¿Cómo se deben modelar los convertidores de datos para las simulaciones del sistema?
Este artículo lanza una serie que explora la cuestión de cómo modelar convertidores de datos para simulaciones de sistemas.
Los ingenieros a menudo se preguntan. Mientras trabajan en varios proyectos con calendarios de diseño ajustados, a menudo se preguntan sobre las preguntas para las que les gustaría encontrar respuestas, pero no tienen tiempo para hacerlo. Todavía se preguntan.
En el curso de su trabajo de ingeniería, su autor se ha preguntado acerca de varias cuestiones relacionadas con la transferencia de datos hacia y desde una señal analógica de RF y señales digitales I y Q. Recientemente, ha tenido tiempo de buscar las respuestas a algunas de estas preguntas y ha hecho que todos los resultados que haya podido obtener estén disponibles en artículos técnicos. Uno de estos artículos anteriores abordó la pregunta de "¿Debería hacer Q y yo la combinación y la separación de forma digital o analógica?" y otro ofrecía "Requisitos para un buen rendimiento del enlace de comunicaciones".
La Figura 1 de ese artículo inicial muestra la opción de conversión directa de RF de digital a analógico y conversión directa de RF de analógico a digital. (Tenga en cuenta que los convertidores de digital a analógico {DAC} y los convertidores de analógico a digital {ADC} se denominan conjuntamente "convertidores de datos").
Figura 1 (a). Modulador
Figura 1 (b). Demodulador
En ese artículo, una cosa sobre la que se preguntaba su autor era:¿cuáles son los requisitos de calidad para el DAC y el ADC en la Figura 1 para un buen rendimiento del enlace de comunicaciones? No parece haber mucho publicado sobre esta cuestión.
Esto lo llevó a preguntarse si tuviera que simular un convertidor de datos en un enlace de comunicaciones, ¿cómo debería modelarse?
Para las simulaciones de tasa de errores de bits (BER), el número de errores de bits encontrados se divide por el número total de bits para calcular la BER. Para obtener resultados estadísticamente significativos, debe contarse de varios cientos a mil errores. Incluso para una BER bastante alta de 10-4; para contar 500 errores se necesitan 5 millones de bits. Para que la simulación se ejecute en un tiempo razonablemente corto, se debe encontrar un modelo bastante simple, que capture adecuadamente todas las características relevantes del conversor de datos.
Este artículo describe la información que encontró. Fue útil dividir la discusión en discusiones sobre ADC y DAC. Nota agregada en la versión .02; Los convertidores de datos de tipo Sigma-Delta no se consideran en este artículo.
Modelos para convertidores de analógico a digital (ADC)
Las referencias [4] a [18] a continuación tratan el análisis, los modelos, la simulación, las pruebas y las especificaciones de los ADC. En particular, [13], [14], [16] y [17] presentan modelos que modelan algún aspecto del rendimiento de ADC. Como ingeniero, su autor se preguntaba si era posible un modelo más simple y más fácil de entender.
La figura 2 muestra la cuantificación de un ADC de 5 bits. Hay 2 5 =32 niveles. Dado que la entrada puede ser positiva y negativa, esto se denomina ADC de entrada bipolar. Un aspecto de esto sobre el que su autor se había preguntado era la diferencia entre dB en relación con la escala completa (FS) entre el pico y la señal promedio.
Figura 2.
El voltaje pico de la señal en la Figura 2 va entre +0,9375 Voltios (FS +) y -1 Voltios (FS-); que es ± 1 voltio en una buena aproximación.
Los ingenieros de RF están acostumbrados a lidiar con los valores rms de la señal. El valor eficaz de la onda sinusoidal es 0,707 voltios, - 3 dB en relación con FS. Dado que esto ha confundido a su autor en el pasado, ha optado por definir las unidades dBpeakFS (dB del pico de voltaje de la señal relativa a la escala completa) y dBrmsFS (dB del valor rms de la señal relativa a la escala completa).
Otro problema se refiere al ancho de banda de la salida ADC que preocupa a alguien. Para las primeras aplicaciones de audio de ADC, en general, la gente estaba preocupada por el ancho de banda completo de Nyquist.
Sin embargo, para el muestreo de RF directo como se muestra en la Figura 1 (b), solo la porción de la banda de Nyquist ocupada por la señal, más un poco para las bandas de guarda, es motivo de preocupación. Esto llevó a su autor a definir el "ancho de banda interesante" como se muestra en la Figura 3.
"Ancho de banda interesante" es el ancho de banda que es procesado por el procesamiento de señal digital (DSP). Por lo general, es el ancho de banda de señal deseado o un poco más.
Figura 3.
Observe, en la Figura 3, que aunque se muestra que la señal y los anchos de banda "interesantes" son los mismos, las frecuencias centrales de los dos no lo son. Esto puede deberse al muestreo de paso de banda descrito en nuestro primer artículo, donde el reloj ADC actúa como el oscilador local de un mezclador. La frecuencia del reloj ADC se denominará fS. La frecuencia de Nyquist =F Nyquist =f S / 2 .
Elección de una señal de entrada para implementar un modelo
Para caracterizar el ADC para crear un buen modelo, es necesario definir una señal de entrada útil. La mayoría de las especificaciones de ADC se crean con una sola entrada de onda sinusoidal. Sin embargo, dado que tiene un ancho de banda de 0 Hz y ninguna variación de envolvente, no parecía una señal muy buena. Una entrada de 2 tonos, que se muestra en la Figura 4, tiene más de 0 Hz de ancho de banda y tiene variación de amplitud. Es fácil de generar en el banco de pruebas utilizando dos fuentes de señal de alta calidad y la combinación de potencia correcta. Además, la mayoría de las hojas de datos tienen información sobre el rendimiento del dispositivo con una entrada de 2 tonos.
Figura 4.
También se propuso una señal de prueba de dos tonos en [4] y [12]. Otras señales de prueba que se han propuesto incluyen una entrada gaussiana con una forma de espectro arbitraria [17] y señales AM o FM [5]. Por lo general, estos requieren generadores de señales menos comunes y, por lo general, no se muestran en las hojas de datos como entradas para las pruebas.
En el próximo artículo, analizaremos un modelo ADC que utiliza un número efectivo de bits (ENOB).
Para el resto de esta serie, consulte la siguiente tabla de abreviaturas, glosarios y referencias.
Abreviaturas utilizadas
Glosarios
Munson, Justin; "Comprensión de las pruebas y la evaluación de DAC de alta velocidad"; Nota de aplicación de dispositivos analógicos AN-928; 2013
Arrants, Alex; Brannon, Brad; Y Reeder, Rob; "Comprensión de las pruebas y la evaluación de ADC de alta velocidad"; Nota de aplicación de dispositivos analógicos AN-835; 2010
Baker, Bonnie; "Glosario de especificaciones y características de rendimiento de analógico a digital"; Informe de solicitud de Texas Instruments SBAA147B; 2011
Malobert, Franco; Convertidores de datos; Springer Publishing; Capítulos 2:“Especificaciones del convertidor de datos”; y 9:"Prueba de convertidores D / A y A / D"
Myderrizi, yo; Zeki, A, "Convertidores de digital a analógico con dirección de corriente:especificaciones funcionales, conceptos básicos de diseño y modelado de comportamiento", Antennas and Propagation Magazine, IEEE, vol.52, no.4, págs. 197,208, agosto de 2010; Sección 3. "Especificaciones funcionales para la caracterización del rendimiento de un CAD"
Referencias
Información general
[1] Brodsky, Wesley; "¿Debería hacer la combinación y separación I y Q de forma digital o analógica?"; Informe técnico sobre comunicaciones inalámbricas WesBrodsky:WBWC.01; 2014
[2] Maloberti, Franco; Convertidores de datos; Springer Publishing; 2007
[3] VanTrees, Harry L; Teoría de detección, estimación y modulación, Parte III, Procesamiento de señales de radar / sonda y señales gaussianas en presencia de ruido; John Wiley and Sons; 1971. Apéndice:"Representación compleja de señales, sistemas y procesos de paso de banda"
Análisis, modelos, simulación, pruebas y especificaciones de ADC
[4] Seokjin Kim; Elkis, R .; Peckerar, Martin, "Prueba de verificación de dispositivos de convertidores analógico a digital de alta velocidad en sistemas de comunicación por satélite", Instrumentación y medición, Transacciones IEEE, vol.58, no.2, pp.270,280, feb. 2009
[5] Vedral, J .; Fexa, P .; Svatos, J., "Uso de señales AM y FM para pruebas de ADC", Conferencia sobre tecnología de instrumentación y medición (I2MTC), 2010 IEEE, vol., No., Págs. 508,511, 3-6 de mayo de 2010
[6] Kester, Walt; "Lo bueno, lo malo y lo feo del ruido de entrada del ADC:¿no es bueno el ruido?"; Tutorial de dispositivos analógicos MT-004; 2008
[7] Arrants, Alex; Brannon, Brad; Reeder, Rob; "Comprensión de las pruebas y la evaluación de ADC de alta velocidad"; Nota de aplicación de dispositivos analógicos AN-835; 2010
[8] Kester, Walt; "Comprenda SINAD, ENOB, SNR, THD, THD + N y SFDR para que no se pierda en el piso de ruido"; Tutorial de dispositivos analógicos MT-003; 2008
[9] Shinagawa, M .; Akazawa, Yukio; Wakimoto, Tsutomu, "Análisis de fluctuación de fase de sistemas de muestreo de alta velocidad", Circuitos de estado sólido, IEEE Journal of, vol.25, no.1, pp.220.224, febrero de 1990
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[15] Kester, Walt; "Cifra de ruido de ADC:una especificación a menudo mal entendida y mal interpretada"; Tutorial de dispositivos analógicos MT-006; 2014
[16] Brannon, Brad; MacLeod, Tom; "Cómo ADIsimADC modela un ADC"; Nota de aplicación de dispositivos analógicos AN-737; 2009
[17] Dardari, D., "Caracterización conjunta de efectos de cuantificación y clip en receptores OFDM", Circuitos y sistemas I:Documentos regulares, IEEE Transactions on, vol.53, no.8, pp.1741,1748, agosto de 2006
[18] Lavrador, Pedro Miguel; de Carvalho, N.B .; Pedro, Jose Carlos, "Evaluación de la degradación de la relación señal-ruido y distorsión en sistemas no lineales", Teoría y Técnicas de Microondas, IEEE Transactions on, vol.52, no.3, pp.813,822, marzo de 2004
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Análisis, modelos, simulación, pruebas y especificaciones DAC
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[20] Angrisani, L .; D'Arco, M., "Modelado de efectos de fluctuación de tiempo en convertidores de digital a analógico", Instrumentación y medición, IEEE Transactions on, vol.58, no.2, pp.330,336, febrero de 2009
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[22] Myderrizi, yo; Zeki, A, "Convertidores de digital a analógico con dirección de corriente:especificaciones funcionales, conceptos básicos de diseño y modelado de comportamiento", Antennas and Propagation Magazine, IEEE, vol.52, no.4, pp.197,208, agosto de 2010
[23] Sang Min Lee; Taleie, S.M .; Saripalli, G.R .; Dongwon Seo, "Estimación de fugas de TX inducidas por ruido de fase de reloj de un DAC de transmisor inalámbrico de banda base", Circuits and Systems II:Express Briefs, IEEE Transactions on, vol.59, no.5, pp.277.281, mayo de 2012
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