정확한 시스템 시뮬레이션을 위한 데이터 컨버터 모델링

정확한 시스템 시뮬레이션을 위한 데이터 컨버터 모델링

엔지니어들은 데이터 컨버터 성능에 대한 핵심 질문에 답할 시간이 거의 없는 빡빡한 설계 일정에 직면합니다. 이 시리즈는 이러한 질문들을 다루며, 아날로그-디지털(ADC) 및 디지털-아날로그(DAC) 컨버터를 시스템 레벨 시뮬레이션을 위해 모델링하는 방법에 대한 기초적 탐구로 시작합니다.

이전 작업에서 저자는 I/Q 결합을 디지털로 할지 아날로그로 할지 조사했고, 견고한 통신 링크 성능을 위한 요구사항을 개괄했습니다. 현재 기사는 직접 RF 샘플링 아키텍처에서 DAC와 ADC의 중요한 매개변수를 정량화하고 모델링하는 방법을 탐구함으로써 그 기초를 확장합니다.

직접 RF 변조 및 복조

그림 1은 변조를 위한 직접 RF DAC 변환과 복조를 위한 직접 RF ADC 변환이라는 두 가지 일반적인 토폴로지를 보여줍니다. DAC와 ADC는 함께 데이터 컨버터라고 불립니다.

그림 1(a). 변조기

그림 1(b). 복조기

데이터 컨버터 비이상성의 링크 레벨 영향은 잘 문서화되어 있지만, 이 구성에서 DAC와 ADC에 대한 구체적 품질 요구사항은 문헌에서 충분히 탐구되지 않았습니다.

왜 데이터 컨버터를 시뮬레이션하는가?

비트 오류율(BER) 연구는 통계적으로 의미 있는 결과를 요구하며, 일반적으로 수백에서 천 개의 오류 이벤트가 필요합니다. 목표 BER 10^-4의 경우 이는 5백만 비트의 시뮬레이션 데이터로 해석됩니다. 이러한 처리량을 달성하려면 과도한 계산 오버헤드 없이 가장 영향력 있는 특성을 포착하는 간결하면서도 포괄적인 컨버터 모델이 필요합니다.

이 기사는 ADC 중심과 DAC 중심 섹션으로 나뉜 체계적인 모델링 접근법을 제시합니다. 시그마-델타 컨버터는 이 논의에서 제외됩니다.

아날로그-디지털 컨버터(ADC) 모델

주요 참고문헌([4]~[18])은 고속 ADC의 분석, 모델링, 테스트를 다룹니다. 특히 [13], [14], [16], [17] 같은 연구는 비선형 동작을 포착하는 고급 모델을 소개합니다. 그러나 많은 엔지니어들은 여전히 실제 성능에 충실하면서 더 단순하고 직관적인 표현을 추구합니다.

그림 2는 5비트 바이폴라 ADC의 양자화 과정을 보여주며, 32개의 이산 출력 레벨을 가집니다. 피크 전압은 +0.9375V에서 -1.0V까지, 약 ±1V 범위입니다. RF 엔지니어들은 일반적으로 RMS 값으로 작업합니다. 1V 피크 정현파의 RMS는 0.707V로, 풀 스케일 대비 -3dB입니다. 혼란을 피하기 위해 두 단위를 도입합니다: 피크-풀-스케일 비율용 dB_peakFS, RMS-풀-스케일 비율용 dB_rmsFS.

그림 2.

대역폭 선택도 중요한 고려사항입니다. 전통적인 오디오 ADC는 전체 나이퀴스트 대역폭에 초점을 맞추지만, 직접 RF 샘플링은 신호가 점유하는 부분과 가드 밴드만 필요합니다. 우리는 디지털 신호 프로세서(DSP)가 처리할 영역을 '관심 대역폭'으로 정의합니다. 그림 3은 이 개념을 시각화합니다.

그림 3.

이 그림에서 신호 대역폭과 관심 대역폭은 폭이 일치할 수 있지만 대역통과 샘플링으로 인해 중심 주파수가 다를 수 있습니다. 여기서 ADC 클록(f_S)은 믹서의 국부 발진기 역할을 합니다. 나이퀴스트 주파수는 f_Nyquist = f_S/2입니다.

모델 개발을 위한 입력 신호 선택

ADC 특성화에는 동적 동작을 드러내는 테스트 신호가 필요합니다. 데이터시트에서 단일 톤 정현파가 흔하지만, 이는 제로 대역폭과 진폭 변동이 없습니다. 그림 4에 표시된 두 톤 입력은 대역폭과 진폭 변조를 모두 제공하므로 하드웨어 테스트와 시뮬레이션 모두에 실용적 선택입니다. 많은 제조사들도 두 톤 자극에 대한 성능 데이터를 제공합니다.

그림 4.

다른 신호 형태—가우시안 스펙트럼, AM, FM—도 문헌([4], [12])에서 제안되었습니다. 이들은 상용 테스트 스위트에서는 덜 일반적이지만 특수 응용에 유용할 수 있습니다.

이 시리즈 다음 기사에서는 유효 비트 수(ENOB) 기반 ADC 모델을 소개하겠습니다. 그때까지 독자들은 아래 제공된 약어, 용어집, 참고문헌을 참조하시기 바랍니다.

사용된 약어

용어집

• 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

참고문헌

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