시스템 시뮬레이션을 위해 데이터 변환기를 어떻게 모델링해야 합니까?

이 기사에서는 시스템 시뮬레이션을 위해 데이터 변환기를 모델링하는 방법에 대한 질문을 탐구하는 시리즈를 시작합니다.

엔지니어들은 종종 궁금해합니다. 빡빡한 설계 일정으로 다양한 프로젝트를 진행하면서 답을 찾고 싶지만 시간이 없는 질문에 대해 궁금해하는 경우가 많습니다. 그들은 여전히 ​​궁금해합니다.

엔지니어링 작업 과정에서 저자는 RF 아날로그 신호와 I 및 Q 디지털 신호 간의 데이터 전송과 관련된 다양한 질문에 대해 궁금해했습니다. 최근에 그는 이러한 질문 중 일부에 대한 답을 찾는 시간을 가졌으며 얻을 수 있었던 모든 결과를 기술 문서에서 사용할 수 있도록 했습니다. 그러한 이전 기사 중 하나는 "I 및 Q 결합 및 분리를 디지털 방식으로 수행해야 하나요 아니면 아날로그 방식으로 수행해야 하나요?"라는 질문을 다뤘습니다. 및 다른 제안된 "좋은 통신 링크 성능에 대한 요구 사항".

초기 기사의 그림 1은 직접 RF 디지털-아날로그 변환 및 직접 RF 아날로그-디지털 변환 옵션을 보여줍니다. (디지털-아날로그 변환기 {DAC} 및 아날로그-디지털 변환기 {ADC}를 함께 "데이터 변환기"라고 합니다.)

그림 1(a) 변조기

그림 1(b). 복조기

그 기사에서 작성자가 궁금해한 한 가지는 좋은 통신 링크 성능을 위한 그림 1의 DAC 및 ADC에 대한 품질 요구 사항은 무엇입니까? 이 질문에 대한 출판물은 많지 않은 것 같습니다.

이로 인해 그는 통신 링크에서 데이터 변환기를 시뮬레이트하려면 어떻게 모델링해야 하는지 궁금해했습니다.

BER(비트 오류율) 시뮬레이션의 경우 발견된 비트 오류 수를 총 비트 수로 나누어 BER을 계산합니다. 통계적으로 유의미한 결과를 얻으려면 수백에서 수천 개의 오류가 계산되어야 합니다. 10-4의 상당히 높은 BER에도 불구하고; 500개의 오류를 계산하려면 5백만 비트가 필요합니다. 시뮬레이션이 합리적으로 짧은 시간에 실행되기 위해서는 관련된 모든 데이터 변환기 특성을 적절하게 캡처하는 상당히 간단한 모델을 찾아야 합니다.

이 기사는 그가 찾은 정보를 설명합니다. 토론을 ADC와 DAC에 대한 토론으로 나누는 것이 유용했습니다. 버전 .02에 추가된 참고 사항 시그마-델타 유형 데이터 변환기는 이 기사에서 고려되지 않습니다.

아날로그-디지털 변환기(ADC)용 모델

아래 참조 [4]에서 [18]은 ADC에 대한 분석, 모델, 시뮬레이션, 테스트 및 사양에 대해 설명합니다. 특히 [13], [14], [16], [17]은 ADC 성능의 일부 측면을 모델링하는 모델을 제시합니다. 엔지니어로서 작성자는 더 간단하고 이해하기 쉬운 모델이 가능한지 궁금해했습니다.

그림 2는 5비트 ADC의 양자화를 보여줍니다. 2 ⁵ 가 있습니다. =32 레벨. 입력은 양수 및 음수일 수 있으므로 양극성 입력 ADC라고 합니다. 작성자가 궁금해했던 한 가지 측면은 피크 신호와 평균 신호 사이의 전체 스케일(FS)에 대한 dB의 차이였습니다.

그림 2.

그림 2에서 신호의 피크 전압은 +0.9375볼트(FS+)와 -1볼트(FS-) 사이입니다. 이는 좋은 근사치로 ±1볼트입니다.

RF 엔지니어는 신호의 rms 값을 처리하는 데 익숙합니다. 사인파의 rms 값은 0.707볼트, - 3dB(FS 기준)입니다. 이것은 과거에 작성자를 혼란스럽게 했으므로 그는 단위 dBpeakFS(신호의 전압 피크의 dB 상대 전체 범위) 및 dBrmsFS(전체 범위에 대한 신호의 rms 값의 dB)를 정의하기로 선택했습니다.

또 다른 문제는 누군가가 우려하는 ADC 출력의 대역폭과 관련이 있습니다. ADC의 초기 오디오 애플리케이션의 경우 일반적으로 사람들은 전체 Nyquist 대역폭에 대해 우려했습니다.

그러나 그림 1(b)와 같은 직접 RF 샘플링의 경우 신호가 차지하는 Nyquist 대역 부분과 보호 대역에 약간만 더하면 문제가 됩니다. 이를 통해 작성자는 그림 3과 같이 "흥미로운 대역폭"을 정의하게 되었습니다.

"흥미로운 대역폭"은 DSP(디지털 신호 처리)에 의해 처리되는 대역폭입니다. 일반적으로 원하는 신호 대역폭이거나 약간 더 넓습니다.

그림 3.

그림 3에서 신호 및 "흥미로운" 대역폭이 동일한 것으로 표시되지만 둘의 중심 주파수는 그렇지 않습니다. 이것은 ADC 클럭이 믹서의 로컬 발진기로 작동하는 첫 번째 기사에서 설명한 대역 통과 샘플링 때문일 수 있습니다. ADC 클럭의 주파수는 fS로 표시됩니다. 나이퀴스트 주파수 =F_{나이퀴스트} =f_S /₂ .

모델 구현을 위한 입력 신호 선택

ADC를 특성화하여 좋은 모델을 생성하려면 유용한 입력 신호를 정의해야 합니다. 대부분의 ADC 사양은 단일 사인파 입력으로 생성됩니다. 그러나 이것은 0Hz 대역폭을 가지고 있고 엔벨로프 변동이 없기 때문에 썩 좋은 신호처럼 보이지는 않았습니다. 그림 4에 표시된 2톤 입력은 0Hz 이상의 대역폭을 가지며 진폭 변화가 있습니다. 2개의 고품질 신호 소스와 올바른 전력 결합을 사용하여 테스트 벤치에서 쉽게 생성할 수 있습니다. 또한, 대부분의 데이터 시트에는 2톤 입력으로 장치 성능에 대한 일부 정보가 있습니다.

그림 4.

투톤 테스트 신호도 [4]와 [12]에서 제안되었습니다. 제안된 다른 테스트 신호에는 임의의 스펙트럼 모양을 갖는 가우시안 입력[17]과 AM 또는 FM 신호[5]가 있습니다. 일반적으로 여기에는 덜 일반적인 신호 발생기가 필요하며 일반적으로 데이터시트에 테스트용 입력으로 표시되지 않습니다.

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다음 기사에서는 유효 비트 수(ENOB)를 사용하는 ADC 모델에 대해 설명합니다.

이 시리즈의 나머지 부분에 대해서는 다음 표의 약어, 용어집 및 참고 자료를 참조하십시오.

사용된 약어

용어집

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참조

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