten Sie, dass Digital-Analog-Wandler {DACs} und Analog-Digital-Wandler {ADCs} gemeinsam als „Datenwandler“ bezeichnet werden.)

Abbildung 1(a). Modulator

Abbildung 1(b). Demodulator

In diesem Artikel fragte sich Ihr Autor:Was sind die Qualitätsanforderungen an den DAC und ADC in Abbildung 1 für eine gute Kommunikationsverbindungsleistung? Zu dieser Frage scheint nicht viel veröffentlicht worden zu sein.

Dies brachte ihn dazu, sich zu fragen, wenn er einen Datenkonverter in einer Kommunikationsverbindung simulieren sollte, wie sollte dieser modelliert werden?

Bei Simulationen der Bitfehlerrate (BER) wird die Anzahl der gefundenen Bitfehler durch die Gesamtzahl der Bits geteilt, um die BER zu berechnen. Für statistisch signifikante Ergebnisse sollten mehrere hundert bis tausend Fehler gezählt werden. Selbst für eine ziemlich hohe BER von 10-4; 500 Fehler zu zählen braucht 5 Millionen Bits. Damit die Simulation in vertretbar kurzer Zeit ablaufen kann, muss ein relativ einfaches Modell gefunden werden, das alle relevanten Datenkonverter-Eigenschaften angemessen erfasst.

Dieser Artikel beschreibt die Informationen, die er gefunden hat. Es war sinnvoll, die Diskussion in ADCs und DACs aufzuteilen. Hinweis in Version .02 hinzugefügt; Datenkonverter vom Typ Sigma-Delta werden in diesem Artikel nicht berücksichtigt.

Modelle für Analog-Digital-Wandler (ADCs)

Die folgenden Referenzen [4] bis [18] diskutieren Analyse, Modelle, Simulation, Tests und Spezifikationen für ADCs. Insbesondere [13], [14], [16] und [17] präsentieren Modelle, die einige Aspekte der ADC-Leistung modellieren. Als Ingenieur fragte sich Ihr Autor, ob ein einfacheres, leichter verständliches Modell möglich wäre.

Abbildung 2 zeigt die Quantisierung eines 5-Bit-ADC. Es gibt 2 ⁵ =32 Stufen. Da der Eingang positiv und negativ sein kann, wird dies als bipolarer Eingang ADC bezeichnet. Ein Aspekt, über den sich Ihr Autor Gedanken gemacht hatte, war der Unterschied zwischen dB relativ zum Vollausschlag (FS) zwischen dem Spitzen- und dem Durchschnittssignal.

Abbildung 2.

Die Spitzenspannung des Signals in Abbildung 2 liegt zwischen +0,9375 Volt (FS+) und -1 Volt (FS-); was in guter Näherung ±1 Volt beträgt.

HF-Ingenieure sind es gewohnt, mit den Effektivwerten von Signalen umzugehen. Der Effektivwert der Sinuswelle beträgt 0,707 Volt, - 3 dB bezogen auf FS. Da dies Ihren Autor in der Vergangenheit verwirrt hat, hat er sich entschieden, die Einheiten dBpeakFS (dB der Spannungsspitze des Signals relativ zum Vollausschlag) und dBrmsFS (dB des Effektivwerts des Signals relativ zum Vollausschlag) zu definieren.

Ein weiteres Problem betrifft die Bandbreite des ADC-Ausgangs, um die sich jemand Sorgen macht. Bei frühen Audioanwendungen von ADCs waren die Leute im Allgemeinen besorgt über die volle Nyquist-Bandbreite.

Für eine direkte HF-Abtastung, wie in Abbildung 1(b) gezeigt, ist jedoch nur der vom Signal belegte Teil des Nyquist-Bandes zuzüglich etwas für die Schutzbänder von Bedeutung. Dies hat Ihren Autor dazu veranlasst, die „interessante Bandbreite“ zu definieren, wie in Abbildung 3 gezeigt.

„Interessante Bandbreite“ ist die Bandbreite, die von der digitalen Signalverarbeitung (DSP) verarbeitet wird. Es ist normalerweise die gewünschte Signalbandbreite oder etwas breiter.

Abbildung 3.

Beachten Sie, dass in Abbildung 3 zwar die Signal- und die „interessante“ Bandbreite gleich sind, die Mittenfrequenzen der beiden jedoch nicht. Dies kann an der in unserem ersten Artikel beschriebenen Bandpass-Abtastung liegen, bei der der ADC-Takt als lokaler Oszillator eines Mischers fungiert. Die Frequenz des ADC-Takts wird mit fS bezeichnet. Die Nyquist-Frequenz =F_Nyquist =f_S /₂ .

Wahl eines Eingangssignals zur Implementierung eines Modells

Um den ADC zu charakterisieren, um ein gutes Modell zu erstellen, ist es notwendig, ein nützliches Eingangssignal zu definieren. Die meisten ADC-Spezifikationen werden mit einem einzelnen Sinuswelleneingang erstellt. Da dies jedoch eine Bandbreite von 0 Hz und keine Hüllkurvenvariation hat, schien es kein sehr gutes Signal zu sein. Ein in Abbildung 4 gezeigter 2-Ton-Eingang hat eine Bandbreite von mehr als 0 Hz und eine Amplitudenvariation. Mit zwei hochwertigen Signalquellen und der richtigen Leistungskombination lässt es sich einfach am Prüfstand erzeugen. Außerdem enthalten die meisten Datenblätter einige Angaben zur Geräteleistung bei einem 2-Ton-Eingang.

Abbildung 4.

Ein Zweiton-Testsignal wurde auch in [4] und [12] vorgeschlagen. Andere vorgeschlagene Testsignale umfassen einen Gaußschen Eingang mit einer willkürlichen Spektrumsform [17] und AM- oder FM-Signale [5]. Normalerweise erfordern diese weniger gebräuchliche Signalgeneratoren und werden normalerweise nicht in Datenblättern als Eingaben für Tests angezeigt.

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Im nächsten Artikel besprechen wir ein ADC-Modell mit einer effektiven Anzahl von Bits (ENOB).

Den Rest dieser Serie finden Sie in der folgenden Tabelle mit Abkürzungen, Glossaren und Referenzen.

Verwendete Abkürzungen

Glossare

Munson, Justin; "Verstehen von Hochgeschwindigkeits-DAC-Tests und -Bewertung"; Anwendungshinweis für Analog Devices AN-928; 2013

Arrant, Alex; Brannon, Brad; &Reeder, Rob; "Understanding High Speed ​​ADC Testing and Evaluation"; Analog Devices Application Note AN-835; 2010

Bäcker, Bonnie; „Ein Glossar der Analog-zu-Digital-Spezifikationen und Leistungsmerkmale“; Texas Instruments-Anwendungsbericht SBAA147B; 2011

Malobert, Franco; Datenkonverter; Springer-Verlag; Kapitel 2:„Datenkonverter-Spezifikationen“; und 9:„Testen von D/A- und A/D-Wandlern“

Myderrizi, ich; Zeki, A, "Current-Steering Digital-to-Analog Converters:Functional Specifications, Design Basics, and Behavioral Modeling", Antennas and Propagation Magazine, IEEE, Bd. 52, Nr. 4, S. 197, 208, August 2010; Abschnitt 3. „Funktionale Spezifikationen für die Leistungscharakterisierung eines DAC“

Referenzen

Allgemeine Informationen

[1] Brodsky, Wesley; „Soll die Kombination und Trennung von I und Q digital oder analog erfolgen?“; Weißbuch zur drahtlosen Kommunikation von WesBrodsky:WBWC.01; 2014

[2] Maloberti, Franco; Datenkonverter; Springer-Verlag; 2007

[3] VanTrees, Harry L; Erkennungs-, Schätzungs- und Modulationstheorie, Teil III, Radar-/Sonarsignalverarbeitung und Gaußsche Signale im Rauschen; John Wiley und Söhne; 1971. Anhang:„Komplexe Darstellung von Bandpasssignalen, -systemen und -prozessen“

ADC-Analyse, Modelle, Simulation, Tests und Spezifikationen

[4] Seokjin-Kim; Elkis, R.; Peckerar, Martin, "Device Verification Testing of High-Speed ​​Analog-to-Digital Converters in Satellite Communication Systems", Instrumentation and Measurement, IEEE Transactions on, Bd. 58, Nr. 2, S. 270,280, Feb. 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, Bd., Nr., S.508,511, 3.-6. Mai 2010

[6] Kester, Walt; "Die guten, die schlechten und die hässlichen Aspekte des ADC-Eingangsrauschens – ist kein Rauschen ein gutes Rauschen?"; Tutorial für analoge Geräte MT-004; 2008

[7] Arrants, Alex; Brannon, Brad; Reeder, Rob; "Verstehen von Hochgeschwindigkeits-ADC-Tests und -Bewertung"; Analog Devices Anwendungshinweis AN-835; 2010

[8] Kester, Walt; "Verstehen Sie SINAD, ENOB, SNR, THD, THD + N und SFDR, damit Sie sich nicht im Rauschen verlieren"; Tutorial für analoge Geräte MT-003; 2008

[9] Shinagawa, M.; Akazawa, Yukio; Wakimoto, Tsutomu, "Jitter analysis of high-speed sample systems", Solid-State Circuits, IEEE Journal of, Bd. 25, Nr. 1, S. 220, 224, Feb. 1990

[10] Hummels, D. M.; Eisen, F. H.; Cook, R.; Papantonopoulos, I, "Characterization of ADCs using a non-iterative procedure", Circuits and Systems, 1994. ISCAS '94., 1994 IEEE International Symposium on, Bd. 2, Nr., S. 5,8 Bd. 2, 30 Mai-2. Juni 1994

[11] de Mateo Garcia, J. C.; Armada, AG., "Effects of bandpass sigma-delta modulation on OFDM signal", Consumer Electronics, IEEE Transactions on, Bd. 45, Nr. 2, S. 318 326, Mai 1999

[12] Abuelma'atti, Muhammad Taher, "Effect of Nonmonotonicity on the Intermodulation Performance of A/D Converters", Communications, IEEE Transactions on, Bd. 33, Nr. 8, S. 839,843, August 1985

[13] Traverso, P. A.; Mirri, D.; Pasini, G.; Filicori, F., "Ein nichtlineares dynamisches S/H-ADC-Gerätemodell basierend auf einer modifizierten Volterra-Serie:Identifizierungsverfahren und kommerzielle CAD-Tool-Implementierung", Instrumentation and Measurement, IEEE Transactions on, vol.52, no.4, pp. 1129,1135, August 2003

[14] Fraz, H.; Bjorsell, N.; Kenney, J. S.; Sperlich, R., "Prediction of Harmonic Distortion in ADCs using dynamic Integral Non-Linearity model", Behavioral Modeling and Simulation Workshop, 2009. BMAS 2009. IEEE, S. 102, 107, 17.-18. Sept. 2009

[15] Kester, Walt; „ADC Noise Figure – Eine oft missverstandene und fehlinterpretierte Spezifikation“; Tutorial für analoge Geräte MT-006; 2014

[16] Brannon, Brad; MacLeod, Tom; "Wie ADIsimADC einen ADC modelliert"; Analog Devices Anwendungshinweis AN-737; 2009

[17] Dardari, D., „Joint clip and quantization effects characterization in OFDM Receivers“, Circuits and Systems I:Regular Papers, IEEE Transactions on, Bd. 53, Nr. 8, S. 1741,1748, Aug. 2006

[18] Lavador, Pedro Miguel; de Carvalho, N. B.; Pedro, Jose Carlos, "Evaluation of Signal-to-Noise and Distortion Ratio Degradation in nonlinear systems", Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, Bd. 52, Nr. 3, S. 813,822, März 2004

[18A] Gray, Robert M.; „Quantisierungsrauschspektren“; Informationstheorie, IEEE-Transaktionen auf; vol. 36, Nr. 6; Nov. 1990; Seiten 1220 bis 1244.

DAC-Analyse, Modelle, Simulation, Tests und Spezifikationen

[19] Wikner, J. J.; Nianxiang Tan, "Modeling of CMOS Digital-to-Analog Converters for Telekommunikation", Circuits and Systems II:Analog and Digital Signal Processing, IEEE Transactions on, Bd.46, Nr.5, S.489,499, Mai 1999

[20] Angrisani, L.; D'Arco, M., "Modeling Timing Jitter Effects in Digital-to-Analog Converters", Instrumentation and Measurement, IEEE Transactions on, Bd.58, Nr.2, S.330,336, Feb. 2009

[21] D'Apuzzo, M.; D'Arco, M.; Liccardo, A; Vadursi, M., "Modeling DAC Output Waveforms", Instrumentation and Measurement, IEEE Transactions on, Bd. 59, Nr. 11, S. 2854, 2862, Nov. 2010

[22] Myderrizi, ich; Zeki, A, "Current-Steering Digital-to-Analog Converters:Functional Specifications, Design Basics, and Behavioral Modeling", Antennas and Propagation Magazine, IEEE, Bd. 52, Nr. 4, S. 197, 208, August 2010

[23] Sang Min Lee; Taleie, S. M.; Saripalli, G. R.; Dongwon Seo, "Clock-Phase-Noise-Induced TX Leakage Estimation of a Baseband Wireless Transmitter DAC", Circuits and Systems II:Express Briefs, IEEE Transactions on, Bd. 59, Nr. 5, S. 277 281, Mai 2012

[24] Naoues, M.; Morche, D.; Dehos, C.; Barrak, R.; Ghazel, A, "Novel behavioral DAC modeling technology for WirelessHD system Specification", Electronics, Circuits, and Systems, 2009. ICECS 2009. 16th IEEE International Conference on, vol., no., pp.543,546, 13.-16. Dez. 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, Bd.12, Nr.5, S.2314,2322, Mai 2013

[26] Ling, W.A., „Shaping Quantization Noise and Clipping Distortion in Direct-Detection Discrete Multitone“, Lightwave Technology, Journal of, Bd. 32, Nr. 9, S. 1750, 1758, 1. Mai 2014

[27] Engel, G.; Fague, D. E.; Toledano, A, "RF-Digital-Analog-Wandler ermöglichen die direkte Synthese von Kommunikationssignalen", Communications Magazine, IEEE, Bd. 50, Nr. 10, S. 108, 116, Oktober 2012

[28] Pearson, Chris; "Grundlagen von Hochgeschwindigkeits-Digital-Analog-Wandlern"; Texas Instruments-Anwendungsbericht SLAA523A; 2012

[29] Munson, Justin; "Verstehen von Hochgeschwindigkeits-DAC-Tests und -Bewertung"; Anwendungshinweis für Analog Devices AN-928; 2013