Ada Apa Dengan Digital Downconverter—Bagian 1

Banyak arsitektur radio saat ini mengandung tahap konversi turun yang menerjemahkan pita frekuensi RF atau gelombang mikro ke frekuensi menengah untuk pemrosesan pita dasar. Terlepas dari aplikasi akhir, apakah itu komunikasi, kedirgantaraan dan pertahanan, atau instrumentasi, frekuensi yang diinginkan mendorong lebih tinggi ke spektrum RF dan gelombang mikro. Salah satu solusi yang mungkin untuk skenario ini adalah dengan menggunakan peningkatan jumlah tahap konversi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Namun, solusi lain yang lebih efisien adalah dengan memanfaatkan RF ADC dengan digital downconverter (DDC) terintegrasi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Gambar 1. Rantai sinyal analog penerima tipikal dengan tahap konversi turun. Mengintegrasikan fungsionalitas DDC dengan RF ADC meniadakan kebutuhan untuk tahap konversi turun analog tambahan dan memungkinkan spektrum dalam domain frekuensi RF untuk langsung dikonversi ke pita dasar untuk diproses. Kemampuan RF ADC untuk memproses spektrum dalam domain frekuensi gigahertz mengurangi kebutuhan untuk melakukan beberapa kemungkinan penurunan konversi dalam domain analog. Kemampuan DDC memungkinkan ketahanan spektrum serta penyaringan melalui penyaringan penipisan, yang juga memberikan keuntungan untuk meningkatkan rentang dinamis dalam pita (meningkatkan SNR). Diskusi tambahan tentang topik ini dapat ditemukan di sini, “Bukan ADC Kakek Anda”, dan di sini, “Gigasample ADC Menjanjikan Konversi RF Langsung.” Artikel ini memberikan beberapa diskusi tambahan tentang AD9680 dan AD9625 dan fungsionalitas DDC mereka. Gambar 2. Rantai sinyal penerima menggunakan RF ADC dengan DDC. Fokus utama di sini adalah pada fungsionalitas DDC yang ada di AD9680 (serta AD9690, AD9691, dan AD9684). Untuk memahami fungsionalitas DDC dan bagaimana menganalisis spektrum keluaran ketika DDC digunakan dengan ADC, kita akan melihat contoh dengan AD9680-500. Sebagai bantuan, Alat Lipat Frekuensi di situs Perangkat Analog akan digunakan. Alat sederhana namun kuat ini dapat digunakan untuk membantu memahami efek aliasing dari ADC, yang merupakan langkah pertama dalam menganalisis spektrum output dalam ADC RF dengan DDC terintegrasi seperti AD9680. Dalam contoh ini, AD9680-500 beroperasi dengan clock input 368.64 MHz dan frekuensi input analog 270 MHz. Pertama, penting untuk memahami pengaturan untuk blok pemrosesan digital di AD9680. AD9680 akan diatur untuk menggunakan digital downconverter (DDC) di mana inputnya nyata, outputnya kompleks, frekuensi tuning osilator yang dikontrol secara numerik (NCO) diatur ke 98 MHz, filter setengah band 1 (HB1) diaktifkan, dan penguatan 6 dB diaktifkan. Karena keluarannya kompleks, blok konversi kompleks ke nyata dinonaktifkan. Diagram dasar untuk DDC ditunjukkan pada Gambar 3. Untuk memahami bagaimana nada input diproses, penting untuk memahami bahwa sinyal pertama melewati NCO, yang menggeser nada input dalam frekuensi, kemudian melewati penipisan, opsional melalui blok gain, dan kemudian secara opsional melalui konversi kompleks ke nyata. Gambar 3. Blok pemrosesan sinyal DDC di AD9680. Penting juga untuk memahami tampilan makro aliran sinyal melalui AD9680. Sinyal masuk melalui input analog, melewati inti ADC, ke DDC, kemudian melalui serializer JESD204B, dan kemudian keluar melalui jalur output serial JESD204B. Ini diilustrasikan oleh diagram blok AD9680 yang ditunjukkan pada Gambar 4. Gambar 4. Diagram blok AD9680. Dengan input sample clock 368.64 MHz dan frekuensi input analog 270 MHz, sinyal input alias akan masuk ke zona Nyquist pertama di 98.64 MHz. Harmoni kedua dari frekuensi input alias ke zona Nyquist pertama di 171.36 MHz sedangkan harmonik ketiga alias 72.72 MHz. Hal ini diilustrasikan oleh plot dari Frequency Folding Tool pada Gambar 5. Gambar 5. Spektrum keluaran ADC diilustrasikan oleh Alat Lipat Frekuensi. Plot Alat Lipat Frekuensi yang ditunjukkan pada Gambar 5 memberikan status sinyal pada output inti ADC sebelum melewati DDC di AD9680. Blok pemrosesan pertama yang dilewati sinyal di AD9680 adalah NCO yang akan menggeser spektrum ke kiri dalam domain frekuensi sebesar 98 MHz (ingat frekuensi tuning kami adalah 98 MHz). Ini akan menggeser input analog dari 98.64 MHz ke 0.64 MHz, harmonik kedua akan bergeser ke 73.36 MHz, dan harmonik ketiga akan bergeser ke –25.28 MHz (ingat kita sedang melihat output yang kompleks). Hal ini ditunjukkan dalam plot FFT dari Visual Analog pada Gambar 6 di bawah ini. Gambar 6. Output kompleks FFT setelah DDC dengan NCO = 98 MHz dan berkurang 2. Dari plot FFT pada Gambar 6, kita dapat melihat dengan jelas bagaimana NCO telah menggeser frekuensi yang kita amati pada Alat Lipat Frekuensi. Yang menarik adalah kami melihat nada yang tidak dapat dijelaskan di FFT. Namun, apakah nada ini benar-benar tidak dapat dijelaskan? NCO tidak subjektif dan menggeser semua frekuensi. Dalam hal ini telah menggeser alias nada input fundamental 98 MHz menjadi 0.64 MHz dan menggeser harmonik kedua menjadi 73.36 MHz dan harmonik ketiga menjadi –25.28 MHz. Selain itu, nada lain juga telah bergeser dan muncul di 86.32 MHz. Dari mana sebenarnya nada ini berasal? Apakah pemrosesan sinyal DDC atau ADC menghasilkan nada ini? Yah, jawabannya adalah tidak … dan ya. Mari kita lihat skenario ini sedikit lebih dekat. Alat Lipat Frekuensi tidak termasuk offset dc dari ADC. Offset dc ini menghasilkan nada yang ada pada dc (atau 0 Hz). Alat Lipat Frekuensi mengasumsikan ADC ideal yang tidak memiliki offset dc. Dalam output aktual AD9680, nada offset dc pada 0 Hz digeser ke bawah dalam frekuensi menjadi –98 MHz. Karena pencampuran dan penipisan yang kompleks, nada offset dc ini terlipat kembali ke zona Nyquist pertama dalam domain frekuensi nyata. Saat melihat sinyal input yang kompleks di mana nada bergeser ke zona Nyquist kedua dalam domain frekuensi negatif, nada tersebut akan membungkus kembali ke zona Nyquist pertama dalam domain frekuensi sebenarnya. Karena kami telah mengaktifkan penipisan dengan laju penipisan yang sama dengan dua, zona Nyquist kami yang dimusnahkan adalah lebar 92.16 MHz (ingat: fs = 368.64 MHz dan laju sampel yang dihancurkan adalah 184.32 MHz, yang memiliki zona Nyquist 92.16 MHz). Nada offset dc digeser ke –98 MHz, yaitu delta 5.84 MHz dari batas zona Nyquist yang hancur pada 92.16 MHz. Ketika nada ini terlipat kembali ke zona Nyquist pertama, nada ini berakhir pada offset yang sama dari batas zona Nyquist di domain frekuensi sebenarnya, yaitu 92.16 MHz – 5.84 MHz = 86.32 MHz. Di sinilah kita melihat nada dalam plot FFT di atas! Jadi secara teknis, ADC menghasilkan sinyal (karena itu adalah offset dc) dan DDC hanya memindahkannya sedikit. Di sinilah perencanaan frekuensi yang baik masuk. Perencanaan frekuensi yang tepat dapat membantu menghindari situasi seperti ini. Sekarang kita telah melihat contoh menggunakan filter NCO dan HB1 dengan tingkat penipisan sama dengan dua, mari tambahkan sedikit lagi pada contoh. Sekarang kita akan meningkatkan tingkat penipisan di DDC untuk melihat efek dari pelipatan frekuensi dan terjemahan ketika tingkat penipisan yang lebih tinggi digunakan bersama dengan penyetelan frekuensi dengan NCO. Dalam contoh ini kita akan melihat AD9680-500 yang beroperasi dengan clock input 491.52 MHz dan frekuensi input analog 150.1 MHz. AD9680 akan diatur untuk menggunakan digital downconverter (DDC) dengan input nyata, output kompleks, frekuensi tuning NCO 155 MHz, filter half-band 1 (HB1) dan half-band filter 2 (HB2) diaktifkan (total tingkat penipisan sama dengan empat), dan penguatan 6 dB diaktifkan. Karena keluarannya kompleks, blok konversi kompleks ke nyata dinonaktifkan. Ingat dari Gambar 3 diagram dasar untuk DDC, yang memberikan aliran sinyal melalui DDC. Sekali lagi sinyal pertama melewati NCO, yang menggeser nada input dalam frekuensi, kemudian melewati penipisan, melalui blok gain, dan, dalam kasus kami, melewati konversi kompleks ke nyata. Sekali lagi kita akan menggunakan Alat Lipat Frekuensi untuk membantu memahami efek aliasing dari ADC untuk mengevaluasi di mana frekuensi input analog dan harmoniknya akan ditempatkan di domain frekuensi. Dalam contoh ini kita memiliki sinyal nyata, laju sampel 491.52 MSPS, laju penipisan diatur ke empat, dan keluarannya kompleks. Pada output dari ADC, muncul sinyal seperti yang digambarkan di bawah ini pada Gambar 7 dengan Alat Lipat Frekuensi. Gambar 7. Spektrum keluaran ADC diilustrasikan oleh Alat Lipat Frekuensi. Dengan jam sampel input 491.52 MHz dan frekuensi input analog 150.1 MHz, sinyal input akan berada di zona Nyquist pertama. Harmonik kedua pada frekuensi input 300.2 MHz alias masuk ke zona Nyquist pertama di 191.32 MHz sedangkan harmonik ketiga di 450.3 MHz alias masuk ke zona Nyquist pertama di 41.22 MHz. Ini adalah keadaan sinyal pada keluaran ADC sebelum melewati DDC. Sekarang mari kita lihat bagaimana sinyal melewati blok pemrosesan digital di dalam DDC. Kami akan melihat sinyal saat melewati setiap tahap dan mengamati bagaimana NCO menggeser sinyal dan proses penipisan selanjutnya melipat sinyal. Kami akan mempertahankan plot dalam hal laju sampel input, 491.52 MSPS dan istilah fs akan sehubungan dengan laju sampel ini. Mari kita amati proses umum seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8. NCO akan menggeser sinyal input ke kiri. Setelah sinyal dalam domain kompleks (frekuensi negatif) bergeser melampaui –fs/2, sinyal akan terlipat kembali ke zona Nyquist pertama. Selanjutnya sinyal melewati filter penipisan pertama, HB2, yang berkurang dua. Pada gambar, saya menunjukkan proses penipisan tanpa menunjukkan respons filter meskipun operasi terjadi bersamaan. Ini untuk kesederhanaan. Setelah penipisan pertama dengan faktor dua, spektrum dari fs/4 ke fs/2 diterjemahkan menjadi frekuensi antara –fs/4 dan dc. Demikian pula, spektrum dari –fs/2 ke –fs/4 diterjemahkan ke dalam frekuensi antara dc dan fs/4. Sinyal sekarang melewati filter penipisan kedua, HB1, yang juga berkurang dua (total penipisan sekarang sama dengan empat). Spektrum antara fs/8 dan fs/4 sekarang akan diterjemahkan ke frekuensi antara –fs/8 dan dc. Demikian pula, spektrum antara –fs/4 dan –fs/8 akan diterjemahkan ke frekuensi antara dc dan fs/8. Meskipun penipisan ditunjukkan pada gambar, operasi penyaringan penipisan tidak ditampilkan. Gambar 8. Efek filter penipisan pada spektrum keluaran ADC—contoh umum. Ingat kembali contoh yang telah dibahas sebelumnya dengan laju sampel masukan 491.52 MSPS dan frekuensi masukan 150.1 MHz. Frekuensi NCO adalah 155 MHz dan tingkat penipisan sama dengan empat (karena resolusi NCO, frekuensi NCO sebenarnya adalah 154.94 MHz). Ini menghasilkan tingkat sampel keluaran 122.88 MSPS. Karena AD9680 dikonfigurasi untuk pencampuran kompleks, kami perlu menyertakan domain frekuensi kompleks dalam analisis kami. Gambar 9 menunjukkan terjemahan frekuensi yang cukup sibuk, tetapi dengan studi yang cermat kita dapat bekerja melalui aliran sinyal. Gambar 9. Efek filter penipisan pada spektrum keluaran ADC—contoh aktual. Spektrum setelah pergeseran NCO: Frekuensi fundamental bergeser dari +150.1 MHz ke –4.94 MHz. Gambar fundamental bergeser dari –150.1 MHz dan membungkus sekitar 186.48 MHz. Harmonik kedua bergeser dari 191.32 MHz turun menjadi 36.38 MHz.  Harmonik ketiga bergeser dari +41.22 MHz ke –113.72 MHz. Spektrum setelah dikurangi 2 : Frekuensi fundamental tetap pada –4.94 MHz. Gambar fundamental diterjemahkan ke –59.28 MHz dan dilemahkan oleh filter penipisan HB1. Harmonik kedua tetap pada 36.38 MHz. Harmonik ketiga dilemahkan secara signifikan oleh filter penipisan HB2. Spektrum setelah dikurangi dengan 4: Fundamental tetap di -4.94 MHz. Gambar fundamental tetap di –59.28 MHz. Harmonik kedua tetap pada –36.38 MHz. Harmonik ketiga disaring dan hampir dihilangkan oleh filter penipisan HB1. Sekarang mari kita lihat pengukuran sebenarnya pada AD9680-500. Kita bisa melihat fundamental berada di –4.94 MHz. Citra fundamental berada pada –59.28 MHz dengan amplitudo –67.112 dBFS, yang berarti citra telah dilemahkan sekitar 66 dB. Harmonik kedua berada pada 36.38 MHz. Perhatikan bahwa VisualAnalog tidak menemukan frekuensi harmonik dengan benar karena tidak menafsirkan frekuensi NCO dan tingkat penipisan. Gambar 10. Plot keluaran kompleks FFT sinyal setelah DDC dengan NCO = 155 MHz dan dikurangi 4. Dari FFT kita dapat melihat spektrum keluaran AD9680-500 dengan DDC diatur untuk masukan nyata dan keluaran kompleks dengan frekuensi NCO 155 MHz (aktual 154.94 MHz), dan tingkat penipisan sama dengan empat. Saya mendorong Anda untuk menelusuri diagram aliran sinyal untuk memahami bagaimana spektrum digeser dan diterjemahkan. Saya juga akan mendorong Anda untuk menelusuri contoh-contoh yang diberikan dalam artikel ini dengan hati-hati untuk memahami efek DDC pada spektrum keluaran ADC. Saya merekomendasikan untuk mencetak Gambar 8 dan menyimpannya sebagai referensi saat menganalisis spektrum keluaran AD9680, AD9690, AD9691, dan AD9684. Saat mendukung produk ini, saya memiliki banyak pertanyaan terkait frekuensi yang berada dalam spektrum keluaran ADC yang dianggap tidak dapat dijelaskan. Namun, setelah analisis dilakukan dan aliran sinyal dianalisis melalui NCO dan filter penipisan, menjadi jelas bahwa apa yang pada awalnya dianggap sebagai taji yang tidak dapat dijelaskan dalam spektrum sebenarnya hanyalah sinyal yang berada persis di tempat yang seharusnya. Harapan saya bahwa setelah membaca dan mempelajari artikel ini Anda lebih siap untuk menangani pertanyaan saat Anda bekerja dengan ADC yang memiliki DDC terintegrasi. Nantikan bagian kedua, di mana kita akan terus melihat aspek tambahan dari operasi DDC dan juga bagaimana kita dapat mensimulasikan perilakunya.

Tinggalkan pesan 

Daftar pesan