Datenwandler-Modellierung für präzise Systemsimulationen

Datenwandler-Modellierung für präzise Systemsimulationen

Ingenieure stehen routinemäßig vor engen Design-Zeitplänen, die wenig Zeit lassen, um Schlüsselfragen zur Datenwandler-Performance zu beantworten. Diese Serie adressiert diese Fragen, beginnend mit einer grundlegenden Erkundung, wie man Analog-Digital-Wandler (ADC) und Digital-Analog-Wandler (DAC) für System-Level-Simulationen modelliert.

In vorangegangener Arbeit untersuchte der Autor, ob I/Q-Kombination digital oder analog durchgeführt werden sollte, und skizzierte Anforderungen für robuste Kommunikationslink-Performance. Der aktuelle Artikel baut auf diesem Fundament auf, indem er erforscht, wie man die kritischen Parameter von DACs und ADCs in Direct-RF-Sampling-Architekturen quantifiziert und modelliert.

Direct-RF-Modulation und -Demodulation

Abbildung 1 demonstriert zwei gängige Topologien: Direct-RF-DAC-Konvertierung für Modulation und Direct-RF-ADC-Konvertierung für Demodulation. DAC und ADC werden zusammen als Datenwandler bezeichnet.

Abbildung 1(a). Modulator

Abbildung 1(b). Demodulator

Obwohl der Link-Level-Einfluss von Datenwandler-Nichtidealitäten gut dokumentiert ist, bleiben die spezifischen Qualitätsanforderungen für DACs und ADCs in dieser Konfiguration in der Literatur untererforscht.

Warum Datenwandler simulieren?

Bit-Fehlerraten-(BER)-Studien verlangen statistisch signifikante Ergebnisse, die typischerweise mehrere hundert bis tausend Fehlerereignisse erfordern. Für eine Ziel-BER von 10^-4 übersetzt sich dies in 5 Millionen Bits simulierter Daten. Das Erreichen eines solchen Durchsatzes erfordert ein prägnantes, aber umfassendes Wandlermodell, das die einflussreichsten Charakteristiken erfassen kann, ohne übermäßigen Rechenaufwand.

Dieser Artikel präsentiert einen systematischen Ansatz zur Modellierung, aufgeteilt in ADC-zentrische und DAC-zentrische Abschnitte. Beachten Sie, dass Sigma-Delta-Wandler in dieser Diskussion ausgeschlossen sind.

Modelle für Analog-Digital-Wandler (ADCs)

Schlüsselreferenzen ([4]–[18]) decken Analyse, Modellierung und Test von High-Speed-ADCs ab. Insbesondere Studien wie [13], [14], [16] und [17] führen fortgeschrittene Modelle ein, die nichtlineares Verhalten erfassen. Viele Ingenieure suchen jedoch immer noch nach einer einfacheren, intuitiveren Darstellung, die der realen Performance treu bleibt.

Abbildung 2 illustriert den Quantisierungsprozess eines 5-Bit-bipolaren ADCs, der 32 diskrete Output-Level hat. Die Spitzenspannung spannt +0,9375 V bis –1,0 V, ungefähr ±1 V. RF-Ingenieure arbeiten typischerweise mit RMS-Werten; eine Sinuswelle von 1 V Peak hat einen RMS von 0,707 V, was –3 dB relativ zu Full Scale ist. Um Verwirrung zu vermeiden, führen wir zwei Einheiten ein: dB_peakFS für Peak-zu-Full-Scale-Verhältnisse und dB_rmsFS für RMS-zu-Full-Scale-Verhältnisse.

Abbildung 2.

Bandbreitenauswahl ist eine weitere kritische Überlegung. Traditionelle Audio-ADCs fokussieren auf die volle Nyquist-Bandbreite, aber Direct-RF-Sampling erfordert nur den Teil, der vom Signal plus Guard Bands belegt wird. Wir definieren die "interessante Bandbreite" als die Region, die vom Digital Signal Processor (DSP) verarbeitet wird. Abbildung 3 visualisiert dieses Konzept.

Abbildung 3.

In dieser Abbildung können die Signalbandbreite und die interessante Bandbreite in der Breite übereinstimmen, sich aber in der Mittenfrequenz aufgrund von Bandpass-Sampling unterscheiden, wo der ADC-Clock (f_S) als Local Oscillator eines Mixers dient. Die Nyquist-Frequenz ist f_Nyquist = f_S/2.

Wahl eines Eingangssignals für Modellentwicklung

Die Charakterisierung eines ADCs erfordert ein Testsignal, das sein dynamisches Verhalten offenlegt. Während eine Ein-Ton-Sinuswelle in Datenblättern üblich ist, bietet sie null Bandbreite und keine Amplitudenvariation. Ein Zwei-Ton-Eingang, gezeigt in Abbildung 4, bietet sowohl Bandbreite als auch Amplitudenmodulation, was ihn zu einer praktischen Wahl für sowohl Hardware-Tests als auch Simulation macht. Viele Hersteller liefern auch Performance-Daten für Zwei-Ton-Stimuli.

Abbildung 4.

Andere Signalformen – Gaußsche Spektren, AM, FM – wurden in der Literatur ([4], [12]) vorgeschlagen. Diese sind in kommerziellen Test-Suites weniger üblich, können aber für spezialisierte Anwendungen wertvoll sein.

Im nächsten Artikel dieser Serie werden wir ein ADC-Modell basierend auf der Effective Number of Bits (ENOB) einführen. Bis dahin können Leser die unten bereitgestellten Abkürzungen, Glossare und Referenzen konsultieren.

Verwendete Abkürzungen

Glossare

• 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

Referenzen

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• [7] Arrants, A.; Brannon, B.; Reeder, R.; "Understanding High Speed ADC Testing and Evaluation"; Analog Devices AN-835; 2010
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