データコンバータのモデリングで精度の高いシステムシミュレーションを実現

データコンバータのモデリングで精度の高いシステムシミュレーションを実現

エンジニアはタイトな設計スケジュールに直面し、データコンバータ性能に関する重要な疑問に答える時間がほとんどありません。このシリーズはそれらの疑問に答え、アナログ-デジタル（ADC）およびデジタル-アナログ（DAC）コンバータをシステムレベルシミュレーションでモデリングする方法の基礎的探求から始まります。

以前の作業では、著者はI/Q結合をデジタルで行うかアナログで行うかが望ましいかを検証し、堅牢な通信リンク性能の要件を概説しました。現在の記事は、直接RFサンプリングアーキテクチャにおけるDACとADCの重要なパラメータをいかに定量化しモデリングするかを探ることで、その基盤を構築します。

直接RF変調と復調

図1は2つの一般的なトポロジーを示します：変調用の直接RF DAC変換と復調用の直接RF ADC変換。DACとADCは合わせてデータコンバータと呼ばれます。

図1(a). 変調器

図1(b). 復調器

データコンバータの非理想性がリンクレベルに与える影響はよく文書化されていますが、この構成におけるDACとADCの具体的な品質要件は文献では十分に探求されていません。

なぜデータコンバータをシミュレートするのか？

ビット誤り率（BER）スタディは統計的に意味のある結果を要求し、通常は数百から千の誤りイベントが必要です。目標BER 10^-4の場合、これは500万ビットのシミュレートデータに相当します。このようなスループットを達成するには、最も影響力のある特性を捉えつつ過度な計算オーバーヘッドを避ける、簡潔かつ包括的なコンバータモデルが必要です。

この記事では、ADC中心とDAC中心のセクションに分割されたモデリングへの体系的なアプローチを提示します。なお、シグマデルタコンバータはこの議論から除外します。

アナログ-デジタルコンバータ（ADC）のモデル

主要な参考文献（[4]–[18]）は高速ADCの分析、モデリング、テストをカバーしています。特に[13]、[14]、[16]、[17]などの研究は非線形振る舞いを捉える高度なモデルを導入しています。しかし、多くのエンジニアは実世界の性能に忠実でありながら、よりシンプルで直感的な表現を求めています。

図2は5ビットバイポーラADCの量子化プロセスを示し、32の離散出力レベルを持ちます。ピーク電圧は+0.9375 Vから–1.0 Vまで、約±1 Vです。RFエンジニアは通常RMS値で作業します。1 Vピークの正弦波はRMS 0.707 Vで、フルスケール比で–3 dBです。混乱を避けるため、2つの単位を導入します：ピーク対フルスケール比のdB_peakFS、RMS対フルスケール比のdB_rmsFS。

図2.

帯域幅選択も重要な考慮事項です。従来のオーディオADCは全ナイキスト帯域幅に焦点を当てますが、直接RFサンプリングでは信号が占有する部分とガードバンドのみが必要です。「関心帯域幅」をDSP（デジタル信号プロセッサ）で処理される領域として定義します。図3はこの概念を視覚化します。

図3.

この図では、信号帯域幅と関心帯域幅は幅が一致するかもしれませんが、バンドパスサンプリングではADCクロック（f_S)がミキサーのローカルオシレータとして機能するため、中心周波数が異なる場合があります。ナイキスト周波数は f_Nyquist = f_S/2 です。

モデル開発のための入力信号選択

ADCを特性評価するには、その動的振る舞いを露出させるテスト信号が必要です。単一トーン正弦波はデータシートで一般的ですが、ゼロ帯域幅で振幅変化がありません。図4に示す2トーン入力は、帯域幅と振幅変調の両方を提供し、ハードウェアテストとシミュレーションの両方で実用的な選択肢となります。多くのメーカーも2トーン刺激の性能データを提供しています。

図4.

他の信号形状（ガウススペクトラム、AM、FM）も文献（[4]、[12]）で提案されています。これらは商用テストスイートではあまり一般的ではありませんが、特殊用途では価値があります。

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このシリーズの次の記事では、実効ビット数（ENOB）ベースのADCモデルを導入します。それまで、以下に提供される略語、用語集、参考文献を参照してください。

使用される略語

用語集

• 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

参考文献

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