デジタルダウンコンバーターの最新情報—パート1

現在の多くの無線アーキテクチャには、RFまたはマイクロ波周波数帯域をベースバンド処理用の中間周波数に変換するダウンコンバージョンステージが含まれています。 それが通信、航空宇宙および防衛、または計装であるかどうかにかかわらず、最終用途に関係なく、関心のある周波数は、RFおよびマイクロ波スペクトルにさらに押し上げられています。 このシナリオに対する1つの可能な解決策は、図XNUMXに示すように、ダウンコンバージョン段階の数を増やすことです。 ただし、別のより効率的なソリューションは、図2に示すように、統合デジタルダウンコンバーター（DDC）を備えたRFADCを利用することです。 図1。 ダウンコンバージョンステージを備えた典型的な受信機アナログ信号チェーン。 DDC機能をRFADCと統合すると、追加のアナログダウンコンバージョンステージが不要になり、RF周波数ドメインのスペクトルをベースバンドに直接変換して処理できるようになります。 ギガヘルツ周波数ドメインでスペクトルを処理するRFADCの機能により、アナログドメインで潜在的に複数のダウンコンバージョンを実行する必要性が軽減されます。 DDCの機能により、スペクトルの持続性とデシメーションフィルタリングによるフィルタリングが可能になります。これにより、帯域内のダイナミックレンジが改善される（SNRが向上する）という利点も得られます。 このトピックに関する追加の説明は、「おじいさんのADCではありません」および「ギガサンプルADCは直接RF変換を約束します」にあります。 これらの記事では、AD9680とAD9625、およびそれらのDDC機能に関する追加の説明を提供します。 図2。 DDCを備えたRFADCを使用した受信機信号チェーン。 ここでの主な焦点は、AD9680（およびAD9690、AD9691、およびAD9684）に存在するDDC機能にあります。 DDCの機能と、DDCがADCで使用されている場合の出力スペクトルの分析方法を理解するために、AD9680-500の例を見ていきます。 補助として、アナログ・デバイセズのWebサイトにあるFrequency FoldingToolを利用します。 このシンプルでありながら強力なツールは、ADCのエイリアシング効果の理解を支援するために使用できます。これは、AD9680などの統合DDCを備えたRFADCの出力スペクトルを分析する最初のステップです。 この例では、AD9680-500は368.64MHzの入力クロックと270MHzのアナログ入力周波数で動作しています。 まず、AD9680のデジタル処理ブロックの設定を理解することが重要です。 AD9680は、入力が実数で、出力が複雑で、数値制御発振器（NCO）のチューニング周波数が98 MHzに設定され、ハーフバンドフィルター1（HB1）が有効になっている、デジタルダウンコンバーター（DDC）を使用するように設定されます。 6dBのゲインが有効になります。 出力は複雑であるため、複雑から実際への変換ブロックは無効になります。 DDCの基本的な図を図3に示します。 入力トーンがどのように処理されるかを理解するには、信号が最初にNCOを通過し、NCOが入力トーンの周波数をシフトし、次にデシメーションを通過し、オプションでゲインブロックを通過し、次にオプションで複雑なものから実際の変換へ。 図3。 AD9680のDDC信号処理ブロック。 AD9680を通過する信号フローのマクロビューを理解することも重要です。 信号はアナログ入力を通り、ADCコアを通り、DDCに入り、次にJESD204Bシリアライザーを通り、次にJESD204Bシリアル出力レーンを通ります。 これは、図9680に示すAD4のブロック図に示されています。 図4。 AD9680のブロック図。 368.64MHzの入力サンプルクロックと270MHzのアナログ入力周波数を使用すると、入力信号は98.64MHzの最初のナイキストゾーンにエイリアスします。 入力周波数の第171.36高調波は、72.72 MHzで第XNUMXナイキストゾーンにエイリアスし、第XNUMX高調波はXNUMXMHzにエイリアスします。 これは、図5の周波数折りたたみツールのプロットによって示されています。 図5。 周波数折りたたみツールによって示されるADC出力スペクトル。 図5に示すFrequencyFolding Toolプロットは、AD9680のDDCを通過する前のADCコアの出力での信号の状態を示しています。 AD9680で信号が通過する最初の処理ブロックは、周波数領域でスペクトルを左に98 MHzシフトするNCOです（チューニング周波数が98 MHzであることを思い出してください）。 これにより、アナログ入力が98.64MHzから0.64MHzにシフトし、73.36次高調波が25.28 MHzにシフトダウンし、XNUMX次高調波が–XNUMX MHzにシフトダウンします（複雑な出力を見ていることを思い出してください）。 これは、下の図6のVisualAnalogのFFTプロットに示されています。 図6。 NCO = 98 MHzで、2だけデシメートされたDDC後のFFT複素数出力。 図6のFFTプロットから、Frequency FoldingToolで観察した周波数がNCOによってどのようにシフトしたかがはっきりとわかります。 興味深いのは、FFTに説明のつかないトーンが見られることです。 しかし、このトーンは本当に説明がつかないのでしょうか？ NCOは主観的ではなく、すべての周波数をシフトします。 この場合、基本入力トーンのエイリアスを98MHzから0.64MHzにシフトし、73.36次高調波を25.28 MHzに、XNUMX次高調波を–XNUMXMHzにシフトしました。 さらに、さらに別のトーンもシフトされ、86.32MHzで表示されます。 このトーンは実際にどこから来たのですか？ DDCまたはADCの信号処理はどういうわけかこのトーンを生成しましたか？ ええと、答えはノーです…そしてイエスです。 このシナリオをもう少し詳しく見てみましょう。 周波数折りたたみツールには、ADCのDCオフセットは含まれていません。 このDCオフセットにより、DC（または0 Hz）にトーンが存在します。 周波数折りたたみツールは、DCオフセットのない理想的なADCを想定しています。 AD9680の実際の出力では、0 HzのDCオフセットトーンの周波数が–98MHzにシフトダウンされます。 複雑なミキシングとデシメーションにより、このDCオフセットトーンは、実際の周波数領域の最初のナイキストゾーンに折り返されます。 トーンが負の周波数領域のXNUMX番目のナイキストゾーンにシフトする複雑な入力信号を見ると、実際の周波数領域の最初のナイキストゾーンにラップアラウンドします。 92.16に等しいデシメーションレートでデシメーションを有効にしているため、デシメートされたナイキストゾーンの幅は368.64 MHzです（思い出してください：fs = 184.32 MHz、デシメートされたサンプルレートは92.16 MHzで、ナイキストゾーンはXNUMX MHzです）。 DCオフセットトーンは–98 MHzにシフトされます。これは、5.84MHzで間引きされたナイキストゾーン境界から92.16MHzのデルタです。 このトーンが最初のナイキストゾーンに折り返されると、実際の周波数領域のナイキストゾーン境界から同じオフセット（92.16 MHz – 5.84 MHz = 86.32 MHz）になります。 これはまさに、上記のFFTプロットのトーンが表示される場所です。 したがって、技術的には、ADCは信号を生成し（DCオフセットであるため）、DDCは信号を少しだけ動かします。 ここで、適切な周波数計画が役立ちます。 適切な周波数計画は、このような状況を回避するのに役立ちます。 デシメーションレートが1に等しいNCOおよびHBXNUMXフィルターを使用した例を見てきたので、例にもう少し追加しましょう。 次に、DDCでデシメーションレートを上げて、NCOによる周波数調整とともに、より高いデシメーションレートを使用した場合の周波数フォールディングと変換の効果を確認します。 この例では、9680MHzの入力クロックと500MHzのアナログ入力周波数で動作するAD491.52-150.1を見ていきます。 AD9680は、実際の入力、複雑な出力、155 MHzのNCOチューニング周波数、ハーフバンドフィルター1（HB1）およびハーフバンドフィルター2（HB2）が有効になっているデジタルダウンコンバーター（DDC）を使用するように設定されます（合計デシメーションレートは6）であり、XNUMXdBのゲインが有効になっています。 出力は複雑であるため、複雑から実際への変換ブロックは無効になります。 図3から、DDCを通る信号の流れを示すDDCの基本図を思い出してください。 この場合も、信号は最初にNCOを通過し、NCOは入力トーンの周波数をシフトし、次にデシメーションを通過してゲインブロックを通過し、この場合、複素数から実際の変換をバイパスします。 もう一度、周波数折り畳みツールを使用して、ADCのエイリアシング効果を理解し、アナログ入力周波数とその高調波が周波数領域のどこに配置されるかを評価します。 この例では、実際の信号、サンプルレート491.52 MSPS、デシメーションレートがXNUMXに設定されており、出力は複雑です。 ADCの出力では、周波数フォールディングツールを使用して図7に示すように信号が表示されます。 図7。 周波数折りたたみツールによって示されるADC出力スペクトル。 491.52MHzの入力サンプルクロックと150.1MHzのアナログ入力周波数では、入力信号は最初のナイキストゾーンに存在します。 300.2 MHzの入力周波数の191.32次高調波は、450.3 MHzの最初のナイキストゾーンにエイリアスし、41.22 MHzのXNUMX次高調波は、XNUMXMHzの最初のナイキストゾーンにエイリアスします。 これは、ADCがDDCを通過する前のADCの出力での信号の状態です。 次に、信号がDDC内のデジタル処理ブロックをどのように通過するかを見てみましょう。 各ステージを通過する信号を見て、NCOが信号をシフトし、その後、デシメーションプロセスが信号を折りたたむ様子を観察します。 入力サンプルレート491.52MSPSの観点からプロットを維持し、fsの条件はこのサンプルレートを基準にします。 図8に示す一般的なプロセスを観察してみましょう。 NCOは入力信号を左にシフトします。 複素（負の周波数）ドメインの信号が–fs / 2を超えてシフトすると、最初のナイキストゾーンにフォールドバックします。 次に、信号は最初のデシメーションフィルタHB2を通過します。HBXNUMXはXNUMXデシメーションします。 この図では、操作が同時に発生しても、フィルター応答を表示せずにデシメーションプロセスを示しています。 これは簡単にするためです。 4倍の最初のデシメーションの後、fs / 2からfs / 4までのスペクトルは、–fs / XNUMXとdcの間の周波数に変換されます。 同様に、–fs / 2から–fs / 4までのスペクトルは、DCとfs / 4の間の周波数に変換されます。 信号は、1番目のデシメーションフィルターHBXNUMXを通過します。HBXNUMXもXNUMXデシメーションします（デシメーションの合計はXNUMXになります）。 fs / 8とfs / 4の間のスペクトルは、–fs / 8とdcの間の周波数に変換されます。 同様に、–fs / 4と–fs / 8の間のスペクトルは、dcとfs / 8の間の周波数に変換されます。 図にはデシメーションが示されていますが、デシメーションフィルタリング操作は示されていません。 図8。 ADC出力スペクトルに対するデシメーションフィルタの影響-一般的な例。 491.52MSPSの入力サンプルレートと150.1MHzの入力周波数で前述した例を思い出してください。 NCO周波数は155MHzで、デシメーションレートは154.94に等しくなります（NCO分解能のため、実際のNCO周波数はXNUMX MHzです）。 これにより、出力サンプルレートは122.88MSPSになります。 AD9680は複雑なミキシング用に構成されているため、分析に複雑な周波数領域を含める必要があります。 図9は、周波数変換が非常にビジーであることを示していますが、注意深く検討することで、信号の流れを処理することができます。 図9。 ADC出力スペクトルに対するデシメーションフィルタの影響—実際の例。 NCOシフト後のスペクトル：基本周波数は+150.1 MHzから–4.94MHzにシフトします。 ファンダメンタルのイメージは–150.1 MHzからシフトし、186.48MHzにラップアラウンドします。 191.32次高調波は36.38MHzからXNUMXMHzにシフトします。  41.22次高調波は+ 113.72MHzから–XNUMXMHzにシフトします。 2でデシメートした後のスペクトル：基本周波数は–4.94MHzのままです。 ファンダメンタルの画像は–59.28 MHzに変換され、HB1デシメーションフィルターによって減衰されます。 36.38次高調波はXNUMXMHzのままです。 2次高調波は、HBXNUMXデシメーションフィルターによって大幅に減衰されます。 4でデシメートした後のスペクトル：基本波は–4.94MHzのままです。 ファンダメンタルズの画像は–59.28MHzのままです。 36.38次高調波は–XNUMXMHzのままです。 1次高調波は、HBXNUMXデシメーションフィルターによってフィルター処理され、実質的に除去されます。 それでは、AD9680-500での実際の測定値を見てみましょう。 基本波は–4.94MHzにあることがわかります。 ファンダメンタルの画像は–59.28 MHzにあり、振幅は–67.112 dBFSです。これは、画像が約66dB減衰していることを意味します。 36.38次高調波はXNUMXMHzにあります。 VisualAnalogは、NCO周波数とデシメーション率を解釈しないため、高調波周波数を適切に検出しないことに注意してください。 図10。 NCO = 155 MHzで、4だけデシメートされたDDC後の信号のFFT複素出力プロット。 FFTから、DDCが9680 MHz（実際の500 MHz）のNCO周波数と155に等しいデシメーションレートの実際の入力と複雑な出力用に設定されたAD154.94-XNUMXの出力スペクトルを確認できます。 信号フロー図をウォークスルーして、スペクトルがどのようにシフトおよび変換されるかを理解することをお勧めします。 また、ADC出力スペクトルに対するDDCの影響を理解するために、この記事で提供されている例を注意深く確認することをお勧めします。 AD8、AD9680、AD9690、およびAD9691の出力スペクトルを分析するときに、図9684を印刷して、参照用に手元に置いておくことをお勧めします。 これらの製品をサポートしている間、説明できないと考えられるADCの出力スペクトルにある周波数に関連する多くの質問がありました。 ただし、分析が行われ、信号フローがNCOとデシメーションフィルタを介して分析されると、スペクトル内で最初は説明のつかないスプリアスと見なされていたものが、実際には正確にあるべき場所に存在する信号であることが明らかになります。 この記事を読んで勉強した後、次にDDCが統合されたADCを使用するときに、質問を処理できるようになることを願っています。 パートXNUMXに注目してください。ここでは、DDC操作の追加の側面と、その動作をシミュレートする方法について引き続き説明します。

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