Расширение полосы пропускания цифровых приёмных устройств с помощью временного уплотнения сигналов

Размещено на http: //www. allbest. ru/

1АО «Омский научно-исследовательский институт» (АО «ОНИИП»), Омск, Россия

2ФГБОУ ВО «Омский государственный технический университет» (ОмГТУ), Омск, Россия

Расширение полосы пропускания цифровых приёмных устройств с помощью временного уплотнения сигналов

А.С. Фатеева, Г.В. Никонова

Аннотация

цифровой сигнал апертурный погрешность

В данной статье представлены результаты исследования метода расширения полосы пропускания цифровых устройств, основанного на временном уплотнении входных сигналов. Выполнено имитационное моделирование цифровых приёмных устройств с четырехкратным расширением полосы пропускания. Представлены результаты исследования зависимости спектральных характеристик приёмных устройств с временным уплотнением от величины ошибки апертурной погрешности и временной задержки между каналами.

Ключевые слова: расширение полосы пропускания, временное уплотнение сигналов, цифровые приёмные устройства.

Abstract

extension bandwidth of the digital receivers with time interleaved signals

A. S. Fateeva1, G. V. Nikonova2

1 JSC "Omsk research Institute" (JSC "ONIIP"), Omsk, Russia

2Omsk State Technical University (OmSTU), Omsk, Russia

This article presents the results of a study of the method of expanding the bandwidth of digital devices based on the time interleaved of the input signals. Simulation modeling of digital receivers with four-fold bandwidth expansion is performed. The results of the study of the dependence of the spectral characteristics of the receivers with time compaction on the aperture error and the time delay between the channels are presented.

Keywords: extension bandwidth, time interleaved signals, digital receiver.

Введение

В настоящее время скорость передачи данных в современных радиоканалах связи достигает 100 Мбит/с и более [1]. Радиочастотные широкополосные каналы связи в основном работают в диапазонах до 6 ГГц, при этом для передачи информации используются сложные виды модуляции, чтобы обеспечить высокую ёмкость канала связи. Приём и обработка сигналов в радиоканалах связи осуществляется с помощью цифровых приёмных устройств. Ключевым компонентом цифрового приёмного устройства является аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), так как от его спектральных и технических характеристик зависит качество приёма сигналов. Современные быстродействующие АЦП имеют частоту дискретизации до 6 ГГц [2]. Высокая частота дискретизации АЦП позволяет использовать метод прямого цифрового приёма сигналов для широкого диапазона частот, что существенно упрощает практическую реализацию цифровых приёмных устройств.

Однако, чем выше частота дискретизации АЦП, тем ниже его разрядность, так как современные технологии не позволяют обеспечить одновременно высокую разрядность и высокое быстродействие АЦП. Низкая разрядность АЦП в значительной мере снижает динамический диапазон сигнала в цифровом приёмном устройстве. Одним из вариантов решения проблемы низкой частоты дискретизации для АЦП с высокой разрядностью является метод временного уплотнения сигналов [3]. Данный метод основан на параллельном включении нескольких АЦП. Однако, параллельное включение нескольких АЦП может обладать и негативными эффектами, связанными с разбросом параметров реальных устройств, неконтролируемыми временными задержками, апертурной погрешностью и т.д. Всё это в конечном итоге может сказаться на качестве приёма сигналов. Поэтому, для полноценного спектрального и временного анализа процессов, протекающих в цифровом приёмном устройстве, использующем параллельное включение нескольких АЦП, целесообразнее выполнить предварительное имитационное моделирование одноканального АЦП и метода временного уплотнения сигналов с помощью параллельном включении нескольких АЦП.

1. Имитационная модель одноканального АЦП

Рассмотрим упрощенную имитационную модель одноканального АЦП, учитывающую основные источники погрешности и неточности работы АЦП:

1) Ошибка квантования.

2) Нелинейность.

3) Апертурная погрешность (джиттер).

4) Смещение опорного напряжения.

5) Изменение коэффициента усиления.

Структурная схема упрощенной имитационной модели одноканального АЦП представлена на рисунке 1.

Рис. 1 Структурная схема имитационной модели одноканального АЦП

В данной структурной схеме H(x) - аналоговый фильтр, ограничивающий полосу входного сигнала. Преобразования в блоке дискретизации (дискретизаторе) учитывают негативное влияние временной задержки от опорного генератора (ОГ) Дt, и джиттера дs:

, (1)

где Ts -заданный период сигнала ОГ, TA - период сигнала на входе дискретизатора.

P(n) -функция, позволяющая моделировать дифференциальную (DNL) и интегральную (INL) нелинейность АЦП [4].

Кроме того, представленная модель учитывает негативное влияние нестабильности опорного напряжения и ошибку квантования, возникающую в результате ограничений решающего устройства в квантователе [5]. В качестве исходных данных для моделирования АЦП зададим следующие параметры:

1) Разрядность АЦП - 12 бит.

2) Частота дискретизации - 125 МГц.

3) Величина джиттера - дs=400 фС.

4) Дифференциальная нелинейность (DNL) = ±2 (МЗБ).

5) Интегральная нелинейность (INL) = ±8 (МЗБ).

При моделировании одноканального АЦП временную задержку опорного генератора можно не учитывать, так как она не влияет на спектральные характеристики.

Далее рассмотрим реакцию представленной имитационной модели АЦП на воздействие входного синусоидального сигнала с номинальным уровнем 0дБн относительно полной входной шкалы АЦП. На рисунке 2 представлен спектр сигнала на выходе имитационной модели АЦП при воздействии синусоидального сигнала частотой 10 МГц.

Рис. 2 Спектр сигнала на выходе имитационной модели АЦП при воздействии синусоидального сигнала частотой 10 МГц

Как видно графика, представленного на рисунке 2, в выходном сигнале имитационной модели АЦП присутствуют паразитные побочные и шумовые компоненты, определяемые исходными параметрами модели, ярко выраженный характер имеет гармоники 3-го порядка. Спектральные характеристики сигнала на выходе имитационной модели одноканального АЦП:

1) Соотношение сигнал/шум (SNR) - 62.0 дБ.

2) Динамический диапазон свободный от искажений (SFDR) -71.7 дБ.

3) Коэффициент гармонических искажений (THD) - 71.2 дБ

2. Метод временного уплотнения сигналов при параллельном включении нескольких АЦП

Идея использования нескольких параллельных трактов аналогово-цифрового преобразования не является новой [3]. Если выигрыш в полосе пропускания является очевидным, то спектральные характеристики такого цифрового приёмного тракта могут быть в значительной мере ухудшены ввиду разброса ряда параметров реальных АЦП [6]. Для оценки спектральных характеристик цифрового приёмного тракта, использующего метод временного уплотнения сигналов целесообразно выполнить имитационное моделирование. На рисунке 3 представлена структурная схема метода временного уплотнения сигналов при параллельном включении 4-х АЦП:

Рис. 3 Структурная схема метода временного уплотнения сигналов при параллельном включении 4-х АЦП

В данной структурной схеме аналоговый входной сигнал одновременно поступает на вход 4-х АЦП (ADC1...4). Каждый из АЦП подключен к синтезатору тактовых сигналов таким образом, чтобы обеспечить поочередное смещение начальных фаз тактовых сигналов на 900. Это позволяет обеспечить синхронность временного уплотнения сигналов в цифровом виде и восстановить цифровой сигнал с помощью цифрового мультиплексора с 4-х кратной частотой дискретизации. Таким образом достигается 4-х кратное расширение полосы пропускания для цифрового приёмного устройства. Каждый из используемых в данной структурной схеме АЦП имеет свой коэффициент усиления G1...4 и различное напряжение смещения V1...4dc. Кроме того, опорный генератор (ОГ) и синтезатор тактовых частот имеют различные временные задержки Дt, и джиттер дs для каждого из синтезируемых тактовых сигналов:

, (2)

, (3)

, (4)

, (5)

Выражения (2) - (4) определяют погрешность работы метода временного уплотнения сигналов при параллельном включении 4-х АЦП.

Используя исходные данные указанные для одноканального АЦП, выполним имитационное моделирование метода временного уплотнения сигналов при параллельном включении 4-х АЦП со следующими уточнениями:

- величина джиттера дs=400 фС;

- временная задержка между каналами Дt=0...1 пС.

На рисунке 4 представлен спектр сигнала на выходе имитационной модели метода временного уплотнения при воздействии сигнала частотой 10 МГц.

Рис. 4 Спектр сигнала на выходе имитационной модели метода временного уплотнения при воздействии сигнала частотой 10 МГц (дs=400 фС, Дt=0...1 пС)

Исходя из графика, представленного на рисунке 4 можно сделать вывод, что метод временного уплотнения сигналов действительно позволяет в 4 раза расширить полосу пропускания цифрового приёмного устройства, однако погрешности и разброс параметров АЦП в значительной мере ухудшают спектральные характеристики сигнала:

1) Соотношение сигнал/шум (SNR) - 58.0 дБ.

2) Динамический диапазон свободный от искажений (SFDR) -61.7 дБ.

3) Коэффициент гармонических искажений (THD) - 71.8 дБ

При подробном анализе рисунка 4 видно, что наибольший уровень имеют искажения, связанные с негативным влиянием джиттера, временной задержки между каналами (далее «временная задержка») и коэффициента усиления АЦП. Компенсация разности коэффициентов усиления является довольно трудоёмкой задачей, которая может решена с помощью предварительного подбора АЦП по параметрам, либо с помощью использования адаптивных обратных связей. Поэтому при практической реализации метода временного уплотнения сигналов для снижения искажений целесообразно уменьшить негативное влияние джиттера и временной задержки [7].

Использование высокостабильных тактовых синтезаторов и итеративная калибровка сдвига фаз для каждого из АЦП позволяет существенно уменьшить джиттер и временную задержку [8]. Далее выполним моделирование метода временного уплотнения сигналов при уменьшении величины джиттера в два раза и сокращении времени задержки также в два раза. На рисунке 5 представлен спектр сигнала на выходе имитационной модели метода временного уплотнения при воздействии сигнала частотой 10 МГц (дs=200 фС, Дt=0...0,5 пС).

Рис. 5 Спектр сигнала на выходе имитационной модели метода временного уплотнения при воздействии сигнала частотой 10 МГц (дs=200 фС, Дt=0...0,5 пС)

Как видно из графика, представленного на рисунке 5, что искажения, связанные с влиянием джиттера, временной задержки значительно снизились и это качественно отразилось на спектральных характеристиках выходного сигнала:

1) Соотношение сигнал/шум (SNR) - 61.2 дБ.

2) Динамический диапазон свободный от искажений (SFDR) -66.0 дБ.

3) Коэффициент гармонических искажений (THD) - 72.0 дБ

Кроме того, на данном графике можно наблюдать, что так называемая шумовая «полка» джиттера стала более «предсказуемой» и вполне может быть аппроксимирована стандартными функциями.

3. Результаты имитационного моделирования

В таблице 1 представлены результаты исследования зависимости спектральных характеристик сигнала на выходе имитационной модели метода временного уплотнения от временной задержки.

Таблица 1 Зависимость спектральных характеристик от временной задержки

В таблице 2 представлены результаты исследования зависимости спектральных характеристик сигнала на выходе имитационной модели метода временного уплотнения от джиттера.

Таблица 2 Зависимость спектральных характеристик от джиттера

Исходя из данных, представленных в таблице 1 и таблице 2 видно, что динамический диапазон свободный от искажений выходного сигнала наиболее зависим от временной задержки и джиттера, в то время как коэффициент гармонических искажений остается практически неизменным.

Заключение

В ходе работы была разработана модель широкополосного аналого-цифрового преобразователя. Использование имитационного моделирования для метода временного уплотнения сигналов позволяет исследовать зависимость спектральные характеристики выходного сигнала от ошибок квантования, нелинейность, джиттера, смещения опорного напряжения, коэффициента усиления и временной задержки. В ходе анализа результатов моделирования было установлено, что наибольшее негативное влияние на спектральные характеристики выходного сигнала оказывают джиттер, временная задержка и коэффициент усиления. Поэтому при практической реализации метода временного уплотнения сигналов целесообразно минимизировать джиттер и временную задержку.

Литература

1. LTE: Qualcomm Technologies Leading the Global Success. https://www.qualcomm.com/media/documents/files/lte-qualcomm-leading-the-global-success.pdf, 25.01.19.

2. AD9213. https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ad9213.pdf, 25.01.19.

3. W. C. Black and D. A. Hodges. Time-interleaved converter arrays. IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 15, no. 12, pp. 1022-1029, Dec. 1980.

4. Kosunen, M & Vankka, Jouko & Teikari, F & Halonen, K. DNL and INL yield models for a current-steering D/A converter. I-969. 10.1109/ISCAS.2003.1205727.

5. Wagdy, Mahmoud. (1987). Effect of ADC Quantization Errors on Some Periodic Signal Measurements. Instrumentation and Measurement, IEEE Transactions on. IM-36. 983-989. 10.1109/TIM.1987.6312595.

6. Christian Vogel. Comprehensive error analysis of combined channel mismatch effects in time-interleaved ADCs. In Proceedings of the 20th IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference, 2003. IMTC 2003, May 2003, vol. 1, pp. 733-738.

7. Yih-Chyun Jenq. Digital spectra of nonuniformly sampled signals: Theories and applications-measuring clock/aperture jitter of an A/D system. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 39, no. 6, pp. 969-971, December 1990.

LMX2582. https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lmx2582.pdf, 25.01.19.

References

1. LTE: Qualcomm Technologies Leading the Global Success. https://www.qualcomm.com/media/documents/files/lte-qualcomm-leading-the-global-success.pdf, 25.01.19.

2. AD9213. https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ad9213.pdf, 25.01.19.

3. W. C. Black and D. A. Hodges. Time-interleaved converter arrays. IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 15, no. 12, pp. 1022-1029, Dec. 1980.

4. Kosunen, M & Vankka, Jouko & Teikari, F & Halonen, K. DNL and INL yield models for a current-steering D/A converter. I-969. 10.1109/ISCAS.2003.1205727.

5. Wagdy, Mahmoud. (1987). Effect of ADC Quantization Errors on Some Periodic Signal Measurements. Instrumentation and Measurement, IEEE Transactions on. IM-36. 983-989. 10.1109/TIM.1987.6312595.

6. Christian Vogel. Comprehensive error analysis of combined channel mismatch effects in time-interleaved ADCs. In Proceedings of the 20th IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference, 2003. IMTC 2003, May 2003, vol. 1, pp. 733-738.

7. Yih-Chyun Jenq. Digital spectra of nonuniformly sampled signals: Theories and applications-measuring clock/aperture jitter of an A/D system. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 39, no. 6, pp. 969-971, December 1990.LMX2582. https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lmx2582.pdf, 25.01.19.

Размещено на Allbest.ru