システムシミュレーションのためにデータコンバータをどのようにモデル化する必要がありますか？

この記事では、システムシミュレーション用のデータコンバーターをモデル化する方法についての質問を紹介するシリーズを紹介します。

エンジニアはよく疑問に思います。設計スケジュールが厳しいさまざまなプロジェクトに取り組んでいる間、彼らは答えを見つけたいと思う質問について疑問に思うことがよくありますが、時間がありません。彼らはまだ疑問に思っています。

彼のエンジニアリング作業の過程で、あなたの作者は、RFアナログ信号とIおよびQデジタル信号との間のデータ転送に関するさまざまな質問について疑問に思いました。最近、彼はこれらの質問のいくつかに対する答えを追求する時間があり、彼が得ることができたどんな結果も技術記事で利用できるようにしました。そのような以前の記事の1つは、「私とQの組み合わせと分離は、デジタルで行うべきか、それともアナログで行うべきか」という質問に対応していました。もう1つは、「良好な通信リンクパフォーマンスの要件」を提供しました。

その最初の記事の図1は、直接RFデジタルからアナログへの変換と直接RFアナログからデジタルへの変換のオプションを示しています。 （デジタル-アナログコンバーター{DACs}とアナログ-デジタルコンバーター{ADCs}はまとめて「データコンバーター」と呼ばれることに注意してください。）

図1（a）。 モジュレーター

図1（b）。 復調器

その記事で、あなたの作者が疑問に思ったことの1つは、図1のDACとADCの品質要件は、良好な通信リンクパフォーマンスのために何であるかということでした。この質問についてはあまり公開されていないようです。

これにより、彼は、通信リンクでデータコンバーターをシミュレートする場合、どのようにモデル化する必要があるのか​​疑問に思いました。

ビット誤り率（BER）シミュレーションの場合、検出されたビット誤りの数をビットの総数で割って、BERを計算します。統計的に有意な結果を得るには、数百から数千のエラーがカウントされるはずです。 10-4のかなり高いBERでも。 500エラーをカウントするには500万ビットかかります。シミュレーションを妥当な短時間で実行するには、関連するすべてのデータコンバーターの特性を適切にキャプチャする非常に単純なモデルを見つける必要があります。

この記事では、彼が見つけた情報について説明します。議論をADCとDACに関する議論に分割することは役に立ちました。バージョン.02で追加されたメモ。シグマデルタタイプのデータコンバータは、この記事では考慮されていません。

アナログ-デジタルコンバーター（ADC）のモデル

以下の参考文献[4]から[18]は、ADCの分析、モデル、シミュレーション、テスト、および仕様について説明しています。特に[13]、[14]、[16]、および[17]は、ADC性能のいくつかの側面をモデル化したモデルを示しています。エンジニアとして、あなたの作者は、より単純で理解しやすいモデルが可能かどうか疑問に思いました。

図2に、5ビットADCの量子化を示します。 2 ⁵ があります =32レベル。入力は正と負のどちらでもよいため、これはバイポーラ入力ADCと呼ばれます。著者が疑問に思っていたこの側面の1つは、ピーク信号と平均信号の間のフルスケール（FS）に対するdBの違いでした。

図2。

図2の信号のピーク電圧は、+ 0.9375ボルト（FS +）と-1ボルト（FS-）の間です。これは、適切な近似値に対して±1ボルトです。

RFエンジニアは、信号のrms値を処理することに慣れています。正弦波のrms値は0.707ボルトで、FSに対して-3dBです。これは過去にあなたの作者を混乱させたので、彼は単位dBpeakFS（フルスケールに対する信号の電圧ピークのdB）とdBrmsFS（フルスケールに対する信号のrms値のdB）を定義することを選択しました。

もう1つの問題は、誰かが懸念しているADC出力の帯域幅に関するものです。 ADCの初期のオーディオアプリケーションでは、一般的に、人々はナイキスト帯域幅全体について懸念していました。

ただし、図1（b）に示すような直接RFサンプリングの場合、信号が占めるナイキスト帯域の部分と、ガード帯域のわずかな部分のみが問題になります。これにより、作成者は図3に示すように「興味深い帯域幅」を定義することになりました。

「興味深い帯域幅」とは、デジタル信号処理（DSP）によって処理される帯域幅です。これは通常、必要な信号帯域幅または少し広い信号帯域幅です。

図3。

図3では、信号帯域幅と「興味深い」帯域幅は同じであることが示されていますが、2つの中心周波数は同じではないことに注意してください。これは、ADCクロックがミキサーの局部発振器として機能する最初の記事で説明したバンドパスサンプリングが原因である可能性があります。 ADCクロックの周波数はfSで表されます。ナイキスト周波数=F _{ナイキスト} =f _S / ₂ 。

モデルを実装するための入力信号の選択

ADCを特性評価して優れたモデルを作成するには、有用な入力信号を定義する必要があります。ほとんどのADC仕様は、単一の正弦波入力で作成されています。ただし、これは帯域幅が0 Hzでエンベロープの変動がないため、あまり良い信号ではないように見えました。図4に示す2トーン入力は、0 Hzを超える帯域幅を持ち、振幅の変動があります。 2つの高品質信号源と適切な電力の組み合わせを使用して、テストベンチで簡単に生成できます。さらに、ほとんどのデータシートには、2トーン入力でのデバイスのパフォーマンスに関する情報が含まれています。

図4。

[4]と[12]では2トーンのテスト信号も提案されています。提案されている他のテスト信号には、任意のスペクトル形状を持つガウス入力[17]およびAMまたはFM信号[5]が含まれます。通常、これらはあまり一般的ではない信号発生器を必要とし、通常、テストの入力としてデータシートに表示されません。

---

次の記事では、有効ビット数（ENOB）を使用したADCモデルについて説明します。

このシリーズの残りの部分については、次の略語、用語集、および参照の表を参照してください。

使用される略語

用語集

マンソン、ジャスティン; "高速DACのテストと評価を理解する";アナログ・デバイセズのアプリケーションノートAN-928; 2013

アラント、アレックス;ブラノン、ブラッド; ＆Reeder、Rob; 「高速ADCのテストと評価について」;アナログ・デバイセズのアプリケーションノートAN-835; 2010

ベイカー、ボニー; "アナログ-デジタル仕様と性能特性の用語集"; TexasInstrumentsアプリケーションレポートSBAA147B; 2011

マロバート、フランコ;データコンバーター;シュプリンガーパブリッシング;第2章：「データコンバータの仕様」;および9：「D / AおよびA / Dコンバーターのテスト」

Myderrizi、私; Zeki、A、「Current-Steering Digital-to-Analog Converters：Functional Specification、Design Basics、and Behavioral Modeling」、Antennas and Propagation Magazine、IEEE、vol.52、no.4、pp.197,208、2010年8月;セクション3.「DACの性能特性評価のための機能仕様」

参考資料

一般情報

[1] Brodsky、Wesley; 「IとQの結合と分離はデジタルで行うべきですか、それともアナログで行うべきですか？」; WesBrodskyワイヤレス通信ホワイトペーパー：WBWC.01; 2014

[2]マロベルティ、フランコ;データコンバーター;シュプリンガーパブリッシング; 2007

[3] VanTrees、Harry L;検出、推定、および変調理論、パートIII、レーダー/ソナー信号処理およびノイズ中のガウス信号。 John Wiley and Sons; 1971.付録：「バンドパス信号、システム、およびプロセスの複雑な表現」

ADC分析、モデル、シミュレーション、テスト、および仕様

[4]キム・ソクジン; Elkis、R。; Peckerar、Martin、「衛星通信システムにおける高速アナログ-デジタルコンバータのデバイス検証テスト」、計測と測定、IEEE Transactions on、vol.58、no.2、pp.270,280、2009年2月

>

[5] Vedral、J。; Fexa、P。; Svatos、J。、「ADCテストのためのAMおよびFM信号の使用」、Instrumentation and Measurement Technology Conference（I2MTC）、2010 IEEE、vol。、no。、pp.508,511、2010年5月3-6日

[6]ケスター、ウォルト; "ADC入力ノイズの良い面、悪い面、および醜い面—ノイズなしは良いノイズですか？";アナログ・デバイセズのチュートリアルMT-004; 2008

[7]アラント、アレックス;ブラノン、ブラッド;リーダー、ロブ; "高速ADCのテストと評価を理解する";アナログ・デバイセズのアプリケーションノートAN-835; 2010

[8]ケスター、ウォルト; "SINAD、ENOB、SNR、THD、THD + N、およびSFDRを理解して、ノイズフロアで迷子にならないようにします";アナログ・デバイセズのチュートリアルMT-003; 2008

[9]品川、M。;アカザワ、ユキオ;脇本勉、「高速サンプリングシステムのジッター解析」、Solid-State Circuits、IEEE Journal of、vol.25、no.1、pp.220,224、1990年2月

[10]フンメル、D.M。;アイアン、F.H。;クック、R。; Papantonopoulos、I、「非反復手順を使用したADCの特性評価」、Circuits and Systems、1994年。ISCAS'94。、1994 IEEE International Symposium on、vol.2、no。、pp.5,8 vol.2、30 1994年5月-2日

[11] de Mateo Garcia、J.C。; Armada、AG。、「OFDM信号に対するバンドパスシグマデルタ変調の影響」、Consumer Electronics、IEEE Transactions on、vol.45、no.2、pp.318,326、1999年5月

[12] Abuelma'atti、Muhammad Taher、「A / Dコンバータの相互変調性能に対する非単調性の影響」、Communications、IEEE Transactions on、vol.33、no.8、pp.839,843、1985年8月

[13] Traverso、P.A; Mirri、D。; Pasini、G。; Filicori、F。、「修正されたVolterraシリーズに基づく非線形動的S / H-ADCデバイスモデル：識別手順と商用CADツールの実装」、計測と測定、IEEE Transactions on、vol.52、no.4、pp。 1129,1135、2003年8月

[14] Fraz、H。;ビョルセル、N。;ケニー、J.S。; Sperlich、R。、「動的積分非直線性モデルを使用したADCの高調波歪みの予測」、行動モデリングおよびシミュレーションワークショップ、2009年。BMAS2009。IEEE、pp.102、107、2009年9月17〜18日

[15]ケスター、ウォルト; "ADC雑音指数—しばしば誤解され誤解される仕様";アナログ・デバイセズのチュートリアルMT-006; 2014

[16]ブラノン、ブラッド;マクラウド、トム; "ADIsimADCがADCをモデル化する方法";アナログ・デバイセズのアプリケーションノートAN-737; 2009

[17] Dardari、D。、「OFDM受信機におけるジョイントクリップと量子化効果の特性評価」、Circuits and Systems I：Regular Papers、IEEE Transactions on、vol.53、no.8、pp.1741,1748、2006年8月

[18] Lavrador、Pedro Miguel; de Carvalho、N.B。; Pedro、Jose Carlos、「非線形システムにおける信号対雑音および歪み比の劣化の評価」、Microwave Theory and Techniques、IEEE Transactions on、vol.52、no.3、pp.813,822、2004年3月

[18A]グレイ、ロバートM。; 「量子化ノイズスペクトル」;情報理論、IEEEトランザクション;巻36、No。6; 1990年11月; 1220〜1244ページ。

DAC分析、モデル、シミュレーション、テスト、および仕様

[19] Wikner、J.J。; Nianxiang Tan、「電気通信用のCMOSデジタル-アナログコンバータのモデリング」、Circuits and Systems II：Analog and Digital Signal Processing、IEEE Transactions on、vol.46、no.5、pp.489,499、1999年5月

[20] Angrisani、L。; D'Arco、M。、 "Modeling Timing Jitter Effects in Digital-to-Analog Converters、" Instrumentation and Measurement、IEEE Transactions on、vol.58、no.2、pp.330,336、Feb。2009

[21] D'Apuzzo、M。;ダルコ、M。;リカード、A; Vadursi、M。、「Modeling DAC Output Waveforms」、Instrumentation and Measurement、IEEE Transactions on、vol.59、no.11、pp.2854,2862、2010年11月

[22] Myderrizi、私; Zeki、A、「Current-Steering Digital-to-Analog Converters：Functional Specification、Design Basics、and Behavioral Modeling」、Antennas and Propagation Magazine、IEEE、vol.52、no.4、pp.197,208、2010年8月

[23]イ・サンミン; Taleie、S.M。; Saripalli、G.R。; Dongwon Seo、「ベースバンドワイヤレストランスミッタDACのクロック位相ノイズによるTXリーク推定」、Circuits and Systems II：Express Briefs、IEEE Transactions on、vol.59、no.5、pp.277,281、2012年5月

[24] Naoues、M。; Morche、D。; Dehos、C。;バラック、R。; Ghazel、A、「WirelessHDシステム仕様のための新しい動作DACモデリング手法」、Electronics、Circuits、and Systems、2009年。ICECS2009。第16回IEEE International Conference on、vol。、no。、pp.543,546、2009年12月13-16日

[25] Kitaek Bae; Changyong Shin; Powers、E.J。、「非線形性の存在下で選択されたマッピングを使用したOFDMシステムのパフォーマンス分析」、ワイヤレス通信、IEEE Transactions on、vol.12、no.5、pp.2314,2322、2013年5月

[26] Ling、W.A、 "Shaping Quantization Noise and Clipping Distortion in Direct-Detection Discrete Multitone、" Lightwave Technology、Journal of、vol.32、no.9、pp.1750,1758、May1、2014

[27]エンゲル、G。;ファグ、D.E。; Toledano、A、「RFデジタル-アナログコンバーターは通信信号の直接合成を可能にします」、Communications Magazine、IEEE、vol.50、no.10、pp.108,116、2012年10月

[28]ピアソン、クリス; "高速、デジタル-アナログコンバーターの基本"; TexasInstrumentsアプリケーションレポートSLAA523A; 2012

[29]マンソン、ジャスティン; "高速DACのテストと評価を理解する";アナログ・デバイセズのアプリケーションノートAN-928; 2013